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JP2013030470A - Ink, electrode catalyst layer formed using ink and use of the same - Google Patents

Ink, electrode catalyst layer formed using ink and use of the same Download PDF

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JP2013030470A JP2012137617A JP2012137617A JP2013030470A JP 2013030470 A JP2013030470 A JP 2013030470A JP 2012137617 A JP2012137617 A JP 2012137617A JP 2012137617 A JP2012137617 A JP 2012137617A JP 2013030470 A JP2013030470 A JP 2013030470A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide ink for forming an electrode catalyst layer, capable of inexpensively and efficiently forming a high performance electrode catalyst layer.SOLUTION: Ink for forming an electrode catalyst layer of the present invention includes an electrode catalyst, an electron conductive material, a proton conductive material and a solvent. The electrode catalyst includes a transition metal element, carbon, nitrogen and oxygen, as constituent elements, and, when the atomicity ratio of each of the elements is represented as 1:x:y:z, 0.5<x≤7, 0.01<y≤2 and 0.1<z≤3 are satisfied. A mass ratio (A/B) between a content A of the electrode catalyst and a content B of the electron conductive material is 1 or more and 6 or less, and a mass ratio (D/C) between a content D of the proton conductive material and the total content C of the electrode catalyst and the electron conductive material is 0.1 or more and 0.9 or less.

Description

本発明は、インク、該インクを用いて形成される電極触媒層およびその用途に関する。   The present invention relates to an ink, an electrode catalyst layer formed using the ink, and use thereof.

固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質をアノードとカソードとで挟み、アノードに燃料を供給し、カソードに酸素または空気を供給して、カソードで酸素が還元されて電気を取り出す形式の燃料電池である。燃料には水素またはメタノールなどが主として用いられる。   A polymer electrolyte fuel cell is a type of fuel in which a solid polymer electrolyte is sandwiched between an anode and a cathode, fuel is supplied to the anode, oxygen or air is supplied to the cathode, and oxygen is reduced at the cathode to extract electricity. It is a battery. Hydrogen or methanol is mainly used as the fuel.

従来、燃料電池の反応速度を高め、燃料電池のエネルギー変換効率を高めるために、燃料電池のカソード(空気極)表面やアノード(燃料極)表面には、触媒を含む層が設けられていた。   Conventionally, in order to increase the reaction rate of the fuel cell and increase the energy conversion efficiency of the fuel cell, a layer containing a catalyst has been provided on the cathode (air electrode) surface and the anode (fuel electrode) surface of the fuel cell.

この触媒として、一般的に貴金属が用いられており、貴金属の中でも高い電位で安定であり、活性が高い白金、パラジウムなどの貴金属が主として用いられてきた。しかし、これらの貴金属は価格が高く、また資源量が限られていることから、代替可能な触媒の開発が求められていた。   As this catalyst, a noble metal is generally used, and noble metals such as platinum and palladium which are stable at a high potential and have high activity among the noble metals have been mainly used. However, since these noble metals are expensive and have limited resources, development of alternative catalysts has been required.

また、カソード表面に用いる貴金属は、酸性雰囲気下では溶解する場合があり、長期間に渡る耐久性が必要な用途には適さないという問題があった。このため酸性雰囲気下で腐食せず、耐久性に優れ、高い酸素還元能を有する触媒の開発が強く求められていた。   In addition, the noble metal used for the cathode surface may be dissolved in an acidic atmosphere, and there is a problem that it is not suitable for applications that require long-term durability. Therefore, there has been a strong demand for the development of a catalyst that does not corrode in an acidic atmosphere, has excellent durability, and has a high oxygen reducing ability.

貴金属代替触媒として、貴金属を一切使わない卑金属炭化物、卑金属酸化物、卑金属炭窒酸化物、カルコゲン化合物及び炭素触媒などが報告されている(例えば、特許文献1〜特許文献4を参照)。これらの材料は、白金などの貴金属材料に比べて、安価であり、資源量が豊富である。   Base metal carbides, base metal oxides, base metal carbonitrides, chalcogen compounds, carbon catalysts and the like that do not use any precious metal have been reported as noble metal substitute catalysts (see, for example, Patent Documents 1 to 4). These materials are cheaper and have abundant resources than noble metal materials such as platinum.

