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JP2016143595A - Method for manufacturing electrode catalyst - Google Patents

Method for manufacturing electrode catalyst Download PDF

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JP2016143595A
JP2016143595A JP2015019730A JP2015019730A JP2016143595A JP 2016143595 A JP2016143595 A JP 2016143595A JP 2015019730 A JP2015019730 A JP 2015019730A JP 2015019730 A JP2015019730 A JP 2015019730A JP 2016143595 A JP2016143595 A JP 2016143595A
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JP
Japan
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platinum
reducing agent
catalyst
solution
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JP2015019730A
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Japanese (ja)
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裕行 田中
Hiroyuki Tanaka
裕行 田中
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing an electrode catalyst capable of exhibiting high activity.SOLUTION: A method for manufacturing an electrode catalyst including: (1) preparing a precursor mixed liquid containing a platinum precursor, a non-platinum metal precursor, and an aggregation preventing agent; (2) preparing a reducing agent mixed liquid containing a reducing agent and an aggregation preventing agent; (3) obtaining a catalyst particle-containing liquid by adding the reducing agent mixed liquid to the precursor mixed liquid and simultaneously reducing the platinum precursor and the non-platinum metal precursor; and (4) obtaining a catalyst particle supporting carrier by adding a carbon carrier to the catalyst particle-containing liquid.SELECTED DRAWING: None

Description

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

近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子形燃料電池(PEFC)は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。固体高分子形燃料電池の構成は、一般的には、電解質膜−電極接合体(MEA)を、セパレータで挟持した構造となっている。電解質膜−電極接合体は、高分子電解質膜が一対の電極触媒層およびガス拡散性の電極(ガス拡散層;GDL)により挟持されてなるものである。   In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. In particular, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is expected as a power source for electric vehicles because it operates at a relatively low temperature. The polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) is sandwiched between separators. The electrolyte membrane-electrode assembly is formed by sandwiching a polymer electrolyte membrane between a pair of electrode catalyst layers and a gas diffusible electrode (gas diffusion layer; GDL).

上記したような電解質膜−電極接合体を有する固体高分子形燃料電池では、固体高分子電解質膜を挟持する両電極(カソードおよびアノード)において、その極性に応じて以下に記す反応式で示される電極反応を進行させ、電気エネルギーを得ている。まず、アノード(負極)側に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒成分により酸化され、プロトンおよび電子となる(2H→4H+4e:反応1)。次に、生成したプロトンは、電極触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらに電極触媒層と接触している固体高分子電解質膜を通り、カソード(正極)側電極触媒層に達する。また、アノード側電極触媒層で生成した電子は、電極触媒層を構成しているカーボン担体、さらに電極触媒層の固体高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通してカソード側電極触媒層に達する。そして、カソード側電極触媒層に達したプロトンおよび電子はカソード側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する(O+4H+4e→2HO:反応2)。燃料電池では、上述した電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。 In the polymer electrolyte fuel cell having the electrolyte membrane-electrode assembly as described above, both the electrodes (cathode and anode) sandwiching the solid polymer electrolyte membrane are represented by the following reaction formulas according to their polarities. Electrode reaction proceeds to obtain electrical energy. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode (negative electrode) side is oxidized by the catalyst component to become protons and electrons (2H 2 → 4H + + 4e : reaction 1). Next, the generated protons pass through the solid polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane in contact with the electrode catalyst layer, and reach the cathode (positive electrode) side electrode catalyst layer. In addition, the electrons generated in the anode side electrode catalyst layer include the carbon carrier constituting the electrode catalyst layer, and the gas diffusion layer, separator, and external circuit that are in contact with the electrode catalyst layer on the side different from the solid polymer electrolyte membrane. To reach the cathode side electrocatalyst layer. The protons and electrons that have reached the cathode-side electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode side to generate water (O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O: Reaction 2). . In the fuel cell, electricity can be taken out through the above-described electrochemical reaction.

ここで、発電性能を向上させるためには、電極触媒層の触媒粒子の活性の向上が重要な鍵となる。従来、活性向上の観点から、白金を電極触媒の触媒成分として使用する必要があった。しかしながら、白金は、非常に高価であり、資源的にも稀少な金属であるため、活性を維持しつつ、触媒粒子に占める白金含有量を低減した白金合金系触媒の開発が求められている。   Here, in order to improve the power generation performance, improvement of the activity of the catalyst particles of the electrode catalyst layer is an important key. Conventionally, it was necessary to use platinum as a catalyst component of an electrode catalyst from the viewpoint of improving activity. However, since platinum is a very expensive and rare metal resource, there is a demand for the development of a platinum alloy catalyst that maintains the activity and reduces the platinum content in the catalyst particles.

このような白金合金系触媒を製造する方法として、例えば、特許文献1では、貴金属塩溶液および合金元素の塩溶液をカーボンブラックの懸濁液に添加し、塩基性化合物を使用することによって金属塩溶液を加水分解し、還元剤で還元する方法が記載されている。   As a method for producing such a platinum alloy catalyst, for example, in Patent Document 1, a noble metal salt solution and a salt solution of an alloy element are added to a suspension of carbon black, and a metal salt is used by using a basic compound. A method is described in which the solution is hydrolyzed and reduced with a reducing agent.

特開2001−85020号公報JP 2001-85020 A

しかしながら、従来の方法においては、触媒粒子の有効表面積が十分ではなく、その結果面積比活性が満足のいくものではなかった。   However, in the conventional method, the effective surface area of the catalyst particles is not sufficient, and as a result, the area specific activity is not satisfactory.

したがって、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、高活性を発揮できる電極触媒の製造方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a method for producing an electrode catalyst that can exhibit high activity.

本発明者は、上記の問題を解決すべく、鋭意研究を行った。その結果、金属前駆体溶液および還元剤溶液の双方に凝集防止剤を添加することによって上記課題を解決できることを見出し、上記課題を解決できることを見出した。   The present inventor has intensively studied to solve the above problems. As a result, it has been found that the above problem can be solved by adding an aggregation inhibitor to both the metal precursor solution and the reducing agent solution, and the above problem can be solved.

本発明によれば、凝集防止剤を含有する白金および非白金金属前駆体溶液に還元剤溶液を添加することで、白金および非白金金属を含む粒子の粒径増大や粒子同士の接触を抑制することができる。ゆえに、十分な触媒有効表面積を確保することができ、触媒粒子の活性を十分に発揮させることができる。   According to the present invention, by adding a reducing agent solution to a platinum and non-platinum metal precursor solution containing an anti-aggregation agent, particle size increase of particles containing platinum and non-platinum metal and contact between particles are suppressed. be able to. Therefore, a sufficient catalytic effective surface area can be ensured, and the activity of the catalyst particles can be sufficiently exhibited.

本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池の基本構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the basic composition of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on one Embodiment of this invention.

本発明の第一実施形態は、(1)白金前駆体、非白金金属前駆体および凝集防止剤を含む前駆体混合液を調製し;(2)還元剤および凝集防止剤を含む還元剤混合液を調製し;(3)前記前駆体混合液に前記還元剤混合液を添加し、前記白金前駆体および非白金金属前駆体を同時還元して、触媒前駆粒子含有液を得;(4)前記触媒前駆粒子含有液に、カーボン担体を添加し、触媒前駆粒子担持担体を得ること;を有する、電極触媒の製造方法である。   In the first embodiment of the present invention, (1) a precursor mixed solution including a platinum precursor, a non-platinum metal precursor, and an anti-aggregation agent is prepared; (2) a reducing agent mixed solution including a reducing agent and an anti-aggregation agent. (3) adding the reducing agent mixture to the precursor mixture and simultaneously reducing the platinum precursor and the non-platinum metal precursor to obtain a catalyst precursor particle-containing solution; (4) And adding a carbon support to the catalyst precursor particle-containing liquid to obtain a catalyst precursor particle-supported support.

本実施形態においては、金属塩溶液を還元剤により還元させて白金合金粒子を得る際に、金属塩溶液および還元剤溶液の双方に凝集防止剤を用いることに特徴を有する。かような製造方法により、触媒有効表面積が高く、面積比活性の高い電極触媒を得ることができる。   This embodiment is characterized in that an aggregation inhibitor is used for both the metal salt solution and the reducing agent solution when the platinum salt particles are obtained by reducing the metal salt solution with a reducing agent. By such a production method, an electrode catalyst having a high effective catalyst surface area and a high area specific activity can be obtained.

白金および非白金金属前駆体を還元剤により同時還元させる方法においては、触媒粒子の有効表面積が十分ではなく、その結果面積比活性が満足のいくものではなかった。特に、製造量を増加させると製造量が少ない時と比較して触媒活性が著しく低下するという問題点を本発明者は見出した。電極触媒を膜−電極接合体、さらには燃料電池として用いる場合には、大量の触媒を合成する必要がある。このため、生産量を増大するためにスケールアップした場合であっても、高活性が発揮できる製造方法が望まれる。   In the method of simultaneously reducing platinum and non-platinum metal precursors with a reducing agent, the effective surface area of the catalyst particles is not sufficient, and as a result, the area specific activity is not satisfactory. In particular, the present inventor has found that when the production amount is increased, the catalytic activity is remarkably lowered as compared with the case where the production amount is small. When the electrode catalyst is used as a membrane-electrode assembly or further as a fuel cell, a large amount of catalyst needs to be synthesized. For this reason, even if it is a case where it scales up in order to increase a production amount, the manufacturing method which can exhibit high activity is desired.

本発明者は、触媒活性が十分に発揮されない原因として、還元剤による還元反応により生成したナノ粒子が凝集し、粒子径の増大が発生するためであると考えた。ナノ粒子の凝集は、製造量を増大させるとより顕著に発生するものと考えられる。このため、金属の還元反応の際にナノ粒子の凝集を抑制すれば、上記活性の低下を抑制できると仮定し、鋭意検討し、本発明を完成させたものである。コロイド形成は金属イオンと還元剤との接触部にて起こるため、金属前駆体混合液および還元剤溶液の双方に凝集防止剤が存在することで、金属ナノ粒子をより効果的に保護できると考えられる。その結果として、粒径の増大や粒子同士の接触による凝集を大幅に低減することが可能となり、金属ナノ粒子の分散性が高まり、触媒粒子の有効面積が確保でき、触媒活性が向上するものと推定される。   The present inventor considered that the reason why the catalytic activity was not sufficiently exhibited was that the nanoparticles produced by the reduction reaction with the reducing agent aggregated and the particle diameter increased. Aggregation of nanoparticles is considered to occur more significantly when the production amount is increased. For this reason, the present invention has been completed by intensive studies on the assumption that the decrease in the activity can be suppressed by suppressing the aggregation of the nanoparticles during the metal reduction reaction. Since colloid formation occurs at the contact portion between metal ions and reducing agent, the presence of an anti-agglomeration agent in both the metal precursor mixture and the reducing agent solution can protect metal nanoparticles more effectively. It is done. As a result, it is possible to significantly reduce the increase in particle size and aggregation due to contact between particles, increase the dispersibility of metal nanoparticles, ensure the effective area of the catalyst particles, and improve the catalyst activity. Presumed.

本明細書において、範囲を示す「X〜Y」は「X以上Y以下」を意味する。また、特記しない限り、操作および物性等は、室温(20〜25℃)/相対湿度40〜50%の条件で測定する。   In this specification, “X to Y” indicating a range means “X or more and Y or less”. Unless otherwise specified, the operation and physical properties are measured under conditions of room temperature (20 to 25 ° C.) / Relative humidity 40 to 50%.

以下、第一実施形態の製造方法の各工程について詳述する。しかしながら、本発明は、下記方法に限定されるものではない。   Hereinafter, each process of the manufacturing method of 1st embodiment is explained in full detail. However, the present invention is not limited to the following method.

(白金前駆体、非白金金属前駆体および凝集防止剤を含む前駆体混合液を調製する工程(1)(以下、単に工程(1)とも称する))
本工程では、白金前駆体、非白金金属前駆体および凝集防止剤を含む混合液を調製する。
(Step (1) of preparing a precursor mixed solution containing a platinum precursor, a non-platinum metal precursor, and an aggregation inhibitor (hereinafter, also simply referred to as step (1)))
In this step, a mixed solution containing a platinum precursor, a non-platinum metal precursor, and an aggregation inhibitor is prepared.

ここでいう凝集防止剤とは、白金および非白金金属が還元されて粒子となる際に凝集を防止する化合物を指す。   The anti-aggregation agent here refers to a compound that prevents aggregation when platinum and non-platinum metal are reduced to form particles.

凝集防止剤としては、特に限定されるものではないが、クエン酸ナトリウム、クエン酸三ナトリウム等のクエン酸塩;クエン酸三ナトリウム二水和物などのクエン酸塩水和物;クエン酸;ポリビニルピロリドン、ポリエチレンイミン、キトサン、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリル酸エステルなどの水溶性高分子;デカンチオール、ヘキサンチオールなどの硫黄化合物;セチルトリメチルアンモニウムブロマイド、セチルトリメチルアンモニウムクロリドなどの脂肪族4級アミン塩などが挙げられる。   The aggregation inhibitor is not particularly limited, but citrate such as sodium citrate and trisodium citrate; citrate hydrate such as trisodium citrate dihydrate; citric acid; polyvinylpyrrolidone Water-soluble polymers such as polyethyleneimine, chitosan, sodium polyacrylate and polyacrylate; sulfur compounds such as decanethiol and hexanethiol; aliphatic quaternary amine salts such as cetyltrimethylammonium bromide and cetyltrimethylammonium chloride Is mentioned.

中でも、凝集防止剤としては、凝集防止効果に優れ、また緩衝剤として作用して反応時のpH変化を最小限にでき、反応が均一に進行しやすくなることから、クエン酸塩またはその水和物であることが好ましく、クエン酸三ナトリウム二水和物であることがより好ましい。   Among these, as an anti-aggregation agent, citrate or its hydration is excellent because it has an excellent anti-agglomeration effect and acts as a buffering agent to minimize pH change during the reaction and facilitate the reaction to proceed uniformly. And is more preferably trisodium citrate dihydrate.

なお、上記凝集防止剤は、1種を単独で使用してもあるいは2種以上の混合物として使用してもよい。   In addition, the said aggregation inhibitor may be used individually by 1 type, or may be used as a 2 or more types of mixture.

前駆体混合液中の凝集防止剤の添加量は、凝集防止の効果が発揮されるよう、適宜設定されるが、白金前駆体および非白金金属前駆体の合計1モルに対して、0.5〜3.0モルであることが好ましく、0.8〜2.0モルであることがより好ましい。   The addition amount of the aggregation inhibitor in the precursor mixed solution is appropriately set so that the effect of preventing aggregation is exhibited, but is 0.5% with respect to 1 mol in total of the platinum precursor and the non-platinum metal precursor. It is preferable that it is -3.0 mol, and it is more preferable that it is 0.8-2.0 mol.

また、前駆体混合液中の凝集防止剤の含有重量は、還元剤混合液中の凝集防止剤の含有重量よりも多いことが好ましい。前駆体混合液中に多く凝集防止剤を加えておくことで反応前の金属イオン周辺に十分に凝集防止剤を配置することが可能となり、より効果的に生成した粒子の保護が可能となる。前駆体混合液中の凝集防止剤の含有重量と還元剤混合液中の凝集防止剤との重量比は特に限定されるものではないが、還元剤混合液中の凝集防止剤の含有重量:前駆体混合液中の凝集防止剤の含有重量=1:2〜1:10であることが好ましく、1:3〜1:8であることがより好ましい。   Moreover, it is preferable that the content weight of the aggregation inhibitor in a precursor liquid mixture is larger than the content weight of the aggregation inhibitor in a reducing agent liquid mixture. By adding a large amount of anti-agglomeration agent in the precursor mixed solution, it becomes possible to sufficiently dispose the anti-aggregation agent around the metal ions before the reaction, and it becomes possible to protect the generated particles more effectively. The weight ratio of the content of the aggregation inhibitor in the precursor mixture and the weight ratio of the aggregation inhibitor in the reducing agent mixture is not particularly limited, but the content of the aggregation inhibitor in the reducing agent mixture: precursor The content of the aggregation inhibitor in the body mixture is preferably 1: 2 to 1:10, more preferably 1: 3 to 1: 8.