しかしながら、特許文献1及び特許文献2に記載された卑金属材料を含むこれらの触媒は、実用的に充分な酸素還元能が得られていないという問題点がある。
また、特許文献3及び特許文献4に記載された触媒は、高い酸素還元触媒活性を示すが、燃料電池運転条件下での安定性が非常に低いことが問題点である。
However, these catalysts including the base metal materials described in Patent Document 1 and Patent Document 2 have a problem that a practically sufficient oxygen reducing ability is not obtained.
Moreover, although the catalyst described in patent document 3 and patent document 4 shows high oxygen reduction catalyst activity, it is a problem that stability under fuel cell operation conditions is very low.

このような貴金属代替触媒として、特許文献5及び特許文献6でのNb及びTi炭窒酸化物は上記性能を有効に発現できることから、特に注目されている。
特許文献5及び特許文献6に記載された触媒は、従来の貴金属代替触媒に比べてきわめて高性能であるが、その製造工程の一部において1600℃〜1800℃という高温下での加熱処理が必要であった(例えば特許文献5 実施例1または特許文献6 実施例1)。
As such a precious metal substitute catalyst, Nb and Ti oxycarbonitrides in Patent Document 5 and Patent Document 6 are attracting particular attention because they can effectively exhibit the above performance.
The catalysts described in Patent Document 5 and Patent Document 6 have extremely high performance compared to conventional noble metal substitute catalysts, but heat treatment at a high temperature of 1600 ° C. to 1800 ° C. is necessary in part of the production process. (For example, Patent Document 5 Example 1 or Patent Document 6 Example 1).

このような高温加熱処理は工業的には不可能ではないが困難をともない、設備費の高騰や運転管理の困難を招き、ひいては製造コストが高くなることから、より安価に製造出来る方法の開発が望まれていた。   Although such high-temperature heat treatment is not impossible industrially, it is difficult, and it causes a rise in equipment costs and difficulty in operation management, which in turn increases production costs. It was desired.

特許文献7には炭素、窒素及び酸素を含有するカーボン含有チタンオキシナイトライドの製造に関する技術が報告されている。
しかしながら、特許文献7に記載されている製造方法では、カーボン含有チタンオキシナイトライドを製造するために、窒素含有有機化合物とチタン前駆体との反応によるチタンオキシナイトライドの製造とフェノール樹脂とチタンオキシナイトライド前駆体との反応によるカーボン含有チタンオキシナイトライド製造の二段階合成が必要であり、工程が複雑である。特に、チタンオキシナイトライド前駆体の製造は80℃での攪拌、過熱、および還流、ならびに冷却および減圧濃縮などの複雑な工程が必要であるため、製造コストが高い。
Patent Document 7 reports a technique relating to the production of a carbon-containing titanium oxynitride containing carbon, nitrogen and oxygen.
However, in the production method described in Patent Document 7, in order to produce a carbon-containing titanium oxynitride, production of titanium oxynitride by reaction of a nitrogen-containing organic compound and a titanium precursor, and phenol resin and titanium oxynitride. A two-step synthesis of producing carbon-containing titanium oxynitride by reaction with a nitride precursor is required and the process is complicated. In particular, the production of the titanium oxynitride precursor requires a complicated process such as stirring at 80 ° C., heating, refluxing, cooling, and concentration under reduced pressure, and thus the production cost is high.

また、フェノール樹脂は3次元網目構造を持つ熱硬化性樹脂であるため、金属酸化物と均一に混合して反応させることが難しい。特に、フェノール樹脂の熱分解温度は400℃〜900℃であるため、1000℃以下の温度で、フェノール樹脂の完全分解による炭化反応が起こりにくい問題点もある。   Moreover, since the phenol resin is a thermosetting resin having a three-dimensional network structure, it is difficult to uniformly mix and react with the metal oxide. In particular, since the thermal decomposition temperature of the phenol resin is 400 ° C. to 900 ° C., there is a problem that a carbonization reaction due to complete decomposition of the phenol resin hardly occurs at a temperature of 1000 ° C. or less.

さらに、特許文献7および非特許文献1には、その用途として太陽光集熱器用の薄膜および光触媒としての応用が記されているだけで、電極触媒として有用性の高い粒状または繊維状などの形状を持つ金属炭窒酸化物の製造方法及びその用途は開示も検討もなされていない。   Furthermore, Patent Document 7 and Non-Patent Document 1 merely describe applications as a thin film for a solar heat collector and a photocatalyst as their uses, and shapes such as granular or fibrous shapes that are highly useful as electrode catalysts. The method for producing a metal oxycarbonitride and its use has not been disclosed or studied.

特許文献8には、酸化物と炭素材料前駆体との混合材料を焼成することを特徴とする電極触媒の製造方法が開示されているが、充分な触媒性能を持つ電極触媒は得られていない。   Patent Document 8 discloses a method for producing an electrode catalyst characterized by firing a mixed material of an oxide and a carbon material precursor, but an electrode catalyst having sufficient catalytic performance has not been obtained. .

また、特許文献9には、コバルトなどの多核錯体を用いてなる燃料電池用電極触媒が開示されているが、原料の毒性が高く、高コストであり、充分な触媒活性を持たないという問題があった。   Further, Patent Document 9 discloses a fuel cell electrode catalyst using a polynuclear complex such as cobalt. However, there is a problem in that the raw material has high toxicity, is expensive, and does not have sufficient catalytic activity. there were.

非特許文献2には、チタンアルコキシドと炭素材料前駆体との混合材料を焼成することを特徴とする電極触媒の製造方法が開示されているが、製造工程においては、窒素を含有する有機物は使用されておらず、充分な触媒性能を持つ電極触媒は得られていない。   Non-Patent Document 2 discloses a method for producing an electrode catalyst characterized by firing a mixed material of titanium alkoxide and a carbon material precursor, but in the production process, an organic substance containing nitrogen is used. No electrode catalyst having sufficient catalytic performance has been obtained.

特開2004−303664号公報JP 2004-303664 A 国際公開第07/072665号パンフレットInternational Publication No. 07/072665 Pamphlet 米国特許出願公開第2004/0096728号明細書US Patent Application Publication No. 2004/0096728 特開2005−19332号公報JP 2005-19332 A 国際公開第2009/031383パンフレットInternational Publication No. 2009/031383 Pamphlet 国際公開第2009/107518パンフレットInternational Publication No. 2009/107518 Pamphlet 特開2009−23887号公報JP 2009-23887 A 特開2009−255053号公報JP 2009-255053 A 特開2008−258150号公報JP 2008-258150 A

Journal of Inorganic Materials (Chinese) 20, 4, P785Journal of Inorganic Materials (Chinese) 20, 4, P785 Electrochemistry Communications Volume 12, Issue 9, September 2010, Pages 1177−1179Electrochemistry Communications Volume 12, Issue 9, September 2010, Pages 1177-1179.

本発明は従来技術における問題点の解決を課題としている。本発明の目的は、主に燃料電池に有用な電極触媒層を形成するためのインクであって、安価で高性能の電極触媒層を効率的に形成可能なインクを提供することにある。   An object of the present invention is to solve problems in the prior art. An object of the present invention is to provide an ink for forming an electrode catalyst layer which is mainly useful for a fuel cell, and which can efficiently form an inexpensive and high-performance electrode catalyst layer.

本発明者らは、上記従来技術の問題点を解決すべく鋭意検討した結果、特定の電極触媒を含有し、該電極触媒、電子伝導性材料およびプロトン伝導性材料の含有量を特定の範囲に制御したインクを用いることにより、安価で高性能の電極触媒層を効率的に形成することができ、また、該触媒層を備えた燃料電池の発電特性を向上させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above-described problems of the prior art, the present inventors have included a specific electrode catalyst, and the contents of the electrode catalyst, the electron conductive material, and the proton conductive material are within a specific range. It has been found that by using a controlled ink, an inexpensive and high-performance electrode catalyst layer can be efficiently formed, and the power generation characteristics of a fuel cell provided with the catalyst layer can be improved. It came to complete.