また、前駆体混合液中の凝集防止剤および還元剤混合液中の凝集防止剤の合計重量が、白金前駆体の重量の5〜7倍であることが好ましい。かような範囲とすることで、金属イオン周辺に十分に凝集防止剤を配置することが可能となり、より効果的に生成した粒子の保護が可能となる。   Moreover, it is preferable that the total weight of the aggregation inhibitor in the precursor mixture and the aggregation inhibitor in the reducing agent mixture is 5 to 7 times the weight of the platinum precursor. By setting it as such a range, it becomes possible to arrange | position a coagulation inhibitor fully around a metal ion, and it becomes possible to protect the produced | generated particle | grains more effectively.

ここで、本工程(1)において用いることができる白金前駆体としては、特に制限されないが、白金塩および白金錯体が使用できる。より具体的には、塩化白金酸(典型的にはその六水和物;H[PtCl]・6HO)、ジニトロジアンミン白金等の硝酸塩、硫酸塩、アンモニウム塩、アミン、テトラアンミン白金およびヘキサアンミン白金等のアンミン塩、炭酸塩、重炭酸塩、塩化白金等のハロゲン化物、亜硝酸塩、シュウ酸などの無機塩類、ギ酸塩などのカルボン酸塩ならびに水酸化物、アルコキサイドなどを使用することができる。なお、上記白金前駆体は、1種を単独で使用してもあるいは2種以上の混合物として使用してもよい。 Here, the platinum precursor that can be used in this step (1) is not particularly limited, but platinum salts and platinum complexes can be used. More specifically, chloroplatinic acid (typically its hexahydrate; H 2 [PtCl 6 ] · 6H 2 O), nitrates such as dinitrodiammine platinum, sulfates, ammonium salts, amines, tetraammine platinum and Use ammine salts such as hexaammineplatinum, carbonates, bicarbonates, halides such as platinum chloride, inorganic salts such as nitrite and oxalic acid, carboxylates such as formate, hydroxides, alkoxides, etc. Can do. In addition, the said platinum precursor may be used individually by 1 type, or may be used as a 2 or more types of mixture.

また、本工程(1)において用いることができる非白金金属前駆体としては、特に制限されないが、非白金金属塩および非白金金属錯体が使用できる。より具体的には、非白金金属の、硝酸塩、硫酸塩、アンモニウム塩、アミン、炭酸塩、重炭酸塩、臭化物および塩化物などのハロゲン化物、亜硝酸塩、シュウ酸などの無機塩類、ギ酸塩などのカルボン酸塩ならびに水酸化物、アルコキサイド、酸化物などを用いることができる。つまり、非白金金属が、純水などの溶媒中で金属イオンになれる化合物が好ましく挙げられる。これらのうち、非白金金属の塩としては、ハロゲン化物(特に塩化物)、硫酸塩、硝酸塩がより好ましい。なお、上記非白金金属前駆体は、1種を単独で使用してもあるいは2種以上の混合物として使用してもよい。また、非白金金属前駆体は、水和物の形態であってもよい。   In addition, the non-platinum metal precursor that can be used in this step (1) is not particularly limited, but non-platinum metal salts and non-platinum metal complexes can be used. More specifically, non-platinum metals such as nitrates, sulfates, ammonium salts, amines, carbonates, bicarbonates, halides such as bromides and chlorides, inorganic salts such as nitrites and oxalic acid, formates, etc. And carboxylates, hydroxides, alkoxides, oxides, and the like. That is, a compound in which the non-platinum metal can be converted into a metal ion in a solvent such as pure water is preferable. Of these, halides (particularly chlorides), sulfates and nitrates are more preferred as the non-platinum metal salts. In addition, the said non-platinum metal precursor may be used individually by 1 type, or may be used as a 2 or more types of mixture. The non-platinum metal precursor may be in the form of a hydrate.

非白金金属としては、特に制限されないが、触媒活性などの観点から、遷移金属原子であることが好ましい。ここで、遷移金属原子とは、第3族元素から第12族元素を指し、遷移金属原子の種類もまた、特に制限されない。触媒活性、L1構造の形成しやすさなどの観点から、遷移金属原子は、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)およびジルコニウム(Zr)からなる群より選択されることが好ましい。中でも、コバルト(Co)であることが好ましい。 Although it does not restrict | limit especially as a non-platinum metal, From a viewpoint of catalyst activity etc., it is preferable that it is a transition metal atom. Here, the transition metal atom refers to a Group 3 element to a Group 12 element, and the type of the transition metal atom is not particularly limited. Catalytic activity, from the viewpoint of forming easiness of L1 2 structure, the transition metal atom, vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), copper (Cu) It is preferably selected from the group consisting of zinc (Zn) and zirconium (Zr). Among these, cobalt (Co) is preferable.

上記白金前駆体、非白金金属前駆体および凝集防止剤を含む混合液の調製に使用される溶媒は、特に制限されず、使用される白金前駆体、非白金金属前駆体および凝集防止剤の種類によって適宜選択される。なお、上記混合液の形態は特に制限されず、溶液、分散液および懸濁液を包含する。均一に混合できるという観点から、混合液は溶液の形態であることが好ましい。具体的には、水、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール等の有機溶媒、酸、アルカリなどが挙げられる。これらのうち、白金/非白金金属のイオン化合物を十分に溶解する観点から、水が好ましく、純水または超純水を用いることが特に好ましい。上記溶媒は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。   The solvent used for the preparation of the mixed solution containing the platinum precursor, the non-platinum metal precursor and the aggregation inhibitor is not particularly limited, and the kind of the platinum precursor, the non-platinum metal precursor and the aggregation inhibitor used. Is appropriately selected. The form of the mixed solution is not particularly limited, and includes a solution, a dispersion, and a suspension. In view of uniform mixing, the mixed solution is preferably in the form of a solution. Specific examples include water, methanol, ethanol, organic solvents such as 1-propanol and 2-propanol, acids, and alkalis. Among these, water is preferable from the viewpoint of sufficiently dissolving the platinum / non-platinum metal ion compound, and it is particularly preferable to use pure water or ultrapure water. The said solvent may be used independently or may be used with the form of a 2 or more types of mixture.

白金前駆体および非白金金属前駆体の混合液における濃度は、特に制限されないが、金属換算で0.1〜3000(mg/100mL)であることが好ましく、より好ましくは0.5〜2000(mg/100mL)である。なお、白金前駆体および非白金金属前駆体の混合液における濃度は、同じであってもあるいは異なってもよい。   The concentration in the mixed liquid of the platinum precursor and the non-platinum metal precursor is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 3000 (mg / 100 mL), more preferably 0.5 to 2000 (mg) in terms of metal. / 100 mL). In addition, the density | concentration in the liquid mixture of a platinum precursor and a non-platinum metal precursor may be the same, or may differ.

また、白金前駆体と非白金金属前駆体との混合比は、特に制限されないが、上記したような合金組成を達成できるような混合比であることが好ましい。具体的には、非白金金属前駆体を、白金前駆体1モルに対して、0.4〜20モル、より好ましくは0.4〜18モル、特に好ましくは0.5〜15モルの割合(金属換算)で混合することが好ましい。このような混合比であれば、触媒粒子の白金原子と非白金金属原子の割合を適切に制御し、触媒活性を向上させることができる。   In addition, the mixing ratio of the platinum precursor and the non-platinum metal precursor is not particularly limited, but is preferably a mixing ratio that can achieve the alloy composition as described above. Specifically, the non-platinum metal precursor is in a proportion of 0.4 to 20 mol, more preferably 0.4 to 18 mol, and particularly preferably 0.5 to 15 mol with respect to 1 mol of the platinum precursor ( It is preferable to mix by metal conversion. With such a mixing ratio, the ratio of platinum atoms and non-platinum metal atoms in the catalyst particles can be appropriately controlled to improve the catalytic activity.

工程(1)において、白金前駆体、非白金金属前駆体および凝集防止剤を含む混合液の調製方法は、特に制限されない。例えば、凝集防止剤を溶媒に添加した後、白金前駆体および非白金金属前駆体を溶媒に添加する;凝集防止剤を溶媒に添加した後、白金前駆体を溶媒に溶解し、これに非白金金属前駆体を添加する;凝集防止剤を溶媒に添加した後、非白金金属前駆体を溶媒に溶解し、これに白金前駆体を添加する;凝集防止剤、白金前駆体および非白金金属前駆体をそれぞれ別々に溶媒に溶解した後、これらを混合する;凝集防止剤、白金前駆体および非白金金属前駆体を一括して溶媒に添加、混合する;のいずれの方法を使用してもよい。凝集防止剤を予め溶液に溶解させて、凝集防止剤を金属イオンの周りに効率的に配置することができることから、凝集防止剤を溶媒に添加した後、白金前駆体および非白金金属前駆体を溶媒に添加する方法が好ましい。   In the step (1), the method for preparing the mixed solution containing the platinum precursor, the non-platinum metal precursor and the aggregation preventing agent is not particularly limited. For example, after adding an anti-agglomeration agent to the solvent, a platinum precursor and a non-platinum metal precursor are added to the solvent; after adding the anti-agglomeration agent to the solvent, the platinum precursor is dissolved in the solvent and added to the non-platinum Add a metal precursor; after adding an anti-agglomeration agent to the solvent, dissolve the non-platinum metal precursor in the solvent and add the platinum precursor to it; an anti-agglomeration agent, a platinum precursor and a non-platinum metal precursor These may be separately dissolved in a solvent and then mixed; any method of adding an aggregation inhibitor, a platinum precursor and a non-platinum metal precursor to the solvent and mixing them together may be used. Since the aggregation inhibitor can be dissolved in the solution in advance and the aggregation inhibitor can be efficiently arranged around the metal ions, the platinum precursor and the non-platinum metal precursor are added after the aggregation inhibitor is added to the solvent. A method of adding to a solvent is preferred.

また、上記混合液は、均一に混合するために、撹拌することが好ましい。ここで、撹拌条件は、特に均一に混合できる条件であれば特に制限されない。例えば、スターラーやホモジナイザなどの適当な攪拌機を用いる、あるいは、超音波分散装置など超音波を印加することによって、均一に分散混合できる。また、撹拌時間としては凝集防止剤が完全に溶媒に溶解するように適宜設定すればよく、通常、1〜90分であり、好ましくは10〜60分である。   Moreover, it is preferable to stir in order for the said liquid mixture to mix uniformly. Here, the stirring conditions are not particularly limited as long as they can be mixed uniformly. For example, the mixture can be uniformly dispersed and mixed by using an appropriate stirrer such as a stirrer or a homogenizer, or by applying ultrasonic waves such as an ultrasonic dispersing device. Moreover, what is necessary is just to set suitably as stirring time so that an aggregation inhibitor may melt | dissolve in a solvent completely, and it is 1 to 90 minutes normally, Preferably it is 10 to 60 minutes.

なお、後述のように、還元の際の前駆体混合液の溶液温度は20℃以下であることが好ましいので、工程(1)において前駆体混合液の溶液温度を20℃以下、より好ましくは10℃未満とすることが好ましい。溶液温度が20℃を超える場合には、20℃以下に冷却する必要がある。工程(1)のいずれの段階で溶液温度を20℃以下としてもよいが、凝集防止剤を溶媒に添加して凝集防止剤溶液を20℃以下とした後、溶液温度が20℃以下である条件下で、白金前駆体および非白金金属前駆体を溶媒に添加することが好ましい。なお、工程(1)における前駆体混合液の溶液温度は溶液状態となる温度であればよく、下限は特に限定されない。   As will be described later, since the solution temperature of the precursor mixed solution at the time of reduction is preferably 20 ° C. or lower, the solution temperature of the precursor mixed solution in step (1) is 20 ° C. or lower, more preferably 10 ° C. It is preferable to make it less than ° C. When the solution temperature exceeds 20 ° C, it is necessary to cool to 20 ° C or lower. The solution temperature may be 20 ° C. or lower at any stage of the step (1), but the condition that the solution temperature is 20 ° C. or lower after adding the anti-aggregating agent to the solvent to make the anti-aggregating agent solution 20 ° C. or lower. Below, it is preferred to add a platinum precursor and a non-platinum metal precursor to the solvent. In addition, the solution temperature of the precursor liquid mixture in a process (1) should just be the temperature used as a solution state, and a minimum is not specifically limited.

(還元剤および凝集防止剤を含む還元剤混合液を調製する工程(2)(以下、単に工程(2)とも称する))
本工程では、還元剤および凝集防止剤を含む還元剤混合液を調製する。
(Step (2) of preparing a reducing agent mixed solution containing a reducing agent and an anti-aggregation agent (hereinafter also simply referred to as step (2)))
In this step, a reducing agent mixed solution containing a reducing agent and an aggregation inhibitor is prepared.

ここでいう凝集防止剤とは、上記工程(1)と用いられる凝集防止剤と同様、白金および非白金金属が還元されて粒子となる際に凝集を防止する化合物を指す。   As used herein, the anti-aggregation agent refers to a compound that prevents aggregation when platinum and non-platinum metal are reduced to particles as in the anti-aggregation agent used in step (1).

工程(2)で用いられる凝集防止剤の具体例は、工程(1)の欄に記載したものと同様である。工程(2)で使用される凝集防止剤は、工程(1)で使用される凝集防止剤と同じであっても、異なるものであってもよいが、工程(2)で使用される凝集防止剤は、工程(1)で使用される凝集防止剤と同じであることが好ましい。中でも、工程(2)で用いられる凝集防止剤としては、凝集防止効果に優れ、また、緩衝剤としても作用でき、反応による溶液pH変化を最小限にでき、反応が均一に進行しやすくなることから、クエン酸塩またはその水和物であることが好ましく、クエン酸三ナトリウム二水和物であることがより好ましい。また、クエン酸塩またはその水和物である場合、好適な還元剤である水素化ホウ素化合物を用いた場合には、水溶液にすることで弱アルカリ性とし、水素化ホウ素化合物の還元能力の寿命を延ばすという役割も果たせるため、好ましい。   Specific examples of the aggregation inhibitor used in the step (2) are the same as those described in the column of the step (1). The aggregation inhibitor used in step (2) may be the same as or different from the aggregation inhibitor used in step (1), but the aggregation inhibitor used in step (2) may be different. The agent is preferably the same as the aggregation preventing agent used in step (1). Among them, the anti-aggregation agent used in step (2) is excellent in anti-aggregation effect and can also act as a buffer, minimizing changes in the solution pH due to the reaction, and the reaction can easily proceed uniformly. Therefore, citrate or a hydrate thereof is preferable, and trisodium citrate dihydrate is more preferable. In the case of a citrate salt or a hydrate thereof, when a borohydride compound that is a suitable reducing agent is used, it is weakly alkaline by making it into an aqueous solution, and the lifetime of the reducing ability of the borohydride compound is increased. Since the role of extending can also be played, it is preferable.

本発明においては、還元剤とは、白金原子および非白金金属原子(好適には遷移金属原子)の双方を還元しうる還元剤である。また、還元剤としては30℃以下、好ましくは20℃以下で還元作用を示す還元剤であることが好ましい。このような還元剤としては、例えば、水素化ホウ素ナトリウム(NaBH)、水素化ホウ素カルシウム(Ca(BH)、水素化ホウ素リチウム(LiBH)、水素化ホウ素アルミニウム(Al(BH)、水素化ホウ素マグネシウム(Mg(BH)などの水素化ホウ素化合物;エタノール、メタノール、プロパノールなどの低級アルコール;ギ酸、ギ酸ナトリウムやギ酸カリウムなどのギ酸塩;チオ硫酸ナトリウム、およびヒドラジン(N)などが使用できる。これらは水和物の形態になっていてもよい。また、上記還元剤は、1種を単独で使用してもあるいは2種以上の混合物として使用してもよい。なお、クエン酸塩、例えば、クエン酸三ナトリウム二水和物は、白金の還元剤ではあるが、遷移金属原子を還元させることはできないため、本発明でいう還元剤には含まれない。中でも、還元作用の点から、還元剤として水素化ホウ素化合物を用いることが好ましく、水素化ホウ素ナトリウムを用いることがより好ましい。 In the present invention, the reducing agent is a reducing agent that can reduce both platinum atoms and non-platinum metal atoms (preferably transition metal atoms). Moreover, as a reducing agent, it is preferable that it is a reducing agent which shows a reducing action at 30 degrees C or less, Preferably it is 20 degrees C or less. Examples of such a reducing agent include sodium borohydride (NaBH 4 ), calcium borohydride (Ca (BH 4 ) 2 ), lithium borohydride (LiBH 4 ), and aluminum borohydride (Al (BH 4). 3 ), borohydride compounds such as magnesium borohydride (Mg (BH 4 ) 2 ); lower alcohols such as ethanol, methanol, propanol; formates such as formic acid, sodium formate and potassium formate; sodium thiosulfate, and Hydrazine (N 2 H 4 ) or the like can be used. These may be in the form of hydrates. Moreover, the said reducing agent may be used individually by 1 type, or may be used as a 2 or more types of mixture. Citrate, for example, trisodium citrate dihydrate, is a platinum reducing agent, but is not included in the reducing agent in the present invention because it cannot reduce transition metal atoms. Among these, from the viewpoint of reducing action, it is preferable to use a borohydride compound as a reducing agent, and it is more preferable to use sodium borohydride.