本発明は、たとえば以下の(1)〜(8)に関する。
(1) 電極触媒、電子伝導性材料、プロトン伝導性材料および溶媒を含む、電極触媒層を形成するためのインクであって、
前記電極触媒が、遷移金属元素、炭素、窒素および酸素を構成元素として含み、前記各元素の原子数の比を、遷移金属元素:炭素:窒素:酸素=1:x:y:z(ただし、遷移金属元素の原子数は、遷移金属元素が複数種である場合、それらの合計の原子数。)とした場合に、0.5<x≦7、 0.01<y≦2、 0.1<z≦3であり、
前記電極触媒の含有量Aと前記電子伝導性材料の含有量Bとの質量比(A/B)が、1〜6であり、
前記電極触媒と前記電子伝導性材料との合計含有量Cと、プロトン伝導性材料の含有量Dとの質量比(D/C)が、0.1〜0.9であることを特徴とするインク。
The present invention relates to the following (1) to (8), for example.
(1) An ink for forming an electrode catalyst layer, comprising an electrode catalyst, an electron conductive material, a proton conductive material and a solvent,
The electrode catalyst includes a transition metal element, carbon, nitrogen and oxygen as constituent elements, and the ratio of the number of atoms of each element is defined as transition metal element: carbon: nitrogen: oxygen = 1: x: y: z (provided that The number of atoms of the transition metal element is 0.5 <x ≦ 7, 0.01 <y ≦ 2, 0.1 when a plurality of transition metal elements are used.) <Z ≦ 3,
The mass ratio (A / B) of the content A of the electrode catalyst and the content B of the electron conductive material is 1 to 6,
The mass ratio (D / C) of the total content C of the electrode catalyst and the electron conductive material and the content D of the proton conductive material is 0.1 to 0.9. ink.

(2) 前記遷移金属元素の一部または全部が、チタン、鉄、ジルコニウム、銅、およびニオブから選ばれる少なくとも1種である(1)に記載のインク。
(3) 前記遷移金属元素が、チタン、ジルコニウム、銅、およびニオブから選ばれる少なくとも1種および鉄からなる(1)または(2)に記載のインク。
(2) The ink according to (1), wherein a part or all of the transition metal element is at least one selected from titanium, iron, zirconium, copper, and niobium.
(3) The ink according to (1) or (2), wherein the transition metal element comprises at least one selected from titanium, zirconium, copper, and niobium and iron.

(4) (1)〜(3)のいずれか一項に記載のインクを用いて形成されることを特徴とする電極触媒層。
(5) (4)に記載の電極触媒層とガス拡散層とを有する電極。
(4) An electrode catalyst layer formed using the ink according to any one of (1) to (3).
(5) An electrode having the electrode catalyst layer according to (4) and a gas diffusion layer.

(6) アノードと、(5)に記載の電極であるカソードと、前記アノードおよびカソードの間に配置された電解質膜を有する膜電極接合体。
(7) (6)に記載の膜電極接合体を備えることを特徴とする燃料電池。
(6) A membrane electrode assembly having an anode, a cathode which is the electrode according to (5), and an electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode.
(7) A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to (6).

(8) (6)に記載の膜電極接合体を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。   (8) A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to (6).

本発明のインクによれば、安価で高性能の電極触媒層を効率的に形成することができる。また、本発明の電極触媒層を備えた燃料電池等は、極めて優れた発電特性を有する。   According to the ink of the present invention, an inexpensive and high-performance electrode catalyst layer can be efficiently formed. Moreover, the fuel cell provided with the electrode catalyst layer of the present invention has extremely excellent power generation characteristics.

≪インク≫
本発明のインクは、電極触媒層を形成するためのインクであって、電極触媒、電子伝導性材料、プロトン伝導性材料および溶媒を含む。
≪Ink≫
The ink of the present invention is an ink for forming an electrode catalyst layer, and includes an electrode catalyst, an electron conductive material, a proton conductive material, and a solvent.

前記電極触媒の含有量Aと前記電子伝導性材料の含有量Bとの質量比(A/B)は、1〜6であり、1.5〜5.5であることが好ましく、2〜5であることがより好ましい。
前記質量比が前記範囲内であるインクを用いて形成される電極触媒層は、高い触媒能を有する傾向がある。
The mass ratio (A / B) of the content A of the electrode catalyst and the content B of the electron conductive material is 1 to 6, preferably 1.5 to 5.5, and preferably 2 to 5 It is more preferable that
An electrode catalyst layer formed using an ink having the mass ratio within the above range tends to have a high catalytic ability.

また、前記電極触媒および前記電子伝導性材料との合計含有量Cと、プロトン伝導性材料の含有量Dとの質量比(D/C)は、0.1〜0.9であり、0.15〜0.8であることが好ましく、0.2〜0.7であることがより好ましい。前記質量比が前記範囲内であるインクを用いて形成される電極触媒層は、高い触媒能を有する傾向がある。   The mass ratio (D / C) of the total content C of the electrode catalyst and the electron conductive material and the content D of the proton conductive material is 0.1 to 0.9, and It is preferable that it is 15-0.8, and it is more preferable that it is 0.2-0.7. An electrode catalyst layer formed using an ink having the mass ratio within the above range tends to have a high catalytic ability.