上記還元剤および凝集防止剤を含む混合液の調製に使用される溶媒は、特に制限されず、使用される還元剤および凝集防止剤の種類によって適宜選択される。なお、上記混合液の形態は特に制限されず、溶液、分散液および懸濁液を包含する。均一に混合できるという観点から、混合液は溶液の形態であることが好ましい。また、還元剤を溶液状態で金属塩溶液に添加することで、粉末状の還元剤を添加するよりも混合溶液内で反応速度が均一となり、粒子径が均一になりやすいため好ましい。   The solvent used for the preparation of the mixed solution containing the reducing agent and the aggregation preventing agent is not particularly limited, and is appropriately selected depending on the type of the reducing agent and the aggregation preventing agent used. The form of the mixed solution is not particularly limited, and includes a solution, a dispersion, and a suspension. In view of uniform mixing, the mixed solution is preferably in the form of a solution. Further, it is preferable to add the reducing agent in the solution state to the metal salt solution because the reaction rate becomes uniform in the mixed solution and the particle diameter tends to be uniform rather than adding the powdery reducing agent.

溶媒としては、具体的には、水、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール等の有機溶媒、酸、アルカリなどが挙げられる。これらのうち、還元剤および凝集防止剤を十分に溶解する観点から、水が好ましく、純水または超純水を用いることが特に好ましい。上記溶媒は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用してもよい。なお、還元剤溶液に使用される溶媒と、混合液の調製に使用される溶媒とは同じである必要はないが、均一な混合性など考慮すると、同じであることが好ましい。   Specific examples of the solvent include water, organic solvents such as methanol, ethanol, 1-propanol, and 2-propanol, acids, and alkalis. Among these, water is preferable from the viewpoint of sufficiently dissolving the reducing agent and the aggregation inhibitor, and it is particularly preferable to use pure water or ultrapure water. The said solvent may be used independently or may be used with the form of a 2 or more types of mixture. Note that the solvent used for the reducing agent solution and the solvent used for the preparation of the mixed solution are not necessarily the same, but are preferably the same in consideration of uniform mixing properties.

なお、後述のように、還元の際の前駆体混合液の溶液温度は20℃以下であることが好ましいので、工程(2)において混合液の溶液温度を20℃以下、より好ましくは10℃未満とすることが好ましい。溶液温度が20℃を超える場合には、20℃以下に冷却することが好ましい。工程(2)のいずれの段階で溶液温度を20℃以下としてもよいが、凝集防止剤を溶媒に添加して凝集防止剤溶液を20℃以下とした後、溶液温度が20℃以下である条件下で、還元剤を溶媒に添加することが好ましい。なお、工程(2)における前駆体混合液の溶液温度は溶液状態となる温度であればよく、下限は特に限定されない。   As will be described later, since the solution temperature of the precursor mixture at the time of reduction is preferably 20 ° C. or less, the solution temperature of the mixture in step (2) is 20 ° C. or less, more preferably less than 10 ° C. It is preferable that When solution temperature exceeds 20 degreeC, it is preferable to cool to 20 degrees C or less. The solution temperature may be 20 ° C. or lower in any stage of the step (2), but the condition that the solution temperature is 20 ° C. or lower after adding the anti-aggregating agent to the solvent to make the anti-aggregating agent solution 20 ° C. or lower. Under, it is preferred to add the reducing agent to the solvent. In addition, the solution temperature of the precursor liquid mixture in a process (2) should just be the temperature used as a solution state, and a minimum is not specifically limited.

工程(2)において、還元剤および凝集防止剤を含む還元剤混合液の調製方法は、特に制限されない。例えば、凝集防止剤を溶媒に添加した後、還元剤を溶媒に添加する;凝集防止剤および還元剤をそれぞれ別々に溶媒に溶解した後、これらを混合する;凝集防止剤および還元剤を一括して溶媒に添加する;のいずれの方法を使用してもよい。凝集防止剤の効果をより効果的に発揮させるためには、凝集防止剤を溶媒に添加した後、還元剤を溶媒に添加することが好ましい。   In the step (2), the method for preparing the reducing agent mixed solution containing the reducing agent and the aggregation preventing agent is not particularly limited. For example, after adding the anti-aggregation agent to the solvent, the reducing agent is added to the solvent; the anti-aggregation agent and the reducing agent are separately dissolved in the solvent, and then mixed together; Any method of adding to a solvent may be used. In order to exhibit the effect of the aggregation inhibitor more effectively, it is preferable to add the reducing agent to the solvent after adding the aggregation inhibitor to the solvent.

また、好適な還元剤である水素化ホウ素化合物を還元剤として用いる場合には、pHを8.5〜10に調整した凝集防止剤溶液に水素化ホウ素化合物を添加することが好ましい。すなわち本発明の好適な一実施形態は、還元剤が水素化ホウ素化合物であり、pHを8.5〜10に調整した凝集防止剤溶液に水素化ホウ素化合物を添加することを含む、電極触媒の製造方法である。かようなpHに還元剤水溶液を制御することで、還元剤である水素化ホウ素化合物の還元能を確保しつつ、卑金属である合金金属が酸化物として沈殿することを抑制し、合金粒子を形成させることができるため、好ましい。pHを上記範囲内に設定調整するために用いられるpH調整剤としては、公知の酸、塩基、またはそれらの塩を使用することができる。pH調整剤として使用できる酸としては、例えば、塩酸、硫酸、硝酸、フッ酸、ホウ酸、炭酸、次亜リン酸、亜リン酸、およびリン酸等の無機酸や、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、ペンタン酸、2−メチル酪酸、ヘキサン酸、3,3−ジメチル酪酸、2−エチル酪酸、4−メチルペンタン酸、ヘプタン酸、2−メチルヘキサン酸、オクタン酸、2−エチルヘキサン酸、安息香酸、ヒドロキシ酢酸、サリチル酸、グリセリン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、マレイン酸、フタル酸、リンゴ酸、酒石酸、クエン酸、乳酸、ジグリコール酸、2−フランカルボン酸、2,5−フランジカルボン酸、3−フランカルボン酸、2−テトラヒドロフランカルボン酸、メトキシ酢酸、メトキシフェニル酢酸、およびフェノキシ酢酸等の有機酸が挙げられる。pH調整剤として使用できる塩基としては、脂肪族アミン、芳香族アミン等のアミン、水酸化第四アンモニウムなどの有機塩基、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属の水酸化物、第2族元素の水酸化物、およびアンモニア等が挙げられる。   Moreover, when using the borohydride compound which is a suitable reducing agent as a reducing agent, it is preferable to add a borohydride compound to the aggregation inhibitor solution adjusted to pH 8.5-10. That is, a preferred embodiment of the present invention is an electrode catalyst comprising: adding a borohydride compound to an agglomeration inhibitor solution whose reducing agent is a borohydride compound and having a pH adjusted to 8.5-10. It is a manufacturing method. By controlling the reducing agent aqueous solution to such a pH, the reducing ability of the boron hydride compound, which is the reducing agent, is secured, while the alloy metal, which is the base metal, is prevented from precipitating as an oxide, thereby forming alloy particles. This is preferable. As the pH adjuster used for setting and adjusting the pH within the above range, known acids, bases, or salts thereof can be used. Examples of acids that can be used as a pH adjuster include inorganic acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, hydrofluoric acid, boric acid, carbonic acid, hypophosphorous acid, phosphorous acid, and phosphoric acid, formic acid, acetic acid, and propionic acid. , Butyric acid, pentanoic acid, 2-methylbutyric acid, hexanoic acid, 3,3-dimethylbutyric acid, 2-ethylbutyric acid, 4-methylpentanoic acid, heptanoic acid, 2-methylhexanoic acid, octanoic acid, 2-ethylhexanoic acid, Benzoic acid, hydroxyacetic acid, salicylic acid, glyceric acid, oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, pimelic acid, maleic acid, phthalic acid, malic acid, tartaric acid, citric acid, lactic acid, diglycolic acid, 2 -Furan carboxylic acid, 2,5-furandicarboxylic acid, 3-furan carboxylic acid, 2-tetrahydrofuran carboxylic acid, methoxyacetic acid, methoxyphenylacetic acid, And phenoxy organic acids such as acetic acid. Bases that can be used as pH adjusters include amines such as aliphatic amines and aromatic amines, organic bases such as quaternary ammonium hydroxide, hydroxides of alkali metals such as sodium hydroxide and potassium hydroxide, and group 2 Examples thereof include elemental hydroxides and ammonia.

上記混合液は、均一に混合するために、撹拌することが好ましい。ここで、撹拌条件は、特に均一に混合できる条件であれば特に制限されない。例えば、スターラーやホモジナイザなどの適当な攪拌機を用いる、あるいは、超音波分散装置など超音波を印加することによって、均一に分散混合できる。また、撹拌時間としては分散が十分に行われるように適宜設定すればよく、通常、0.5〜60分であり、好ましくは1〜40分である。   The mixed solution is preferably stirred in order to mix uniformly. Here, the stirring conditions are not particularly limited as long as they can be mixed uniformly. For example, the mixture can be uniformly dispersed and mixed by using an appropriate stirrer such as a stirrer or a homogenizer, or by applying ultrasonic waves such as an ultrasonic dispersing device. Moreover, what is necessary is just to set suitably so that dispersion | distribution may fully be performed as stirring time, and it is 0.5-60 minutes normally, Preferably it is 1-40 minutes.

(前駆体混合液に還元剤混合液を添加し、白金前駆体および非白金金属前駆体を同時還元して、触媒粒子含有液を得る工程(3)(以下、単に工程(3)とも称する))
工程(3)において、上記工程(1)で調製された前駆体混合液に上記工程(2)で得られた還元剤混合液を添加して、触媒粒子(白金−非白金金属混合粒子)含有液を得る。当該工程により、白金前駆体由来の白金イオンおよび非白金前駆体由来の非白金金属イオンを同時に還元させることができ、触媒粒子(白金と非白金金属の金属間化合物)を得ることができる。
(Step (3) of adding a reducing agent mixture to the precursor mixture and simultaneously reducing the platinum precursor and the non-platinum metal precursor to obtain a catalyst particle-containing solution (hereinafter also simply referred to as Step (3)) )
In the step (3), the reducing agent mixed solution obtained in the step (2) is added to the precursor mixed solution prepared in the step (1) to contain catalyst particles (platinum-non-platinum metal mixed particles). Obtain a liquid. By this step, platinum ions derived from the platinum precursor and non-platinum metal ions derived from the non-platinum precursor can be reduced simultaneously, and catalyst particles (intermetallic compound of platinum and non-platinum metal) can be obtained.

このように白金と非白金金属とを同時に還元析出させることによって、白金と非白金金属とが均一に混合した状態で目的物を得ることができる。このように、白金イオンおよび非白金金属イオンを同時に還元させることで、高活性な結晶面が多く露出している触媒粒子を得ることができる。   Thus, by subjecting platinum and non-platinum metal to reduction precipitation simultaneously, the target product can be obtained in a state where platinum and non-platinum metal are uniformly mixed. Thus, by simultaneously reducing platinum ions and non-platinum metal ions, catalyst particles having many highly active crystal faces exposed can be obtained.

還元剤の添加量としては、金属イオンを還元させるのに十分な量であれば特に制限されない。具体的には、還元剤の添加量は、金属イオン1モル(白金イオンおよび非白金金属イオンの合計モル(金属換算))に対して、好ましくは1〜10モルであり、より好ましくは1.5〜7モルである。このような量であれば、金属イオン(白金イオンおよび非白金イオン)を同時に十分還元できる。なお、2種以上の還元剤を用いる場合には、これらの合計の添加量が上記範囲であることが好ましい。   The addition amount of the reducing agent is not particularly limited as long as it is an amount sufficient to reduce metal ions. Specifically, the addition amount of the reducing agent is preferably 1 to 10 moles, more preferably 1.10 moles per mole of metal ions (total moles of platinum ions and non-platinum metal ions (metal conversion)). 5-7 moles. With such an amount, metal ions (platinum ions and non-platinum ions) can be sufficiently reduced simultaneously. In addition, when using 2 or more types of reducing agents, it is preferable that these total addition amount is the said range.

前駆体混合液に還元剤混合液を添加する際の、前駆体混合液および還元剤混合液の少なくとも一方の溶液温度が20℃以下であることが好ましく、10℃未満であることがより好ましい。溶液温度を20℃以下とすることで生成した触媒粒子同士の衝突頻度を低下させることが可能となり、より凝集が起こりにくくなる。粒子生成の際の衝突頻度を低減させるという効果をより発揮させるためには、少なくとも前駆体混合液の溶液温度が20℃以下であることが好ましく、10℃未満であることがより好ましい。前駆体混合液に還元剤混合液を添加する際の、前駆体混合液および還元剤混合液の溶液温度は溶液状態となる温度であればよく、下限は特に限定されない。   The solution temperature of at least one of the precursor mixture and the reducing agent mixture when the reducing agent mixture is added to the precursor mixture is preferably 20 ° C. or less, and more preferably less than 10 ° C. By setting the solution temperature to 20 ° C. or lower, it is possible to reduce the collision frequency between the generated catalyst particles, and aggregation is less likely to occur. In order to further exhibit the effect of reducing the collision frequency during particle generation, at least the solution temperature of the precursor mixed solution is preferably 20 ° C. or less, and more preferably less than 10 ° C. The solution temperature of the precursor mixed solution and the reducing agent mixed solution when the reducing agent mixed solution is added to the precursor mixed solution may be a temperature at which the solution is brought into a solution state, and the lower limit is not particularly limited.

還元剤混合液を添加後、撹拌することが好ましい。これにより、白金前駆体、非白金金属前駆体および還元剤を均一に混合するため、均一な還元反応が可能になる。ここで、撹拌条件は、特に均一に混合できる条件であれば特に制限されない。例えば、スターラーやホモジナイザなどの適当な攪拌機を用いる、あるいは、超音波分散装置など超音波を印加することによって、均一に分散混合できる。また、撹拌温度についても、添加時の温度と同様に、20℃以下とすることが好ましく、より好ましくは0℃以上10℃未満である。また、撹拌時間は、白金前駆体、非白金金属前駆体および還元剤を均一に混合できる時間であれば特に制限されないが、通常1〜60分であり、好ましくは5〜40分である。   It is preferable to stir after adding the reducing agent mixture. Thereby, since a platinum precursor, a non-platinum metal precursor, and a reducing agent are mixed uniformly, a uniform reduction reaction becomes possible. Here, the stirring conditions are not particularly limited as long as they can be mixed uniformly. For example, the mixture can be uniformly dispersed and mixed by using an appropriate stirrer such as a stirrer or a homogenizer, or by applying ultrasonic waves such as an ultrasonic dispersing device. Also, the stirring temperature is preferably 20 ° C. or lower, more preferably 0 ° C. or higher and lower than 10 ° C., similarly to the temperature at the time of addition. The stirring time is not particularly limited as long as the platinum precursor, the non-platinum metal precursor, and the reducing agent can be uniformly mixed, but is usually 1 to 60 minutes, and preferably 5 to 40 minutes.

上記還元反応により、触媒粒子が得られる。ここで、必要であれば、触媒粒子を触媒粒子含有液から単離してもよい。ここで、単離方法は、特に制限されず、触媒粒子を濾過し、乾燥すればよい。なお、必要であれば、触媒粒子を濾過した後に、洗浄(例えば、水洗)を行ってもよい。また、上記濾過ならびに必要であれば洗浄工程は、繰り返し行ってもよい。また、濾過または洗浄後、触媒粒子を乾燥してもよい。ここで、触媒粒子の乾燥は、空気中で行ってもよく、また減圧下で行ってもよい。また、乾燥温度は特に限定されないが、例えば、10〜100℃、好ましくは室温(25℃)〜80℃程度の範囲で行うことができる。また、乾燥時間もまた、特に限定されないが、例えば、1〜60時間、好ましくは5〜50時間程度の範囲で行うことができる。   Catalyst particles are obtained by the reduction reaction. Here, if necessary, the catalyst particles may be isolated from the catalyst particle-containing liquid. Here, the isolation method is not particularly limited, and the catalyst particles may be filtered and dried. If necessary, the catalyst particles may be filtered and then washed (for example, washed with water). Further, the filtration and the washing step may be repeated if necessary. Further, the catalyst particles may be dried after filtration or washing. Here, drying of the catalyst particles may be performed in air or may be performed under reduced pressure. Moreover, although drying temperature is not specifically limited, For example, it can carry out in 10-100 degreeC, Preferably it is room temperature (25 degreeC)-about 80 degreeC. Also, the drying time is not particularly limited, but for example, it can be performed in the range of 1 to 60 hours, preferably about 5 to 50 hours.

(触媒粒子含有液に、カーボン担体を添加し、触媒粒子担持担体を得る工程(4)(以下、単に工程(4)とも称する))
本工程では、上記工程(3)で得られた触媒粒子含有液にカーボン担体を添加し、触媒粒子担持担体を得る。
(Step (4) of obtaining a catalyst particle-supporting carrier by adding a carbon carrier to the catalyst particle-containing liquid (hereinafter, also simply referred to as step (4)))
In this step, a carbon carrier is added to the catalyst particle-containing liquid obtained in the step (3) to obtain a catalyst particle-supported carrier.

具体的には、触媒粒子の分散液である触媒粒子含有液中に、カーボン担体を投入し、攪拌することにより、カーボン担体上に触媒粒子を吸着させる。その後、触媒粒子が吸着したカーボン担体を濾過、洗浄させることにより、触媒粒子が担持した、触媒粒子担持担体を得ることができる。   Specifically, a carbon carrier is put into a catalyst particle-containing liquid which is a dispersion of catalyst particles, and the catalyst particles are adsorbed on the carbon carrier by stirring. Thereafter, the carbon carrier on which the catalyst particles are adsorbed is filtered and washed to obtain a catalyst particle-supported carrier carrying the catalyst particles.

カーボン担体は、触媒粒子を担持するための担体、および触媒粒子と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。カーボン担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3重量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。   The carbon carrier functions as a carrier for supporting the catalyst particles and an electron conduction path involved in the exchange of electrons between the catalyst particles and other members. Any carbon carrier may be used as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. The main component is carbon. Is preferred. “The main component is carbon” means that the main component contains carbon atoms, and is a concept that includes both carbon atoms and substantially carbon atoms. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by weight or less is allowed.

カーボン担体のBET比表面積は、触媒粒子を高分散担持させるのに十分な比表面積であればよいが、好ましくは10〜5000m/g、より好ましくは50〜2000m/gとするのがよい。このような比表面積であれば、カーボン担体に十分な触媒粒子を担持(高分散)して、十分な発電性能を達成できる。なお、担体の「BET比表面積(m/g担体)」は、窒素吸着法により測定される。 The BET specific surface area of the carbon support may be a specific surface area sufficient to support highly dispersed catalyst particles, but is preferably 10 to 5000 m 2 / g, more preferably 50 to 2000 m 2 / g. . With such a specific surface area, sufficient catalyst particles are supported (highly dispersed) on the carbon support, and sufficient power generation performance can be achieved. The “BET specific surface area (m 2 / g carrier)” of the carrier is measured by a nitrogen adsorption method.

また、カーボン担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするのがよい。なお、「担体の平均粒子径」は、X線回折(XRD)における担体粒子の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過型電子顕微鏡(TEM)により調べられる担体の粒子径の平均値として測定されうる。本明細書では、「担体の平均粒子径」は、統計上有意な数(例えば、少なくとも200個)のサンプルについて透過型電子顕微鏡像より調べられる担体粒子の粒子径の平均値である。ここで、「粒子径」とは、粒子の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味するものとする。   Further, the size of the carbon support is not particularly limited, but from the viewpoints of easy loading, catalyst utilization, and control of the electrode catalyst layer thickness within an appropriate range, the average particle size is preferably 5 to 200 nm, preferably Is preferably about 10 to 100 nm. The “average particle size of the carrier” is the average of the crystallite size obtained from the half-value width of the diffraction peak of the carrier particle in X-ray diffraction (XRD), or the average particle size of the carrier examined by a transmission electron microscope (TEM). It can be measured as a value. In the present specification, the “average particle diameter of the carrier” is an average value of the particle diameter of the carrier particles examined from a transmission electron microscope image of a statistically significant number (for example, at least 200) of samples. Here, the “particle diameter” means the maximum distance among the distances between any two points on the particle outline.

カーボン担体としては、具体的には、アセチレンブラック、チャンネルブラック、オイルファーネスブラック、ガスファーネスブラック(例えば、バルカン)、ランプブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラック(登録商標)などのカーボンブラック;ブラックパール;黒鉛化アセチレンブラック;黒鉛化チャンネルブラック;黒鉛化オイルファーネスブラック;黒鉛化ガスファーネスブラック;黒鉛化ランプブラック;黒鉛化サーマルブラック;黒鉛化ケッチェンブラック;黒鉛化ブラックパール;カーボンナノチューブ;カーボンナノファイバー;カーボンナノホーン;カーボンフィブリル;活性炭;コークス;天然黒鉛;人造黒鉛などを挙げることができる。また、カーボン担体として、ナノサイズの帯状グラフェンが3次元状に規則的に連結した構造を有するゼオライト鋳型炭素(ZTC)も挙げることができる。   Specific examples of the carbon carrier include carbon blacks such as acetylene black, channel black, oil furnace black, gas furnace black (for example, Vulcan), lamp black, thermal black, ketjen black (registered trademark); black pearl; Graphitized Acetylene Black; Graphitized Channel Black; Graphitized Oil Furnace Black; Graphitized Gas Furnace Black; Graphitized Lamp Black; Graphitized Thermal Black; Graphitized Ketjen Black; Graphitized Black Pearl; Carbon Nanotubes; Carbon nanohorn; carbon fibril; activated carbon; coke; natural graphite; artificial graphite. Further, examples of the carbon carrier include zeolite-templated carbon (ZTC) having a structure in which nano-sized band-shaped graphene is regularly connected in a three-dimensional manner.

カーボン担体は、好ましくは表面上にラクトン基、水酸基、エーテル基、およびカルボニル基からなる群より選択される少なくとも一つ以上の官能基を、総量として0.5μmol/m以上有する、好ましくは0.8〜5μmol/m有するカーボン担体である。かようなカーボン担体を用いることで、活性(特に面積比活性)をより向上できる。これは、合金粒子の凝集を抑制でき、担持されている触媒粒子全体の比表面積の低下を抑制できるためであると考えられる。 The carbon support preferably has at least one functional group selected from the group consisting of a lactone group, a hydroxyl group, an ether group, and a carbonyl group on the surface in a total amount of 0.5 μmol / m 2 or more, preferably 0 A carbon support having 8 to 5 μmol / m 2 . By using such a carbon support, the activity (particularly the area specific activity) can be further improved. This is considered to be because aggregation of the alloy particles can be suppressed and a decrease in the specific surface area of the entire supported catalyst particles can be suppressed.

官能基量の測定方法は、昇温脱離法により計測した値を採用する。昇温脱離法とは超高真空下で試料を等速昇温し、試料から放出されるガス成分(分子・原子)を四重極質量分析計でリアルタイム検出する手法である。ガス成分が放出される温度は、試料表面上でのその成分の吸着/化学結合状態に依存する、すなわち脱着/解離に大きなエネルギーを必要とする成分は、相対的に高い温度で検出される。カーボン上に形成された表面官能基は、その種類に応じて異なる温度でCOあるいはCOとして排出されることになる。COあるいはCOに対して得られた昇温脱離曲線をピーク分離し、各ピークの積分強度Tを測定し、積分強度Tから各官能基成分の量(μmol)を算出することができる。この量(μmol)から下記式により官能基量が算出される。 The value measured by the temperature programmed desorption method is adopted as the method for measuring the functional group amount. The temperature programmed desorption method is a technique in which a sample is heated at a constant speed under an ultra-high vacuum and gas components (molecules / atoms) released from the sample are detected in real time by a quadrupole mass spectrometer. The temperature at which a gas component is released depends on the adsorption / chemical binding state of that component on the sample surface, ie, components that require large energy for desorption / dissociation are detected at relatively high temperatures. The surface functional groups formed on the carbon are discharged as CO or CO 2 at different temperatures depending on the type. The temperature-programmed desorption curve obtained for CO or CO 2 is peak-separated, the integrated intensity T of each peak is measured, and the amount (μmol) of each functional group component can be calculated from the integrated intensity T. From this amount (μmol), the functional group amount is calculated by the following formula.

各官能基の昇温による脱離ガスおよび温度は以下のとおりである;ラクトン基 CO(700℃)、水酸基 CO(650℃)、エーテル基 CO(700℃)、カルボニル基 CO(800℃)。 Desorption gas and temperature due to temperature rise of each functional group are as follows; lactone group CO 2 (700 ° C.), hydroxyl group CO (650 ° C.), ether group CO (700 ° C.), carbonyl group CO (800 ° C.) .

また、本発明においては、下記装置および条件により測定された値を採用する。   Moreover, in this invention, the value measured with the following apparatus and conditions is employ | adopted.

装置:電子科学株式会社製 WA1000S/W)
試料室真空度:10−7〜10−8Paオーダー
加熱方式:赤外線
昇温速度:60℃/min
特定の官能基を有するカーボン担体の製造方法としては特に限定されるものではないが、例えば、カーボン担体として上記列挙したカーボン材料を酸性溶液に接触させる(以下、この処理を酸処理とも呼ぶ。);蒸気賦活処理;気相酸化処理(オゾン、フッ素ガス等);液相酸化処理(過マンガン酸、塩素酸、オゾン水等)などによって得ることができる。
Apparatus: Electronic Science Co., Ltd. WA1000S / W)
Sample chamber vacuum degree: 10 −7 to 10 −8 Pa order Heating method: infrared ray Temperature rising rate: 60 ° C./min
The method for producing a carbon carrier having a specific functional group is not particularly limited. For example, the carbon materials listed above as a carbon carrier are brought into contact with an acidic solution (hereinafter, this treatment is also referred to as acid treatment). Vapor activation treatment; vapor phase oxidation treatment (ozone, fluorine gas, etc.); liquid phase oxidation treatment (permanganic acid, chloric acid, ozone water, etc.), etc.

以下、好適な形態である酸処理について述べる。   Hereinafter, the acid treatment which is a preferable form will be described.

酸性溶液に用いられる酸としては特に限定されるものではないが、塩酸、硫酸、硝酸、過塩素酸などを挙げることができる。中でも、表面官能基形成の点から、硫酸あるいは硝酸の少なくとも1種を用いることが好ましい。   Although it does not specifically limit as an acid used for an acidic solution, Hydrochloric acid, a sulfuric acid, nitric acid, perchloric acid etc. can be mentioned. Among these, from the viewpoint of surface functional group formation, it is preferable to use at least one of sulfuric acid and nitric acid.

また、酸性溶液に接触させるカーボン材料としては、特に限定されるものではないが、比表面積が大きく、酸処理によっても安定であることから、カーボンブラックであることが好ましい。   The carbon material to be brought into contact with the acidic solution is not particularly limited, but carbon black is preferable because it has a large specific surface area and is stable even by acid treatment.

酸処理は、担体を酸性溶液に1回接触させる場合のみならず、複数回繰り返し行っても良い。また、複数回の酸処理を行う場合には、処理ごとに酸性溶液の種類を変更しても良い。酸性溶液の濃度は、カーボン材料、酸の種類などを考慮して適宜設定されるが、0.1〜10mol/Lとすることが好ましい。   The acid treatment may be repeated not only when the carrier is brought into contact with the acidic solution once, but also multiple times. Moreover, when performing acid treatment in multiple times, you may change the kind of acidic solution for every process. The concentration of the acidic solution is appropriately set in consideration of the carbon material, the type of acid, etc., but is preferably 0.1 to 10 mol / L.

カーボン材料を酸性溶液に接触させる方法(酸処理方法)としては、特に制限されないが、カーボン材料を酸性溶液と混合してカーボン材料分散液を調製する工程(工程X)と、カーボン材料分散液を加熱してカーボン材料の表面に官能基を付与する工程(工程Y)とを有することが好ましい。すなわち、本発明の好適な実施形態は、カーボン担体が、カーボン材料を酸性溶液に接触させた後、熱処理を行うことによって得られる。   The method of bringing the carbon material into contact with the acidic solution (acid treatment method) is not particularly limited, but the step of preparing the carbon material dispersion by mixing the carbon material with the acidic solution (step X), and the carbon material dispersion It is preferable to include a step (step Y) of applying a functional group to the surface of the carbon material by heating. That is, a preferred embodiment of the present invention can be obtained by performing a heat treatment after the carbon support is brought into contact with an acidic solution.

上記工程Xでは、酸性溶液にカーボン材料を混合することが好ましい。また、上記カーボン材料分散液は、十分均一に混合するために、撹拌することが好ましい。ここで、撹拌条件は、特に均一に混合できる条件であれば特に制限されない。例えば、スターラーやホモジナイザなどの適当な攪拌機を用いる、あるいは、超音波分散装置など超音波を印加することによって、均一に分散混合できる。また、工程Xにおいて、撹拌温度は、好ましくは5〜40℃である。また、撹拌時間としては分散が十分に行われるように適宜設定すればよく、通常、1〜60分であり、好ましくは3〜30分である。   In the step X, it is preferable to mix a carbon material into the acidic solution. Moreover, it is preferable to stir the carbon material dispersion in order to mix it sufficiently uniformly. Here, the stirring conditions are not particularly limited as long as they can be mixed uniformly. For example, the mixture can be uniformly dispersed and mixed by using an appropriate stirrer such as a stirrer or a homogenizer, or by applying ultrasonic waves such as an ultrasonic dispersing device. In Step X, the stirring temperature is preferably 5 to 40 ° C. Moreover, what is necessary is just to set suitably so that dispersion | distribution may fully be performed as stirring time, and it is 1 to 60 minutes normally, Preferably it is 3 to 30 minutes.

また、上記工程Yでは、工程Xで調製したカーボン材料分散液を加熱してカーボン材料の表面に官能基を付与する。ここで、加熱条件は、カーボン材料表面に官能基を付与できる条件であれば特に制限されない。例えば、加熱温度は、好ましくは60〜90℃である。また、加熱時間は、好ましくは1〜4時間である。このような条件であれば、カーボン材料表面に官能基を十分付与できる。   Moreover, in the said process Y, the carbon material dispersion liquid prepared at the process X is heated, and a functional group is provided to the surface of a carbon material. Here, the heating condition is not particularly limited as long as the functional group can be imparted to the surface of the carbon material. For example, the heating temperature is preferably 60 to 90 ° C. The heating time is preferably 1 to 4 hours. Under such conditions, sufficient functional groups can be imparted to the surface of the carbon material.

その後、洗浄を行うことも好ましく、その洗浄も複数回行ってもよい。洗浄後、乾燥を行うことが好ましい。このようにして、酸処理されたカーボン担体(特定の官能基を有するカーボン担体)を得ることができる。   Thereafter, it is also preferable to perform cleaning, and the cleaning may be performed a plurality of times. It is preferable to dry after washing. In this way, an acid-treated carbon carrier (a carbon carrier having a specific functional group) can be obtained.