前記質量比(A/B)および前記質量比(D/C)が前記範囲であるインクを用いて形成される電極触媒層を備えた燃料電池等は、極めて優れた発電特性を有する。
以下、本発明に用いる電極触媒、電子伝導性材料、プロトン伝導性材料および溶媒について説明する。
A fuel cell or the like including an electrode catalyst layer formed using an ink having the mass ratio (A / B) and the mass ratio (D / C) within the above ranges has extremely excellent power generation characteristics.
Hereinafter, the electrode catalyst, electron conductive material, proton conductive material and solvent used in the present invention will be described.

〈電極触媒〉
本発明に用いる電極触媒は、遷移金属元素、炭素、窒素および酸素を構成元素として含む。
<Electrode catalyst>
The electrode catalyst used in the present invention contains transition metal elements, carbon, nitrogen, and oxygen as constituent elements.

前記遷移金属元素の一部または全部が、チタン、鉄、ジルコニウム、銅、およびニオブから選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素であることが好ましく、チタン、ジルコニウム、銅、およびニオブから選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素および鉄からなることがより好ましい。   It is preferable that part or all of the transition metal element is at least one transition metal element selected from titanium, iron, zirconium, copper, and niobium, and at least one selected from titanium, zirconium, copper, and niobium. More preferably, it consists of a seed transition metal element and iron.

前記各元素の原子数の比を、遷移金属元素:炭素:窒素:酸素 = 1:x:y:zとした場合に、0.5<x≦7、0.01<y≦2、0.1<z≦3である。ただし、前記遷移金属元素の原子数は、遷移金属元素が複数種である場合、それらの合計の原子数である。   When the ratio of the number of atoms of each element is transition metal element: carbon: nitrogen: oxygen = 1: x: y: z, 0.5 <x ≦ 7, 0.01 <y ≦ 2, 0. 1 <z ≦ 3. However, the number of atoms of the transition metal element is the total number of atoms when there are a plurality of types of transition metal elements.

前記原子数の比は、0.75≦x≦6.75、0.02≦y≦1.5、0.15≦z≦2.8であることがより好ましく、1≦x≦6.5、0.03≦y≦1.3、0.2≦z≦2.6であることがさらに好ましい。   The ratio of the number of atoms is more preferably 0.75 ≦ x ≦ 6.75, 0.02 ≦ y ≦ 1.5, 0.15 ≦ z ≦ 2.8, and 1 ≦ x ≦ 6.5. 0.03 ≦ y ≦ 1.3 and 0.2 ≦ z ≦ 2.6 are more preferable.

本発明に用いる電極触媒は、比表面積の大きな電極触媒であることが好ましく、具体的にはBET法で算出される比表面積は、好ましくは100m2/g以上、より好ましくは
200m2/g以上、さらに好ましくは300m2/g以上である。
The electrode catalyst used in the present invention is preferably an electrode catalyst having a large specific surface area. Specifically, the specific surface area calculated by the BET method is preferably 100 m 2 / g or more, more preferably 200 m 2 / g or more. More preferably, it is 300 m 2 / g or more.

このような電極触媒は、高い触媒能を有する傾向がある。さらに、電極触媒の粉体の取り扱いのしやすさから前記比表面積の各範囲の上限が1000m2/g程度であることがさらに好ましい。 Such an electrode catalyst tends to have a high catalytic ability. Furthermore, it is more preferable that the upper limit of each range of the specific surface area is about 1000 m 2 / g for easy handling of the electrode catalyst powder.

前記電極触媒を得る方法は特に限定されないが、例えば、後述する方法が挙げられる。
本発明に適用できる電極触媒の製造方法は、少なくとも遷移金属含有化合物、窒素含有有機化合物および溶媒を混合して溶液(本明細書において「触媒前駆体溶液」とも記す。)を得る工程1、前記触媒前駆体溶液から溶媒を除去する工程2、および工程2で得られた固形分残渣を500〜1100℃の温度で熱処理して電極触媒を得る工程3を含む。なお本明細書において、特段の事情がない限り、原子およびイオンを、厳密に区別することなく「原子」と記載する。
Although the method of obtaining the said electrode catalyst is not specifically limited, For example, the method mentioned later is mentioned.
The method for producing an electrode catalyst that can be applied to the present invention includes a step 1 in which at least a transition metal-containing compound, a nitrogen-containing organic compound, and a solvent are mixed to obtain a solution (also referred to herein as “catalyst precursor solution”), The process 2 which removes a solvent from a catalyst precursor solution, and the process 3 which heat-processes the solid residue obtained at the process 2 at the temperature of 500-1100 degreeC, and obtains an electrode catalyst are included. In the present specification, unless otherwise specified, atoms and ions are described as “atoms” without strictly distinguishing them.