また、この酸処理されたカーボン担体(特定の官能基を有するカーボン担体)を、適当な溶媒(例えば、超純水)に添加し、懸濁液の形態としてもよい。この懸濁液は、触媒粒子含有液と混合させるまで、撹拌させておく方がよい。   The acid-treated carbon carrier (carbon carrier having a specific functional group) may be added to a suitable solvent (for example, ultrapure water) to form a suspension. This suspension is preferably stirred until mixed with the catalyst particle-containing liquid.

触媒粒子とカーボン担体との混合比は、特に制限されないが、触媒粒子の担持濃度(担持量)が、電極触媒の全量に対して、2〜70重量%となるような量であることが好ましい。担持濃度をこのような範囲にすることで、触媒粒子同士の凝集が抑制され、また、電極触媒層の厚さの増加を抑制できるため好ましい。担持濃度は、より好ましくは5〜60重量%、さらにより好ましくは5重量%を超えて50重量%以下である。   The mixing ratio of the catalyst particles and the carbon support is not particularly limited, but is preferably an amount such that the supported concentration (supported amount) of the catalyst particles is 2 to 70% by weight with respect to the total amount of the electrode catalyst. . It is preferable to set the support concentration in such a range because aggregation of the catalyst particles is suppressed and an increase in the thickness of the electrode catalyst layer can be suppressed. The supported concentration is more preferably 5 to 60% by weight, even more preferably more than 5% by weight and 50% by weight or less.

また、触媒粒子含有液にカーボン担体を添加した後、撹拌することが好ましい。これにより、触媒粒子およびカーボン担体を均一に混合するため、触媒粒子をカーボン担体に高分散・担持することが可能である。また、上記撹拌処理によって、未還元の白金前駆体や非白金金属前駆体の還元剤による還元反応も同時に起こるため、触媒粒子のカーボン担体への高分散・担持をより進行させることも可能である。ここで、撹拌条件は、特に均一に混合できる条件であれば特に制限されない。例えば、スターラーやホモジナイザなどの適当な攪拌機を用いる、あるいは、超音波分散装置など超音波を印加することによって、均一に分散混合できる。また、撹拌温度は、好ましくは0〜50℃、より好ましくは5〜40℃である。また、撹拌時間は、1〜90時間、より好ましくは5〜80時間行うことが好ましい。このような条件であれば、触媒粒子をカーボン担体により高分散・担持できる。また、未還元の白金前駆体や非白金金属前駆体を還元剤でさらに還元できるため、触媒粒子をカーボン担体により効率的に高分散・担持できる。なお、カーボン担体の触媒粒子含有液への添加は、カーボン担体のみを添加してもよいし、上記のように、懸濁液の形態で添加してもよい。   Further, it is preferable to stir after adding the carbon support to the catalyst particle-containing liquid. Thus, since the catalyst particles and the carbon support are uniformly mixed, the catalyst particles can be highly dispersed and supported on the carbon support. Moreover, since the reduction reaction of the unreduced platinum precursor and the non-platinum metal precursor with the reducing agent occurs simultaneously by the stirring treatment, it is possible to further promote the high dispersion and loading of the catalyst particles on the carbon support. . Here, the stirring conditions are not particularly limited as long as they can be mixed uniformly. For example, the mixture can be uniformly dispersed and mixed by using an appropriate stirrer such as a stirrer or a homogenizer, or by applying ultrasonic waves such as an ultrasonic dispersing device. The stirring temperature is preferably 0 to 50 ° C, more preferably 5 to 40 ° C. The stirring time is preferably 1 to 90 hours, more preferably 5 to 80 hours. Under such conditions, the catalyst particles can be highly dispersed and supported by the carbon support. Further, since the unreduced platinum precursor or non-platinum metal precursor can be further reduced with a reducing agent, the catalyst particles can be efficiently dispersed and supported by the carbon carrier. In addition, the carbon carrier may be added to the catalyst particle-containing liquid by adding only the carbon carrier or as a suspension as described above.

上記担持処理により、触媒粒子が担持したカーボン担体(触媒粒子担持担体または担持担体)が得られる。ここで、必要であれば、この担持担体を単離してもよい。ここで、単離方法は、特に制限されず、担持担体を濾過し、乾燥すればよい。なお、必要であれば、担持担体を濾過した後に、洗浄(例えば、水洗)してもよい。また、上記濾過ならびに必要であれば洗浄工程は、繰り返し行ってもよい。また、濾過または洗浄後、担持担体を乾燥してもよい。ここで、担持担体の乾燥は、空気中で行ってもよく、また減圧下で行ってもよい。また、乾燥温度は特に限定されないが、例えば、10〜100℃、より好ましくは室温(25℃)〜80℃程度の範囲で行うことができる。また、乾燥時間もまた、特に限定されないが、例えば、1〜60時間、好ましくは5〜48時間である。   By the above-described supporting treatment, a carbon support (catalyst particle support support or support support) on which catalyst particles are supported is obtained. Here, if necessary, this carrier may be isolated. Here, the isolation method is not particularly limited, and the supported carrier may be filtered and dried. If necessary, the supported carrier may be filtered and then washed (for example, washed with water). Further, the filtration and the washing step may be repeated if necessary. Further, after the filtration or washing, the supported carrier may be dried. Here, the support carrier may be dried in air or under reduced pressure. Moreover, although drying temperature is not specifically limited, For example, it can carry out in the range of about 10-100 degreeC, More preferably, room temperature (25 degreeC)-about 80 degreeC. Also, the drying time is not particularly limited, but is, for example, 1 to 60 hours, preferably 5 to 48 hours.

なお、上記では、含浸法により、触媒粒子をカーボン担体に担持したが、上記方法に限定されない。上記方法に加えて、例えば、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法が使用できる。ただし、本発明においては、いずれの方法を用いても、同時還元にて行う。   In the above, the catalyst particles are supported on the carbon support by the impregnation method, but the present invention is not limited to the above method. In addition to the above methods, known methods such as a liquid phase reduction support method, an evaporation to dryness method, a colloid adsorption method, a spray pyrolysis method, and a reverse micelle (microemulsion method) can be used. However, in the present invention, any method is used for simultaneous reduction.

このようにして得られた電極触媒は、少ない白金含有量であっても、触媒有効表面積を確保することができ高い活性(面積比活性)を発揮できる。   The electrode catalyst thus obtained can ensure a catalyst effective surface area and exhibit high activity (area specific activity) even with a small platinum content.

また、上記工程(4)で得られた電極触媒を熱処理する熱処理工程をさらに有していてもよい。熱処理条件(熱処理温度および熱処理時間)を適宜選択することによって、触媒活性を向上させることができる。   Moreover, you may further have the heat processing process which heat-processes the electrode catalyst obtained at the said process (4). The catalytic activity can be improved by appropriately selecting the heat treatment conditions (heat treatment temperature and heat treatment time).

具体的には、熱処理温度が350〜450℃である場合には、好ましくは120分を超える時間、さらに好ましくは240分以上、熱処理を行うことが好ましい。   Specifically, when the heat treatment temperature is 350 to 450 ° C., the heat treatment is preferably performed for a time exceeding 120 minutes, more preferably 240 minutes or more.

なお、上記熱処理温度での熱処理時間の上限は、触媒粒子がカーボン担体に担持する状態を維持できる温度であれば特に制限されず、触媒粒子の粒径や種類によって適宜選択される。例えば、熱処理時間は、通常、36時間以下、好ましくは24時間以下、より好ましくは10時間以下、さらにより好ましくは5時間以下である。   The upper limit of the heat treatment time at the heat treatment temperature is not particularly limited as long as it is a temperature at which the catalyst particles can be supported on the carbon support, and is appropriately selected depending on the particle size and type of the catalyst particles. For example, the heat treatment time is usually 36 hours or less, preferably 24 hours or less, more preferably 10 hours or less, and even more preferably 5 hours or less.

熱処理温度が350〜450℃である場合の、熱処理雰囲気は、特に制限されないが、熱処理は、合金(白金及び非白金金属)の酸化を抑制防止するためおよび/または白金や非白金金属への還元をより進行させるために、非酸化性雰囲気下で行うことが好ましい。非酸化性雰囲気下としては、不活性ガス雰囲気または還元性ガス雰囲気が挙げられる。ここで、不活性ガスは、特に制限されないが、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)、及び窒素(N)などが使用できる。上記不活性ガスは、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合ガスの形態で使用されてもよい。また、還元性ガス雰囲気は、還元性ガスが含まれていれば特に制限されないが、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気であることがより好ましい。ここで、還元性ガスは、特に制限されないが、水素(H)ガス、一酸化炭素(CO)ガスが好ましい。また、不活性ガスに含有される還元性ガスの濃度も、特に制限されないが、不活性ガス中の還元性ガスの含有量が、好ましくは10〜100体積%、より好ましくは50〜100体積%である。このような濃度であれば、合金(白金及び非白金金属)の酸化を十分抑制・防止できる。上記のうち、熱処理は、還元性ガス雰囲気で行われることが好ましい。このような条件であれば、触媒粒子径の増大を抑えることができる。 The heat treatment atmosphere when the heat treatment temperature is 350 to 450 ° C. is not particularly limited, but the heat treatment is to suppress and prevent oxidation of the alloy (platinum and non-platinum metal) and / or reduction to platinum or non-platinum metal. It is preferable to carry out in a non-oxidizing atmosphere in order to further advance the process. Examples of the non-oxidizing atmosphere include an inert gas atmosphere and a reducing gas atmosphere. Here, the inert gas is not particularly limited, but helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), nitrogen (N 2 ), and the like can be used. The said inert gas may be used independently or may be used with the form of 2 or more types of mixed gas. The reducing gas atmosphere is not particularly limited as long as the reducing gas is contained, but a mixed gas atmosphere of the reducing gas and the inert gas is more preferable. Here, the reducing gas is not particularly limited, but hydrogen (H 2 ) gas and carbon monoxide (CO) gas are preferable. Further, the concentration of the reducing gas contained in the inert gas is not particularly limited, but the content of the reducing gas in the inert gas is preferably 10 to 100% by volume, more preferably 50 to 100% by volume. It is. With such a concentration, the oxidation of the alloy (platinum and non-platinum metal) can be sufficiently suppressed / prevented. Among the above, the heat treatment is preferably performed in a reducing gas atmosphere. Under such conditions, an increase in catalyst particle diameter can be suppressed.

また、熱処理温度が450℃を超え750℃以下である場合には、10分以上、より好ましくは20分以上、熱処理を行うことが好ましい。なお、上記熱処理温度での熱処理時間の上限は、触媒粒子がカーボン担体に担持する状態を維持できる温度であれば特に制限されず、触媒粒子の粒径や種類によって適宜選択される。例えば、熱処理時間は、通常、36時間以下、好ましくは24時間以下、より好ましくは10時間以下、さらにより好ましくは5時間以下である。   When the heat treatment temperature is higher than 450 ° C. and lower than or equal to 750 ° C., the heat treatment is preferably performed for 10 minutes or longer, more preferably for 20 minutes or longer. The upper limit of the heat treatment time at the heat treatment temperature is not particularly limited as long as it is a temperature at which the catalyst particles can be supported on the carbon support, and is appropriately selected depending on the particle size and type of the catalyst particles. For example, the heat treatment time is usually 36 hours or less, preferably 24 hours or less, more preferably 10 hours or less, and even more preferably 5 hours or less.

熱処理温度が450℃を超え750℃以下である場合の、熱処理雰囲気は、特に制限されないが、熱処理は、合金(白金及び非白金金属)の酸化を抑制防止するためおよび/または白金や非白金金属への還元をより進行させるために、非酸化性雰囲気下で行うことが好ましい。ここで、非酸化性雰囲気は上記熱処理温度が350〜450℃以下である場合と同様の定義であるため、ここでは説明を省略する。上記のうち、熱処理は、不活性ガス雰囲気または還元性ガス雰囲気で行われることが好ましい。このような条件であれば、触媒粒子は担体上で凝集することなく、触媒粒子径の増大を抑えることができる。   The heat treatment atmosphere when the heat treatment temperature is higher than 450 ° C. and lower than 750 ° C. is not particularly limited, but the heat treatment is performed to suppress and prevent oxidation of the alloy (platinum and non-platinum metal) and / or platinum or non-platinum metal. In order to make the reduction to more proceed, it is preferably performed in a non-oxidizing atmosphere. Here, since the non-oxidizing atmosphere has the same definition as that in the case where the heat treatment temperature is 350 to 450 ° C. or lower, description thereof is omitted here. Among the above, the heat treatment is preferably performed in an inert gas atmosphere or a reducing gas atmosphere. Under such conditions, the catalyst particles can be prevented from aggregating on the carrier, and an increase in the catalyst particle diameter can be suppressed.

さらに、熱処理温度が750℃を超える場合には、還元性ガス雰囲気下で、10〜45分間、より好ましくは20〜40分間、熱処理を行うことが好ましい。または、熱処理温度が750℃を超える場合には、不活性ガス雰囲気下で、10〜120分間、より好ましくは30〜100分間、特に好ましくは45分を超えて90分以下の時間、熱処理を行うことが好ましい。   Furthermore, when the heat treatment temperature exceeds 750 ° C., it is preferable to perform the heat treatment in a reducing gas atmosphere for 10 to 45 minutes, more preferably 20 to 40 minutes. Alternatively, when the heat treatment temperature exceeds 750 ° C., the heat treatment is performed in an inert gas atmosphere for 10 to 120 minutes, more preferably 30 to 100 minutes, particularly preferably more than 45 minutes and 90 minutes or less. It is preferable.

なお、上記熱処理温度の上限は、触媒粒子がカーボン担体に担持する状態を維持できる温度であれば特に制限されず、触媒粒子の粒径や種類によって適宜選択される。また、熱処理時の温度及び時間に比例して、シンタリングにより粒子径の増大を引き起こす傾向にある。上記点を考慮すると、例えば、熱処理温度は、1000℃以下でありうる。このような条件であれば、触媒粒子径の増大は抑えつつ、さらに得られる触媒粒子(合金粒子)の担体上での凝集も抑制することができる。上記において、「不活性ガス雰囲気」および「還元性ガス雰囲気」は、上記熱処理温度が350〜450℃以下である場合と同様の定義であるため、ここでは説明を省略する。このような条件であれば、触媒粒子は担体上で凝集することなく、触媒粒子径の増大を抑えることができる。   The upper limit of the heat treatment temperature is not particularly limited as long as it is a temperature at which the catalyst particles can be supported on the carbon support, and is appropriately selected depending on the particle size and type of the catalyst particles. Further, the particle diameter tends to increase due to sintering in proportion to the temperature and time during the heat treatment. Considering the above points, for example, the heat treatment temperature may be 1000 ° C. or less. Under such conditions, an increase in the catalyst particle diameter can be suppressed, and further aggregation of the obtained catalyst particles (alloy particles) on the carrier can be suppressed. In the above, “inert gas atmosphere” and “reducing gas atmosphere” have the same definitions as those in the case where the heat treatment temperature is 350 to 450 ° C. or less, and thus the description thereof is omitted here. Under such conditions, the catalyst particles can be prevented from aggregating on the carrier, and an increase in the catalyst particle diameter can be suppressed.

上記より、本発明の好ましい形態によれば、前記触媒粒子担持担体の熱処理が、(a)還元性ガス雰囲気または不活性ガス雰囲気下で、350〜450℃の温度で、120分を超える時間行われる;(b)還元性ガス雰囲気または不活性ガス雰囲気下で、450℃を超え750℃以下の温度で、10分以上行われる;(c)不活性ガス雰囲気下で、750℃を超える温度で、10〜120分の時間行われる;または(d)還元性ガス雰囲気下で、750℃を超える温度で、10〜45分の時間行われる。   From the above, according to a preferred embodiment of the present invention, the heat treatment of the catalyst particle-supported carrier is performed in (a) a reducing gas atmosphere or an inert gas atmosphere at a temperature of 350 to 450 ° C. for a time exceeding 120 minutes. (B) performed at a temperature of 450 ° C. or higher and 750 ° C. or lower for 10 minutes or more in a reducing gas atmosphere or an inert gas atmosphere; (c) at a temperature of 750 ° C. or higher in an inert gas atmosphere; For 10 to 120 minutes; or (d) for 10 to 45 minutes at a temperature exceeding 750 ° C. in a reducing gas atmosphere.

上述した製造方法により得られた電極触媒は、電解質膜−電極接合体(MEA)および燃料電池に好適に使用できる。すなわち、本発明は、上記製造方法によって得られた電極触媒を含む電解質膜−電極接合体(MEA)、および該電解質膜−電極接合体(MEA)を含む燃料電池をも提供する。   The electrode catalyst obtained by the production method described above can be suitably used for an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) and a fuel cell. That is, the present invention also provides an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) containing the electrode catalyst obtained by the above production method, and a fuel cell containing the electrolyte membrane-electrode assembly (MEA).

[燃料電池]
燃料電池は、電解質膜−電極接合体(MEA)と、燃料ガスが流れる燃料ガス流路を有するアノード側セパレータと酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有するカソード側セパレータとからなる一対のセパレータとを有する。本発明の燃料電池は、耐久性に優れ、かつ高い発電性能を発揮できる。
[Fuel cell]
A fuel cell comprises a pair of separators comprising an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA), an anode side separator having a fuel gas flow path through which fuel gas flows, and a cathode side separator having an oxidant gas flow path through which oxidant gas flows. And have. The fuel cell of the present invention is excellent in durability and can exhibit high power generation performance.

以下、適宜図面を参照しながら、本発明の触媒粒子の一実施形態、ならびにこれを使用した電極、電解質膜−電極接合体(MEA)および燃料電池の一実施形態を詳細に説明する。しかしながら、本発明は、以下の実施形態のみには制限されない。なお、各図面は説明の便宜上誇張されて表現されており、各図面における各構成要素の寸法比率が実際とは異なる場合がある。また、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明した場合では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   Hereinafter, an embodiment of the catalyst particles of the present invention, and an embodiment of an electrode, an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) and a fuel cell using the same will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. However, the present invention is not limited only to the following embodiments. Each drawing is exaggerated for convenience of explanation, and the dimensional ratio of each component in each drawing may be different from the actual one. Further, in the case where the embodiment of the present invention is described with reference to the drawings, the same reference numerals are given to the same elements in the description of the drawings, and redundant description is omitted.

図1は、本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池(PEFC)1の基本構成を示す概略図である。PEFC1は、まず、固体高分子電解質膜2と、これを挟持する一対の触媒層(アノード触媒層3aおよびカソード触媒層3c)とを有する。そして、固体高分子電解質膜2と触媒層(3a、3c)との積層体はさらに、一対のガス拡散層(GDL)(アノードガス拡散層4aおよびカソードガス拡散層4c)により挟持されている。このように、固体高分子電解質膜2、一対の触媒層(3a、3c)および一対のガス拡散層(4a、4c)は、積層された状態で電解質膜−電極接合体(MEA)10を構成する。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 1 according to an embodiment of the present invention. The PEFC 1 first includes a solid polymer electrolyte membrane 2 and a pair of catalyst layers (an anode catalyst layer 3a and a cathode catalyst layer 3c) that sandwich the membrane. The laminate of the solid polymer electrolyte membrane 2 and the catalyst layers (3a, 3c) is further sandwiched between a pair of gas diffusion layers (GDL) (anode gas diffusion layer 4a and cathode gas diffusion layer 4c). Thus, the polymer electrolyte membrane 2, the pair of catalyst layers (3a, 3c), and the pair of gas diffusion layers (4a, 4c) constitute an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) 10 in a stacked state. To do.

PEFC1において、MEA10はさらに、一対のセパレータ(アノードセパレータ5aおよびカソードセパレータ5c)により挟持されている。図1において、セパレータ(5a、5c)は、図示したMEA10の両端に位置するように図示されている。ただし、複数のMEAが積層されてなる燃料電池スタックでは、セパレータは、隣接するPEFC(図示せず)のためのセパレータとしても用いられるのが一般的である。換言すれば、燃料電池スタックにおいてMEAは、セパレータを介して順次積層されることにより、スタックを構成することとなる。なお、実際の燃料電池スタックにおいては、セパレータ(5a、5c)と固体高分子電解質膜2との間や、PEFC1とこれと隣接する他のPEFCとの間にガスシール部が配置されるが、図1ではこれらの記載を省略する。   In PEFC1, the MEA 10 is further sandwiched between a pair of separators (anode separator 5a and cathode separator 5c). In FIG. 1, the separators (5 a, 5 c) are illustrated so as to be positioned at both ends of the illustrated MEA 10. However, in a fuel cell stack in which a plurality of MEAs are stacked, the separator is generally used as a separator for an adjacent PEFC (not shown). In other words, in the fuel cell stack, the MEAs are sequentially stacked via the separator to form a stack. In an actual fuel cell stack, a gas seal portion is disposed between the separator (5a, 5c) and the solid polymer electrolyte membrane 2, or between the PEFC 1 and another adjacent PEFC. These descriptions are omitted in FIG.

セパレータ(5a、5c)は、例えば、厚さ0.5mm以下の薄板にプレス処理を施すことで図1に示すような凹凸状の形状に成形することにより得られる。セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凸部はMEA10と接触している。これにより、MEA10との電気的な接続が確保される。また、セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凹部(セパレータの有する凹凸状の形状に起因して生じるセパレータとMEAとの間の空間)は、PEFC1の運転時にガスを流通させるためのガス流路として機能する。具体的には、アノードセパレータ5aのガス流路6aには燃料ガス(例えば、水素など)を流通させ、カソードセパレータ5cのガス流路6cには酸化剤ガス(例えば、空気など)を流通させる。   The separators (5a, 5c) are obtained, for example, by forming a concavo-convex shape as shown in FIG. 1 by subjecting a thin plate having a thickness of 0.5 mm or less to a press treatment. The convex part seen from the MEA side of the separator (5a, 5c) is in contact with the MEA 10. Thereby, the electrical connection with MEA10 is ensured. Further, a recess (space between the separator and the MEA generated due to the concavo-convex shape of the separator) viewed from the MEA side of the separator (5a, 5c) is a gas for circulating gas during operation of the PEFC 1 Functions as a flow path. Specifically, a fuel gas (for example, hydrogen) is circulated through the gas flow path 6a of the anode separator 5a, and an oxidant gas (for example, air) is circulated through the gas flow path 6c of the cathode separator 5c.

一方、セパレータ(5a、5c)のMEA側とは反対の側から見た凹部は、PEFC1の運転時にPEFCを冷却するための冷媒(例えば、水)を流通させるための冷媒流路7とされる。さらに、セパレータには通常、マニホールド(図示せず)が設けられる。このマニホールドは、スタックを構成した際に各セルを連結するための連結手段として機能する。かような構成とすることで、燃料電池スタックの機械的強度が確保されうる。   On the other hand, the recess viewed from the side opposite to the MEA side of the separator (5a, 5c) serves as a refrigerant flow path 7 for circulating a refrigerant (for example, water) for cooling the PEFC during operation of the PEFC 1. . Further, the separator is usually provided with a manifold (not shown). This manifold functions as a connection means for connecting cells when a stack is formed. With such a configuration, the mechanical strength of the fuel cell stack can be ensured.

なお、図1に示す実施形態においては、セパレータ(5a、5c)は凹凸状の形状に成形されている。ただし、セパレータは、かような凹凸状の形態のみに限定されるわけではなく、ガス流路および冷媒流路の機能を発揮できる限り、平板状、一部凹凸状などの任意の形態であってもよい。   In addition, in embodiment shown in FIG. 1, the separator (5a, 5c) is shape | molded by the uneven | corrugated shape. However, the separator is not limited to such a concavo-convex shape, and may be any form such as a flat plate shape and a partially concavo-convex shape as long as the functions of the gas flow path and the refrigerant flow path can be exhibited. Also good.

上記のような、本発明のMEAを有する燃料電池は、優れた発電性能を発揮する。ここで、燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では固体高分子形燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、固体高分子形燃料電池(PEFC)が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求される自動車などの移動体用電源として用いられることが特に好ましい。   The fuel cell having the MEA of the present invention as described above exhibits excellent power generation performance. Here, the type of the fuel cell is not particularly limited. In the above description, the solid polymer fuel cell has been described as an example. However, in addition to the above, an alkaline fuel cell and a direct methanol fuel cell are used. And a micro fuel cell. Among them, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is preferable because it is small and can achieve high density and high output. The fuel cell is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. Among them, it is particularly preferable to use as a power source for a mobile body such as an automobile that requires a high output voltage after a relatively long time of operation stop.

燃料電池を運転する際に用いられる燃料は特に限定されない。例えば、水素、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、第2級ブタノール、第3級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどが用いられうる。なかでも、高出力化が可能である点で、水素やメタノールが好ましく用いられる。   The fuel used when operating the fuel cell is not particularly limited. For example, hydrogen, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, secondary butanol, tertiary butanol, dimethyl ether, diethyl ether, ethylene glycol, diethylene glycol and the like can be used. Of these, hydrogen and methanol are preferably used in that high output is possible.

また、燃料電池の適用用途は特に限定されるものではないが、車両に適用することが好ましい。本発明の電解質膜−電極接合体は、発電性能および耐久性に優れ、小型化が実現可能である。このため、本発明の燃料電池は、車載性の点から、車両に該燃料電池を適用した場合、特に有利である。   Further, the application application of the fuel cell is not particularly limited, but it is preferably applied to a vehicle. The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention is excellent in power generation performance and durability, and can be downsized. For this reason, the fuel cell of this invention is especially advantageous when this fuel cell is applied to a vehicle from the point of in-vehicle property.

[電解質膜−電極接合体(MEA)]
上述した電極触媒は、電解質膜−電極接合体(MEA)に好適に使用できる。すなわち、本発明の第二実施形態は、第一実施形態の製造方法によって製造される電極触媒を含む電解質膜−電極接合体(MEA)、特に燃料電池用電解質膜−電極接合体(MEA)である。第二実施形態の電解質膜−電極接合体(MEA)は、高い発電性能および耐久性を発揮できる。
[Electrolyte membrane-electrode assembly (MEA)]
The electrode catalyst described above can be suitably used for an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA). That is, the second embodiment of the present invention is an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) including an electrode catalyst manufactured by the manufacturing method of the first embodiment, particularly an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) for fuel cells. is there. The electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) of the second embodiment can exhibit high power generation performance and durability.

第二実施形態の電解質膜−電極接合体(MEA)は、従来の電極触媒に代えて、第一実施形態の製造方法により得られた電極触媒(触媒)を用いる以外は、同様の構成を適用できる。以下に、本発明のMEAの好ましい形態を説明するが、本発明は下記形態に限定されない。   The electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) of the second embodiment has the same configuration except that the electrode catalyst (catalyst) obtained by the production method of the first embodiment is used instead of the conventional electrode catalyst. it can. Although the preferable form of MEA of this invention is demonstrated below, this invention is not limited to the following form.

MEAは、電解質膜、上記電解質膜の両面に順次形成されるアノード触媒層およびアノードガス拡散層ならびにカソード触媒層およびカソードガス拡散層から構成される。そしてこの電解質膜−電極接合体において、前記カソード触媒層およびアノード触媒層の少なくとも一方に第一実施形態の製造方法により得られた電極触媒が使用される。   The MEA is composed of an electrolyte membrane, an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer, a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer which are sequentially formed on both surfaces of the electrolyte membrane. In this electrolyte membrane-electrode assembly, the electrode catalyst obtained by the production method of the first embodiment is used for at least one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer.

(電解質膜)
電解質膜は、例えば、固体高分子電解質膜から構成される。この固体高分子電解質膜は、例えば、燃料電池(PEFC等)の運転時にアノード触媒層で生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード触媒層へと選択的に透過させる機能を有する。また、固体高分子電解質膜は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
(Electrolyte membrane)
The electrolyte membrane is composed of, for example, a solid polymer electrolyte membrane. For example, the solid polymer electrolyte membrane has a function of selectively allowing protons generated in the anode catalyst layer during operation of a fuel cell (such as PEFC) to permeate the cathode catalyst layer along the film thickness direction. The solid polymer electrolyte membrane also has a function as a partition for preventing the fuel gas supplied to the anode side and the oxidant gas supplied to the cathode side from being mixed.

固体高分子電解質膜を構成する電解質材料としては特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、以下の触媒層にて高分子電解質として説明したフッ素系高分子電解質や炭化水素系高分子電解質を同様にして用いることができる。この際、触媒層に用いた高分子電解質と必ずしも同じものを用いる必要はない。   It does not specifically limit as electrolyte material which comprises a solid polymer electrolyte membrane, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably. For example, the fluorine-based polymer electrolyte and the hydrocarbon-based polymer electrolyte described as the polymer electrolyte in the following catalyst layer can be used in the same manner. At this time, it is not always necessary to use the same polymer electrolyte used for the catalyst layer.

電解質膜の厚さは、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定すればよく、特に制限されない。電解質膜の厚さは、通常は5〜300μm程度である。電解質膜の厚さがかような範囲内の値であると、製膜時の強度や使用時の耐久性および使用時の出力特性のバランスが適切に制御されうる。   The thickness of the electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained fuel cell, and is not particularly limited. The thickness of the electrolyte membrane is usually about 5 to 300 μm. When the thickness of the electrolyte membrane is within such a range, the balance of strength during film formation, durability during use, and output characteristics during use can be appropriately controlled.

(触媒層)
触媒層は、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード触媒層では水素の酸化反応が進行し、カソード触媒層では酸素の還元反応が進行する。ここで、第一実施形態の製造方法により得られた電極触媒は、カソード触媒層またはアノード触媒層のいずれに存在してもいてもよい。酸素還元活性の向上の必要性を考慮すると、少なくともカソード触媒層に第一実施形態の製造方法により得られた電極触媒が使用されることが好ましい。ただし、上記形態に係る触媒層は、アノード触媒層として用いてもよいし、カソード触媒層およびアノード触媒層双方として用いてもよいなど、特に制限されるものではない。
(Catalyst layer)
The catalyst layer is a layer where the battery reaction actually proceeds. Specifically, the oxidation reaction of hydrogen proceeds in the anode catalyst layer, and the reduction reaction of oxygen proceeds in the cathode catalyst layer. Here, the electrode catalyst obtained by the production method of the first embodiment may be present in either the cathode catalyst layer or the anode catalyst layer. Considering the necessity for improving the oxygen reduction activity, it is preferable to use the electrode catalyst obtained by the production method of the first embodiment at least for the cathode catalyst layer. However, the catalyst layer according to the above embodiment may be used as an anode catalyst layer, or may be used as both a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer, and is not particularly limited.

触媒層は、電極触媒および電解質を含む。電解質は、特に制限されないが、イオン伝導性の高分子電解質であることが好ましい。上記高分子電解質は、燃料極側の触媒活物質周辺で発生したプロトンを伝達する役割を果たすことから、プロトン伝導性高分子とも呼ばれる。   The catalyst layer includes an electrode catalyst and an electrolyte. The electrolyte is not particularly limited, but is preferably an ion conductive polymer electrolyte. Since the polymer electrolyte plays a role of transmitting protons generated around the catalyst active material on the fuel electrode side, it is also called a proton conductive polymer.

当該高分子電解質は、特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうる。高分子電解質は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質と炭化水素系高分子電解質とに大別される。   The polymer electrolyte is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to. Polymer electrolytes are roughly classified into fluorine-based polymer electrolytes and hydrocarbon-based polymer electrolytes depending on the type of ion exchange resin that is a constituent material.

フッ素系高分子電解質を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。耐熱性、化学的安定性、耐久性、機械強度に優れるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質が用いられる。   Examples of ion exchange resins constituting the fluorine-based polymer electrolyte include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like. Perfluorocarbon sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride-per Examples thereof include fluorocarbon sulfonic acid polymers. From the viewpoint of excellent heat resistance, chemical stability, durability, and mechanical strength, these fluorine-based polymer electrolytes are preferably used, and particularly preferably fluorine-based polymer electrolytes composed of perfluorocarbon sulfonic acid polymers. Is used.

炭化水素系電解質として、具体的には、スルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(S−PEEK)、スルホン化ポリフェニレン(S−PPP)などが挙げられる。原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質が好ましく用いられる。   Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include sulfonated polyethersulfone (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, phosphonated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, and sulfonated poly. Examples include ether ether ketone (S-PEEK) and sulfonated polyphenylene (S-PPP). These hydrocarbon polymer electrolytes are preferably used from the viewpoint of production such that the raw material is inexpensive, the production process is simple, and the selectivity of the material is high.