(工程1)
工程1では、少なくとも遷移金属含有化合物、窒素含有有機化合物および溶媒を混合して触媒前駆体溶液を得る。ここで、ホウ素、リンおよび硫黄からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素、ならびにフッ素を含有する化合物をさらに混合するのが好ましい。具体例としては、フッ素を含有するホウ酸誘導体、フッ素を含有するリン酸誘導体、フッ素を含有するスルホン酸誘導体が挙げられる。
(Process 1)
In step 1, at least a transition metal-containing compound, a nitrogen-containing organic compound, and a solvent are mixed to obtain a catalyst precursor solution. Here, it is preferable to further mix at least one element selected from the group consisting of boron, phosphorus and sulfur, and a compound containing fluorine. Specific examples include boric acid derivatives containing fluorine, phosphoric acid derivatives containing fluorine, and sulfonic acid derivatives containing fluorine.

前記混合の手順としては、たとえば、手順(i):1つの容器に溶媒を準備し、そこへ前記遷移金属含有化合物および前記窒素含有有機化合物を添加し、溶解させて、これらを混合する、手順(ii):前記遷移金属含有化合物の溶液、および前記窒素含有有機化合物の溶液を準備し、これらを混合するが挙げられる。   Examples of the mixing procedure include, for example, procedure (i): a solvent is prepared in one container, the transition metal-containing compound and the nitrogen-containing organic compound are added thereto, dissolved, and these are mixed. (Ii): preparing a solution of the transition metal-containing compound and a solution of the nitrogen-containing organic compound and mixing them.

各成分に対して溶解性の高い溶媒が異なる場合には、手順(ii)が好ましい。また、前記遷移金属含有化合物が、たとえば、後述する金属ハロゲン化物の場合には、手順(i)が好ましく、前記遷移金属含有化合物が、たとえば、後述する金属アルコキシドまたは金属錯体の場合には、手順(ii)が好ましい。   When the solvent having high solubility for each component is different, the procedure (ii) is preferable. Further, when the transition metal-containing compound is, for example, a metal halide described later, the procedure (i) is preferable, and when the transition metal-containing compound is, for example, a metal alkoxide or a metal complex described later, the procedure is performed. (Ii) is preferred.

前記遷移金属含有化合物として後述する第1の遷移金属含有化合物および第2の遷移金属含有化合物を用いる場合の、前記手順(ii)における好ましい手順としては、手順(ii’):前記第1の遷移金属含有化合物の溶液、ならびに前記第2の遷移金属含有化合物および前記窒素含有有機化合物の溶液を準備し、これらを混合することが挙げられる。   As a preferred procedure in the procedure (ii) when using a first transition metal-containing compound and a second transition metal-containing compound described later as the transition metal-containing compound, the procedure (ii ′): the first transition A solution of a metal-containing compound, and a solution of the second transition metal-containing compound and the nitrogen-containing organic compound are prepared and mixed.

前記触媒前駆体溶液には遷移金属含有化合物と窒素含有有機化合物との反応生成物が含まれると考えられる。溶媒へのこの反応生成物の溶解度は、遷移金属含有化合物、窒素含有有機化合物および溶媒等の組み合わせによっても異なる。   The catalyst precursor solution is considered to contain a reaction product of a transition metal-containing compound and a nitrogen-containing organic compound. The solubility of the reaction product in the solvent varies depending on the combination of the transition metal-containing compound, the nitrogen-containing organic compound, the solvent, and the like.

このため、前記触媒前駆体溶液には、沈殿物や分散質が含まれていてもよい。ただし、これら沈殿物や分散質は少ないほど好ましく、前記触媒前駆体溶液が澄明であることがより好ましい。   For this reason, the catalyst precursor solution may contain precipitates and dispersoids. However, these precipitates and dispersoids are preferably as few as possible, and it is more preferable that the catalyst precursor solution is clear.

遷移金属含有化合物と窒素含有有機化合物と溶媒とを混合する際の温度は、たとえば、0〜60℃である。遷移金属含有化合物と窒素含有有機化合物とから錯体が形成されると推測されるところ、この温度が過度に高いと、溶媒が水を含む場合に錯体が加水分解され水酸化物の沈殿を生じ、優れた触媒が得られないと考えられ、この温度が過度に低いと、錯体が形成される前に遷移金属含有化合物が析出してしまい、優れた触媒が得られないと考えられる。   The temperature at the time of mixing a transition metal containing compound, a nitrogen containing organic compound, and a solvent is 0-60 degreeC, for example. Assuming that a complex is formed from the transition metal-containing compound and the nitrogen-containing organic compound, when this temperature is excessively high, the complex is hydrolyzed when the solvent contains water, resulting in the precipitation of hydroxide. It is considered that an excellent catalyst cannot be obtained. If this temperature is excessively low, the transition metal-containing compound is precipitated before the complex is formed, and it is considered that an excellent catalyst cannot be obtained.

<遷移金属含有化合物>
前記遷移金属含有化合物は、チタン、鉄、ジルコニウム、銅、およびニオブから選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素を含有する化合物であることが好ましい。前記遷移金属含有化合物は、1種単独で用いてもよく2種以上を併用してもよい。
<Transition metal-containing compound>
The transition metal-containing compound is preferably a compound containing at least one transition metal element selected from titanium, iron, zirconium, copper, and niobium. The said transition metal containing compound may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.

前記遷移金属含有化合物は、好ましくは、酸素原子およびハロゲン原子から選ばれる少なくとも1種を有する化合物であり、1種単独で用いてもよく2種以上を併用してもよい。   The transition metal-containing compound is preferably a compound having at least one selected from an oxygen atom and a halogen atom, and may be used alone or in combination of two or more.

酸素原子を有する遷移金属含有化合物としては、好ましくは有機金属錯体、例えば、アルコキシド、アセチルアセトン、などの遷移金属錯体が挙げられる。
前記遷移金属含有化合物の具体例としては、チタンテトラエトキシド、チタンテトライソプロポキシド、チタンテトラアセチルアセトナート、ニオブペンタエトキシド、ニオブペンタイソプロポキシド、ジルコニウムテトラエトキシド、ジルコニウムテトライソプロポキシド、ジルコニウムテトラアセチルアセトナート、銅(II)メトキシド、銅(II)イソプロポキシドおよび、銅(II)アセチルアセトナートが挙げられる。
The transition metal-containing compound having an oxygen atom is preferably an organometallic complex, for example, a transition metal complex such as alkoxide or acetylacetone.
Specific examples of the transition metal-containing compound include titanium tetraethoxide, titanium tetraisopropoxide, titanium tetraacetylacetonate, niobium pentaethoxide, niobium pentaisopropoxide, zirconium tetraethoxide, zirconium tetraisopropoxide, Zirconium tetraacetylacetonate, copper (II) methoxide, copper (II) isopropoxide, and copper (II) acetylacetonate.

また、鉄を含まない前記遷移金属含有化合物(以下「第1の遷移金属含有化合物」ともいう。)と共に、鉄を含む遷移金属含有化合物(以下「第2の遷移金属含有化合物」ともいう。)が併用されてもよい。第2の遷移金属含有化合物を用いると、得られる触媒の性能が向上する。
第2の遷移金属含有化合物の具体例としては、フェロセン、酢酸鉄(II)、乳酸鉄(II)、クエン酸鉄(III)等の鉄化合物が挙げられる。
Further, together with the transition metal-containing compound not containing iron (hereinafter also referred to as “first transition metal-containing compound”), a transition metal-containing compound containing iron (hereinafter also referred to as “second transition metal-containing compound”). May be used in combination. Use of the second transition metal-containing compound improves the performance of the resulting catalyst.
Specific examples of the second transition metal-containing compound include iron compounds such as ferrocene, iron (II) acetate, iron (II) lactate, and iron (III) citrate.

<窒素含有有機化合物>
前記窒素含有有機化合物としては、前記遷移金属含有化合物中の金属原子に配位可能な配位子となり得る化合物(好ましくは、単核の錯体を形成し得る化合物)が好ましく、多座配位子(好ましくは、2座配位子または3座配位子)となり得る(キレートを形成し得る)化合物がさらに好ましい。
<Nitrogen-containing organic compound>
The nitrogen-containing organic compound is preferably a compound (preferably a compound capable of forming a mononuclear complex) that can be a ligand capable of coordinating to a metal atom in the transition metal-containing compound. More preferred are compounds that can be (preferably bidentate or tridentate) (can form chelates).