なお、上述したイオン交換樹脂は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよい。   In addition, as for the ion exchange resin mentioned above, only 1 type may be used independently and 2 or more types may be used together. Moreover, it is not restricted only to the material mentioned above, Other materials may be used.

プロトンの伝達を担う高分子電解質においては、プロトンの伝導度が重要となる。ここで、高分子電解質のEWが大きすぎる場合には触媒層全体でのイオン伝導性が低下する。したがって、本形態の触媒層は、EWの小さい高分子電解質を含むことが好ましい。具体的には、本形態の触媒層は、好ましくはEWが1500g/eq.以下の高分子電解質を含み、より好ましくは1200g/eq.以下の高分子電解質を含み、特に好ましくは1000g/eq.以下の高分子電解質を含む。一方、EWが小さすぎる場合には、親水性が高すぎて、水の円滑な移動が困難となる。かような観点から、高分子電解質のEWは600以上であることが好ましい。なお、EW(Equivalent Weight)は、プロトン伝導性を有する交換基の当量重量を表している。当量重量は、イオン交換基1当量あたりのイオン交換膜の乾燥重量であり、「g/eq」の単位で表される。   Proton conductivity is important in polymer electrolytes responsible for proton transmission. Here, when the EW of the polymer electrolyte is too large, the ionic conductivity in the entire catalyst layer is lowered. Therefore, it is preferable that the catalyst layer of this embodiment contains a polymer electrolyte having a small EW. Specifically, the catalyst layer of this embodiment preferably has an EW of 1500 g / eq. The following polymer electrolyte is contained, More preferably, it is 1200 g / eq. The following polymer electrolyte is included, and particularly preferably 1000 g / eq. The following polymer electrolytes are included. On the other hand, if the EW is too small, the hydrophilicity is too high, making it difficult to smoothly move water. From such a viewpoint, the EW of the polymer electrolyte is preferably 600 or more. Note that EW (Equivalent Weight) represents the equivalent weight of the exchange group having proton conductivity. The equivalent weight is the dry weight of the ion exchange membrane per equivalent of ion exchange group, and is expressed in units of “g / eq”.

触媒層には、必要に応じて、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体などの撥水剤、界面活性剤などの分散剤、グリセリン、エチレングリコール(EG)、ポリビニルアルコール(PVA)、プロピレングリコール(PG)などの増粘剤、造孔剤等の添加剤が含まれていても構わない。   If necessary, the catalyst layer may be a water repellent such as polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene or tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, a dispersant such as a surfactant, glycerin, ethylene glycol (EG). ), A thickener such as polyvinyl alcohol (PVA) and propylene glycol (PG), and an additive such as a pore-forming agent may be contained.

触媒層の膜厚(乾燥膜厚)は、好ましくは0.05〜30μm、より好ましくは1〜20μm、さらに好ましくは2〜15μmである。なお、上記は、カソード触媒層およびアノード触媒層双方に適用される。しかしながら、カソード触媒層およびアノード触媒層は、同じであってもあるいは異なってもよい。   The film thickness (dry film thickness) of the catalyst layer is preferably 0.05 to 30 μm, more preferably 1 to 20 μm, and still more preferably 2 to 15 μm. The above applies to both the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer. However, the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer may be the same or different.

(ガス拡散層)
ガス拡散層(アノードガス拡散層4a、カソードガス拡散層4c)は、セパレータのガス流路(6a、6c)を介して供給されたガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)の触媒層(3a、3c)への拡散を促進する機能、および電子伝導パスとしての機能を有する。
(Gas diffusion layer)
The gas diffusion layers (anode gas diffusion layer 4a, cathode gas diffusion layer 4c) are catalyst layers (3a, 3c) of gas (fuel gas or oxidant gas) supplied via the gas flow paths (6a, 6c) of the separator. ) And a function as an electron conduction path.

ガス拡散層(4a、4c)の基材を構成する材料は特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性および多孔質性を有するシート状材料が挙げられる。基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。基材の厚さがかような範囲内の値であれば、機械的強度とガスおよび水などの拡散性とのバランスが適切に制御されうる。   The material which comprises the base material of a gas diffusion layer (4a, 4c) is not specifically limited, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably. For example, a sheet-like material having conductivity and porosity such as a carbon woven fabric, a paper-like paper body, a felt, and a non-woven fabric can be used. The thickness of the substrate may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. If the thickness of the substrate is within such a range, the balance between mechanical strength and diffusibility such as gas and water can be appropriately controlled.

ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。   The gas diffusion layer preferably contains a water repellent for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon or the like. Although it does not specifically limit as a water repellent, Fluorine type high things, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), are included. Examples thereof include molecular materials, polypropylene, and polyethylene.

また、撥水性をより向上させるために、ガス拡散層は、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層(マイクロポーラス層;MPL、図示せず)を基材の触媒層側に有するものであってもよい。   In order to further improve the water repellency, the gas diffusion layer has a carbon particle layer (microporous layer; MPL, not shown) made of an aggregate of carbon particles containing a water repellent agent on the catalyst layer side of the substrate. You may have.

カーボン粒子層に含まれるカーボン粒子は特に限定されず、カーボンブラック、グラファイト、膨張黒鉛などの従来公知の材料が適宜採用されうる。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく用いられうる。カーボン粒子の平均粒径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。   The carbon particles contained in the carbon particle layer are not particularly limited, and conventionally known materials such as carbon black, graphite, and expanded graphite can be appropriately employed. Among them, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, acetylene black and the like can be preferably used because of excellent electron conductivity and a large specific surface area. The average particle size of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. Thereby, while being able to obtain the high drainage property by capillary force, it becomes possible to improve contact property with a catalyst layer.

カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられうる。   Examples of the water repellent used in the carbon particle layer include the same water repellent as described above. Among these, fluorine-based polymer materials can be preferably used because of excellent water repellency, corrosion resistance during electrode reaction, and the like.

カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、撥水性および電子伝導性のバランスを考慮して、重量比で90:10〜40:60(カーボン粒子:撥水剤)程度とするのがよい。なお、カーボン粒子層の厚さについても特に制限はなく、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。   The mixing ratio of the carbon particles and the water repellent in the carbon particle layer is about 90:10 to 40:60 (carbon particles: water repellent) in weight ratio in consideration of the balance between water repellency and electron conductivity. It is good. In addition, there is no restriction | limiting in particular also about the thickness of a carbon particle layer, What is necessary is just to determine suitably in consideration of the water repellency of the gas diffusion layer obtained.

(電解質膜−電極接合体の製造方法)
電解質膜−電極接合体の作製方法としては、特に制限されず、従来公知の方法を使用できる。例えば、電解質膜に触媒層をホットプレスで転写または塗布し、これを乾燥したものに、ガス拡散層を接合する方法や、ガス拡散層の微多孔質層側(微多孔質層を含まない場合には、基材層の片面に触媒層を予め塗布して乾燥することによりガス拡散電極(GDE)を2枚作製し、固体高分子電解質膜の両面にこのガス拡散電極をホットプレスで接合する方法を使用することができる。ホットプレス等の塗布、接合条件は、固体高分子電解質膜や触媒層内の高分子電解質の種類(パ−フルオロスルホン酸系や炭化水素系)によって適宜調整すればよい。
(Method for producing electrolyte membrane-electrode assembly)
The method for producing the electrolyte membrane-electrode assembly is not particularly limited, and a conventionally known method can be used. For example, a method of joining a gas diffusion layer to a catalyst layer transferred or applied to an electrolyte membrane by hot pressing and drying it, or a microporous layer side of the gas diffusion layer (when a microporous layer is not included) First, two gas diffusion electrodes (GDE) are prepared by applying a catalyst layer on one side of a base material layer in advance and drying, and then bonding the gas diffusion electrodes to both sides of a solid polymer electrolyte membrane by hot pressing. The application and joining conditions such as hot pressing can be adjusted appropriately according to the type of polymer electrolyte in the solid polymer electrolyte membrane or catalyst layer (perfluorosulfonic acid type or hydrocarbon type). Good.

[燃料電池]
上述した電解質膜−電極接合体(MEA)は、燃料電池に好適に使用できる。すなわち、本発明の第三実施形態は、第二実施形態の電解質膜−電極接合体(MEA)を用いてなる燃料電池である。本発明の燃料電池は、高い発電性能および耐久性を発揮できる。ここで、第三実施形態の燃料電池は、第二実施形態の電解質膜−電極接合体を挟持する一対のアノードセパレータおよびカソードセパレータを有する。
[Fuel cell]
The above-mentioned electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) can be suitably used for a fuel cell. That is, the third embodiment of the present invention is a fuel cell using the electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) of the second embodiment. The fuel cell of the present invention can exhibit high power generation performance and durability. Here, the fuel cell of the third embodiment has a pair of an anode separator and a cathode separator that sandwich the electrolyte membrane-electrode assembly of the second embodiment.

(セパレータ)
セパレータは、固体高分子形燃料電池などの燃料電池の単セルを複数個直列に接続して燃料電池スタックを構成する際に、各セルを電気的に直列に接続する機能を有する。また、セパレータは、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却剤を互に分離する隔壁としての機能も有する。これらの流路を確保するため、上述したように、セパレータのそれぞれにはガス流路および冷却流路が設けられていることが好ましい。セパレータを構成する材料としては、緻密カーボングラファイト、炭素板などのカーボンや、ステンレスなどの金属など、従来公知の材料が適宜制限なく採用できる。セパレータの厚さやサイズ、設けられる各流路の形状やサイズなどは特に限定されず、得られる燃料電池の所望の出力特性などを考慮して適宜決定できる。
(Separator)
The separator has a function of electrically connecting each cell in series when a plurality of single cells of a fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell are connected in series to form a fuel cell stack. The separator also functions as a partition that separates the fuel gas, the oxidant gas, and the coolant from each other. In order to secure these flow paths, as described above, each of the separators is preferably provided with a gas flow path and a cooling flow path. As a material constituting the separator, conventionally known materials such as dense carbon graphite, carbon such as a carbon plate, and metal such as stainless steel can be appropriately employed without limitation. The thickness and size of the separator and the shape and size of each flow path provided are not particularly limited, and can be appropriately determined in consideration of the desired output characteristics of the obtained fuel cell.

燃料電池の製造方法は、特に制限されることなく、燃料電池の分野において従来公知の知見が適宜参照されうる。   The manufacturing method of the fuel cell is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to in the field of the fuel cell.

さらに、燃料電池が所望する電圧を発揮できるように、セパレータを介して電解質膜−電極接合体を複数積層して直列に繋いだ構造の燃料電池スタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。   Furthermore, a fuel cell stack having a structure in which a plurality of electrolyte membrane-electrode assemblies are stacked and connected in series via a separator may be formed so that the fuel cell can exhibit a desired voltage. 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.

上述したPEFCや電解質膜−電極接合体は、発電性能および耐久性に優れる触媒層を用いている。したがって、当該PEFCや電解質膜−電極接合体は発電性能および耐久性に優れる。   The PEFC and the electrolyte membrane-electrode assembly described above use a catalyst layer that is excellent in power generation performance and durability. Therefore, the PEFC and the electrolyte membrane-electrode assembly are excellent in power generation performance and durability.

本実施形態のPEFCやこれを用いた燃料電池スタックは、例えば、車両に駆動用電源として搭載されうる。   The PEFC of the present embodiment and the fuel cell stack using the PEFC can be mounted on a vehicle as a driving power source, for example.

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

<実施例1>
(酸処理カーボン担体の調製)
ビーカーにいれた0.5MのHNO溶液500mLに、カーボン担体(ケッチェンブラック(登録商標)KetjenBlackEC300J、平均粒子径:40nm、BET比表面積:800m/g、ライオン株式会社製)2gを添加し、室温(25℃)で30分、300rpmでスターラーで撹拌・混合した。続いて、300rpmの撹拌下で、80℃、2時間の熱処理を行ってカーボン担体を得た。そして、カーボン担体をろ過した後、超純水で洗浄した。上記ろ過・洗浄操作を計3回繰り返した。このカーボン担体を60℃で24時間乾燥させた後、酸処理カーボン担体Aを得た。得られた酸処理カーボン担体Aの表面に形成されたラクトン基、水酸基、エーテル基、およびカルボニル基からなる群より選択される少なくとも一つ以上の官能基量は、1.25μmol/mであり、BET比表面積は850m/gであり、平均粒子径は40nmであった。
<Example 1>
(Preparation of acid-treated carbon support)
2 g of carbon support (Ketjen Black (registered trademark) KetjenBlackEC300J, average particle size: 40 nm, BET specific surface area: 800 m 2 / g, manufactured by Lion Corporation) is added to 500 mL of 0.5 M HNO 3 solution in a beaker. The mixture was stirred and mixed with a stirrer at 300 rpm for 30 minutes at room temperature (25 ° C.). Subsequently, a carbon support was obtained by performing a heat treatment at 80 ° C. for 2 hours under stirring at 300 rpm. Then, after filtering the carbon support, it was washed with ultrapure water. The above filtration and washing operations were repeated a total of 3 times. The carbon support was dried at 60 ° C. for 24 hours, and then an acid-treated carbon support A was obtained. The amount of at least one functional group selected from the group consisting of a lactone group, a hydroxyl group, an ether group, and a carbonyl group formed on the surface of the obtained acid-treated carbon carrier A is 1.25 μmol / m 2 . The BET specific surface area was 850 m 2 / g, and the average particle size was 40 nm.

ビーカーに入れた100ml超純水に、酸処理カーボン担体A 1gを添加し、15分間超音波処理を行って担体懸濁液Aを得た。担体懸濁液Aを室温(25℃)、ホモジナイザーを用い、10,000rpmで15分間撹拌したのち、触媒粒子に添加するまで、撹拌し続けた。   1 g of acid-treated carbon carrier A was added to 100 ml of ultrapure water placed in a beaker and subjected to ultrasonic treatment for 15 minutes to obtain carrier suspension A. The support suspension A was stirred at 10,000 rpm for 15 minutes at room temperature (25 ° C.) using a homogenizer, and then stirred until it was added to the catalyst particles.

(工程(1))
ビーカーに入れた1000ml超純水に、凝集防止剤であるクエン酸三ナトリウム二水和物 5.625gを溶解し、4℃に冷却した。その後、クエン酸三ナトリウム二水和物溶液に2.44重量%の塩化コバルト(CoCl・6HO)水溶液 112g(Co量で677mg)、40.6重量%の塩化白金酸(H[PtCl]・6HO)水溶液 3g(白金量で459mg)を投入した(混合液中の白金およびコバルト濃度:コバルト 237mg/100mL、白金 122mg/100mL)。これを、4℃で5分間、スターラーで撹拌・混合して、前駆体混合液を調製した。
(Process (1))
In 1000 ml of ultrapure water placed in a beaker, 5.625 g of trisodium citrate dihydrate as an aggregation inhibitor was dissolved and cooled to 4 ° C. Then, 112 g (677 mg in terms of Co amount) of 2.44 wt% cobalt chloride (CoCl 2 .6H 2 O) aqueous solution in trisodium citrate dihydrate solution, 40.6 wt% chloroplatinic acid (H 2 [ 3 g (459 mg in terms of platinum) of an aqueous solution of PtCl 6 ] · 6H 2 O was added (platinum and cobalt concentrations in the mixed solution: cobalt 237 mg / 100 mL, platinum 122 mg / 100 mL). This was stirred and mixed with a stirrer at 4 ° C. for 5 minutes to prepare a precursor mixture.

(工程(2))
凝集防止剤であるクエン酸三ナトリウム二水和物 1.375gを100ml超純水に溶解し、4℃に冷却した(pH8.1)。1M NaOHを用いてpHを9に調整した後、室温(25℃)で水素化ホウ素ナトリウム 2gを添加して、1分間、スターラーで撹拌・混合して、還元剤混合液を調製した。
(Process (2))
1.375 g of trisodium citrate dihydrate as an aggregation inhibitor was dissolved in 100 ml of ultrapure water and cooled to 4 ° C. (pH 8.1). After adjusting the pH to 9 using 1M NaOH, 2 g of sodium borohydride was added at room temperature (25 ° C.), and the mixture was stirred and mixed with a stirrer for 1 minute to prepare a reducing agent mixture.

(工程(3))
上記で得られた前駆体混合液(液温4℃)に、上記で調製した還元剤溶液(液温4℃) 100mLを投入し、4℃で15分間、300rpmで撹拌・混合し、還元析出させて、触媒粒子(Pt−Co混合粒子)を含む触媒粒子含有液を得た。
(Process (3))
100 ml of the reducing agent solution (liquid temperature 4 ° C.) prepared above is added to the precursor mixed liquid (liquid temperature 4 ° C.) obtained above, and stirred and mixed at 300 rpm for 15 minutes at 4 ° C. Thus, a catalyst particle-containing liquid containing catalyst particles (Pt—Co mixed particles) was obtained.

(工程(4))
次に、工程(3)で得られた触媒粒子含有液に、酸処理カーボン担体A 1gを含む担体懸濁液Aを添加して、室温(25℃)で6時間、300rpmで撹拌・混合し、触媒粒子を担体に担持した。その後、この触媒粒子担持担体をろ過した後、超純水2Lで洗浄した。上記濾過・洗浄操作を計3回繰り返した後、ろ過を行い、触媒粒子担持担体を得た。
(Process (4))
Next, the carrier suspension A containing 1 g of the acid-treated carbon carrier A is added to the catalyst particle-containing liquid obtained in the step (3), and the mixture is stirred and mixed at 300 rpm for 6 hours at room temperature (25 ° C.). The catalyst particles were supported on a carrier. Thereafter, the catalyst particle-supported carrier was filtered and washed with 2 L of ultrapure water. The filtration and washing operations were repeated a total of 3 times, followed by filtration to obtain a catalyst particle-supporting carrier.

この触媒粒子担持担体を60℃で12時間乾燥させて、電極触媒1を得た。   The catalyst particle-supported carrier was dried at 60 ° C. for 12 hours to obtain an electrode catalyst 1.

この電極触媒1の触媒粒子の担持濃度(担持量)は、担体に対して、31.3重量%(Pt:27.1重量%、Co:4.2重量%)であった。担持濃度はICP分析により測定した。以下、同様である。   The supported concentration (supported amount) of the catalyst particles of this electrode catalyst 1 was 31.3% by weight (Pt: 27.1% by weight, Co: 4.2% by weight) with respect to the support. The supported concentration was measured by ICP analysis. The same applies hereinafter.

<実施例2>
工程(2)において、1M NaOHを用いてpHを9に調整しなかったこと以外は、実施例1と同様にして電極触媒2を得た。
<Example 2>
In the step (2), an electrode catalyst 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the pH was not adjusted to 9 using 1M NaOH.

この電極触媒2の触媒粒子の担持濃度(担持量)は、担体に対して、31.1重量%(Pt:27.2重量%、Co:3.9重量%)であった。   The supported concentration (supported amount) of catalyst particles of this electrode catalyst 2 was 31.1% by weight (Pt: 27.2% by weight, Co: 3.9% by weight) with respect to the support.

<比較例1>
(工程(1))
ビーカーに入れた1000ml超純水を10℃に冷却し、2.44重量%の塩化コバルト(CoCl・6HO)水溶液 112g(Co量で677mg)、40.6重量%の塩化白金酸(H[PtCl]・6HO)水溶液 3g(白金量で459mg)を投入した。これを、10℃で10分間、スターラーで撹拌・混合して、前駆体混合液を調製した。
<Comparative Example 1>
(Process (1))
1000 ml of ultrapure water placed in a beaker was cooled to 10 ° C., and 112 g of a 2.44 wt% cobalt chloride (CoCl 2 .6H 2 O) aqueous solution (677 mg in terms of Co amount) and 40.6 wt% chloroplatinic acid ( 3 g of H 2 [PtCl 6 ] · 6H 2 O) aqueous solution (459 mg in terms of platinum) was added. This was stirred and mixed with a stirrer at 10 ° C. for 10 minutes to prepare a precursor mixture.

(工程(2))
凝集防止剤であるクエン酸三ナトリウム二水和物 7g、水素化ホウ素ナトリウム 2gを超純水100mLに溶解して、還元剤混合液を調製した。
(Process (2))
A reducing agent mixed solution was prepared by dissolving 7 g of trisodium citrate dihydrate and 2 g of sodium borohydride as aggregation preventing agents in 100 mL of ultrapure water.

(工程(3))
上記で得られた前駆体混合液(液温10℃)に、上記で調製した還元剤混合液(液温10℃) 100mLを投入し、10℃で15分間、300rpmで撹拌・混合し、還元析出させて、触媒粒子(Pt−Co混合粒子)を含む触媒粒子含有液を得た。
(Process (3))
100 ml of the reducing agent liquid mixture (liquid temperature 10 ° C.) prepared above is added to the precursor liquid mixture (liquid temperature 10 ° C.) obtained above, and the mixture is stirred and mixed at 300 rpm for 15 minutes at 10 ° C. A catalyst particle-containing liquid containing catalyst particles (Pt—Co mixed particles) was obtained by precipitation.

(工程(4))
次に、工程(3)で得られた触媒粒子含有液に、酸処理カーボン担体A 1gを含む担体懸濁液Aを添加して、室温(25℃)で6時間、300rpmで撹拌・混合し、触媒粒子を担体に担持した。その後、この触媒粒子担持担体をろ過した後、超純水2Lで洗浄した。上記濾過・洗浄操作を計3回繰り返した後、ろ過を行い、触媒粒子担持担体を得た。
(Process (4))
Next, the carrier suspension A containing 1 g of the acid-treated carbon carrier A is added to the catalyst particle-containing liquid obtained in the step (3), and the mixture is stirred and mixed at 300 rpm for 6 hours at room temperature (25 ° C.). The catalyst particles were supported on a carrier. Thereafter, the catalyst particle-supported carrier was filtered and washed with 2 L of ultrapure water. The filtration and washing operations were repeated a total of 3 times, followed by filtration to obtain a catalyst particle-supporting carrier.

この触媒粒子担持担体を60℃で12時間乾燥させて、電極触媒3を得た。   The catalyst particle-supported carrier was dried at 60 ° C. for 12 hours to obtain an electrode catalyst 3.

この電極触媒3の触媒粒子の担持濃度(担持量)は、担体に対して、32.0重量%(Pt:27.6重量%、Co:4.4重量%)であった。   The supported concentration (supported amount) of the catalyst particles of this electrode catalyst 3 was 32.0% by weight (Pt: 27.6% by weight, Co: 4.4% by weight) with respect to the support.

(触媒の性能評価)
<面積比活性の測定>
各実施例および各比較例の電極触媒(比較電極触媒)を、それぞれ、直径5mmのグラッシーカーボンディスクにより構成される回転ディスク電極(幾何面積:0.19cm)上に34μg・cm−2となるように均一にNafion(登録商標)と共に分散担持し、性能評価用電極を作製した。
(Catalyst performance evaluation)
<Measurement of area specific activity>
The electrode catalyst (comparative electrode catalyst) of each Example and each Comparative Example was 34 μg · cm −2 on a rotating disk electrode (geometric area: 0.19 cm 2 ) composed of a glassy carbon disk having a diameter of 5 mm. In this manner, the electrode for performance evaluation was prepared by uniformly dispersing and supporting it together with Nafion (registered trademark).

各実施例および各比較例の電極に対して、Nガスで飽和した25℃の0.1M過塩素酸中において、可逆水素電極(RHE)に対して0.05〜1.2Vの電位範囲で、50mVs−1の走査速度でサイクリックボルタンメトリーを行った。得られたボルタモグラムの0.05〜0.4Vに現れる水素吸着ピークの面積より、各電極触媒(比較電極触媒)の電気化学的表面積(cm)を算出した。 The potential range of 0.05 to 1.2 V with respect to the reversible hydrogen electrode (RHE) in 0.1 M perchloric acid at 25 ° C. saturated with N 2 gas with respect to the electrode of each example and each comparative example. Then, cyclic voltammetry was performed at a scanning speed of 50 mVs- 1 . From the area of the hydrogen adsorption peak appearing at 0.05 to 0.4 V in the obtained voltammogram, the electrochemical surface area (cm 2 ) of each electrode catalyst (comparative electrode catalyst) was calculated.

次に、電気化学計測装置を用い、酸素で飽和した25℃の0.1M過塩素酸中で、0.2Vから1.2Vまで速度10mV/sで電位走査を行った。さらに、電位走査によりに得られた電流から、物質移動(酸素拡散)の影響をKoutecky−Levich式を用いて補正した上で、0.9Vでの電流値を抽出した。そして、得られた電流値を上述の電気化学的表面積で除した値を面積比活性(μAcm−2)とした。Koutecky−Levich式を用いた方法は、例えば、Electrochemistry Vol.79, No.2, p.116−121 (2011) (対流ボルタモグラム(1)酸素還元(RRDE))の「4 Pt/C触媒上での酸素還元反応の解析」に記載されている。抽出した0.9Vの電流値を電気化学表面積で除算することで面積比活性が算出される。 Next, using an electrochemical measurement device, a potential scan was performed from 0.2 V to 1.2 V at a rate of 10 mV / s in 0.1 M perchloric acid saturated at 25 ° C. with oxygen. Furthermore, the current value at 0.9 V was extracted from the current obtained by the potential scanning after correcting the influence of mass transfer (oxygen diffusion) using the Koutecky-Levic equation. And the value which remove | divided the obtained electric current value by the above-mentioned electrochemical surface area was made into area specific activity ((micro | micron | mu) Acm <-2 >). A method using the Koutecky-Levic equation is described in, for example, Electrochemistry Vol. 79, no. 2, p. 116-121 (2011) (convection voltammogram (1) oxygen reduction (RRDE)) described in “Analysis of Oxygen Reduction Reaction on 4 Pt / C Catalyst”. The area specific activity is calculated by dividing the extracted current value of 0.9 V by the electrochemical surface area.

結果を表1に示す。   The results are shown in Table 1.

<触媒有効表面積(ECA)の測定>
上記面積比活性の測定の欄に記載のようにして電気化学的表面積(cm)を算出し、電極触媒重量で除算することで、触媒有効表面積(ECA)を算出した。
<Measurement of catalyst effective surface area (ECA)>
The electrochemical surface area (cm 2 ) was calculated as described in the column for measuring the area specific activity, and the catalyst effective surface area (ECA) was calculated by dividing by the electrode catalyst weight.

結果を表1に示す。   The results are shown in Table 1.

上記結果より、凝集防止剤を前駆体溶液および還元剤溶液の双方に添加した実施例1および2において、比較例1よりもECAが高く、また、面積比活性も増大した。また、NaOHによるpH調整を行った実施例1では、よりECAが高いものとなった。   From the above results, in Examples 1 and 2 in which the aggregation inhibitor was added to both the precursor solution and the reducing agent solution, the ECA was higher than that of Comparative Example 1, and the area specific activity was also increased. Moreover, in Example 1 which adjusted pH by NaOH, ECA became higher.

1…固体高分子形燃料電池(PEFC)、
2…固体高分子電解質膜、
3…触媒層、
3a…アノード触媒層、
3c…カソード触媒層、
4a…アノードガス拡散層、
4c…カソードガス拡散層、
5a…アノードセパレータ、
5c…カソードセパレータ、
6a…アノードガス流路、
6c…カソードガス流路、
7…冷媒流路、
10…電解質膜−電極接合体(MEA)。
1 ... Polymer electrolyte fuel cell (PEFC),
2 ... Solid polymer electrolyte membrane,
3 ... Catalyst layer,
3a ... anode catalyst layer,
3c ... cathode catalyst layer,
4a ... anode gas diffusion layer,
4c ... cathode gas diffusion layer,
5a ... anode separator,
5c ... cathode separator,
6a ... anode gas flow path,
6c ... cathode gas flow path,
7: Refrigerant flow path,
10: Electrolyte membrane-electrode assembly (MEA).

Claims (11)

(1)白金前駆体、非白金金属前駆体および凝集防止剤を含む前駆体混合液を調製し;
(2)還元剤および凝集防止剤を含む還元剤混合液を調製し;
(3)前記前駆体混合液に前記還元剤混合液を添加し、前記白金前駆体および非白金金属前駆体を同時還元して、触媒粒子含有液を得;
(4)前記触媒粒子含有液に、カーボン担体を添加し、触媒粒子担持担体を得ること;
を有する、電極触媒の製造方法。
(1) preparing a precursor mixture containing a platinum precursor, a non-platinum metal precursor and an anti-aggregation agent;
(2) preparing a reducing agent mixed solution containing a reducing agent and an aggregation inhibitor;
(3) The reducing agent mixed solution is added to the precursor mixed solution, and the platinum precursor and the non-platinum metal precursor are simultaneously reduced to obtain a catalyst particle-containing solution;
(4) adding a carbon carrier to the catalyst particle-containing liquid to obtain a catalyst particle-carrying carrier;
A method for producing an electrode catalyst, comprising:
前記前駆体混合液中の凝集防止剤の含有重量が前記還元剤混合液中の凝集防止剤の含有重量よりも多い、請求項1に記載の製造方法。   The production method according to claim 1, wherein the content of the aggregation inhibitor in the precursor mixed solution is larger than the content of the aggregation inhibitor in the reducing agent mixed solution. 前記前駆体混合液に前記還元剤混合液を添加する際の、前記前駆体混合液および前記還元剤混合液の少なくとも一方の溶液温度が20℃以下である、請求項1または2に記載の製造方法。   The production according to claim 1 or 2, wherein a solution temperature of at least one of the precursor mixed solution and the reducing agent mixed solution when the reducing agent mixed solution is added to the precursor mixed solution is 20 ° C or lower. Method. 前記凝集防止剤がクエン酸塩またはその水和物である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の製造方法。   The manufacturing method of any one of Claims 1-3 whose said aggregation inhibitor is a citrate or its hydrate. 前記還元剤が水素化ホウ素化合物であり、pHを8.5〜10に調整した凝集防止剤溶液に水素化ホウ素化合物を添加することを含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の製造方法。   The said reducing agent is a borohydride compound, It includes adding a borohydride compound to the aggregation inhibitor solution which adjusted pH to 8.5-10. Production method. 前記前駆体混合液中の凝集防止剤および前記還元剤混合液中の凝集防止剤の合計重量が、前記白金前駆体の重量の5〜7倍である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の製造方法。   6. The total weight of the aggregation inhibitor in the precursor mixture and the aggregation inhibitor in the reducing agent mixture is 5 to 7 times the weight of the platinum precursor. The manufacturing method as described in. 前記カーボン担体が、表面上にラクトン基、水酸基、エーテル基、およびカルボニル基からなる群より選択される少なくとも一つ以上の官能基を総量として0.5μmol/m以上有する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の製造方法。 The carbon support has a total amount of at least one functional group selected from the group consisting of a lactone group, a hydroxyl group, an ether group, and a carbonyl group on the surface of 0.5 μmol / m 2 or more. The manufacturing method of any one of these. 前記カーボン担体が、カーボン材料を酸性溶液に接触させた後、熱処理を行うことによって得られる、請求項7に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 7, wherein the carbon support is obtained by performing a heat treatment after contacting a carbon material with an acidic solution. 前記白金前駆体に含まれる白金に対する前記非白金金属前駆体に含まれる非白金金属の比(非白金金属/白金のモル比)が、0.4〜20である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の製造方法。   The ratio of the non-platinum metal contained in the non-platinum metal precursor to the platinum contained in the platinum precursor (non-platinum metal / platinum molar ratio) is 0.4-20. The production method according to claim 1. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の製造方法によって製造される電極触媒を含む、電解質膜−電極接合体。   The electrolyte membrane-electrode assembly containing the electrode catalyst manufactured by the manufacturing method of any one of Claims 1-9. 請求項10に記載の電解質膜−電極接合体を用いてなる、燃料電池。   A fuel cell comprising the electrolyte membrane-electrode assembly according to claim 10.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018538651A (en) * 2016-11-21 2018-12-27 エルジー・ケム・リミテッド Catalyst and method for producing the same
US11121390B2 (en) 2016-11-21 2021-09-14 Lg Chem, Ltd. Catalyst and method for preparing the same
US11677089B2 (en) 2016-11-21 2023-06-13 Lg Chem, Ltd. Catalyst and method for preparing the same

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