前記窒素含有有機化合物は、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
前記窒素含有有機化合物は、好ましくは、アミノ基、ニトリル基、イミド基、イミン基、ニトロ基、アミド基、アジド基、アジリジン基、アゾ基、イソシアネート基、イソチオシアネート基、オキシム基、ジアゾ基、ニトロソ基などの官能基、またはピロール環、ポルフィリン環、イミダゾール環、ピリジン環、ピリミジン環、ピラジン環などの環(これらの官能基および環をまとめて「含窒素分子団」ともいう。)を有する化合物であり、さらに好ましくは、アミノ基、イミン基、ピロール環およびピラジン環から選択される少なくとも一種の含窒素分子団を有する化合物であり、特に好ましくは、アミノ基およびピラジン環から選択される少なくとも一種の含窒素分子団を有する化合物である。これら化合物であれば、得られる触媒の活性が特に高くなる。
The said nitrogen containing organic compound may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.
The nitrogen-containing organic compound is preferably an amino group, a nitrile group, an imide group, an imine group, a nitro group, an amide group, an azido group, an aziridine group, an azo group, an isocyanate group, an isothiocyanate group, an oxime group, a diazo group, It has a functional group such as a nitroso group, or a ring such as a pyrrole ring, a porphyrin ring, an imidazole ring, a pyridine ring, a pyrimidine ring, or a pyrazine ring (these functional groups and rings are also collectively referred to as “nitrogen-containing molecular groups”). More preferably a compound having at least one nitrogen-containing molecular group selected from an amino group, an imine group, a pyrrole ring and a pyrazine ring, particularly preferably at least selected from an amino group and a pyrazine ring. It is a compound having a kind of nitrogen-containing molecular group. With these compounds, the activity of the resulting catalyst is particularly high.

前記窒素含有有機化合物は、好ましくは、水酸基、カルボキシル基、アルデヒド基、酸ハライド基、スルホ基、リン酸基、ケトン基、エーテル基またはエステル基(これらをまとめて「含酸素分子団」ともいう。)を有する。   The nitrogen-containing organic compound is preferably a hydroxyl group, a carboxyl group, an aldehyde group, an acid halide group, a sulfo group, a phosphoric acid group, a ketone group, an ether group or an ester group (these are collectively referred to as “oxygen-containing molecular group”). .)

前記含酸素分子団の中では、カルボキシル基およびアルデヒド基が、得られる触媒の活性が特に高くなることから、特に好ましい。
前記含窒素分子団および前記含酸素分子団を有する化合物としては、アミノ酸、ならびにその誘導体が好ましい。前記アミノ酸としては、タンパク質構成アミノ酸およびそれらの異性体が挙げられ、得られる触媒の活性が高いことから、アラニン、グリシン、リシン、メチオニン、チロシンが好ましく、得られる触媒が極めて高い活性を示すことから、アラニン、グリシンおよびリジンが特に好ましい。
Among the oxygen-containing molecular groups, a carboxyl group and an aldehyde group are particularly preferable because the activity of the resulting catalyst is particularly high.
As the compound having the nitrogen-containing molecular group and the oxygen-containing molecular group, amino acids and derivatives thereof are preferable. Examples of the amino acids include protein-constituting amino acids and isomers thereof, and the activity of the resulting catalyst is high, so alanine, glycine, lysine, methionine, and tyrosine are preferable, and the resulting catalyst exhibits extremely high activity. Alanine, glycine and lysine are particularly preferred.

また、分子中に酸素原子を含む前記窒素含有有機化合物の具体例としては、上記アミノ酸等に加えて、アセチルピロールなどのアシルピロール類、ピロールカルボン酸、アセチルイミダゾールなどのアシルイミダゾール類、カルボニルジイミダゾール、イミダゾールカルボン酸、ピラゾール、アセトアニリド、ピラジンカルボン酸、ピペリジンカルボン酸、ピペラジンカルボン酸、モルホリン、ピリミジンカルボン酸、ニコチン酸、2−ピリジンカルボン酸、2,4−ピリジンジカルボン酸、8−キノリノール、およびポリビニルピロリドンが挙げられ、得られる触媒の活性が高いことから、2座配位子となり得る化合物、具体的にはピロール−2−カルボン酸、イミダゾール−4−カルボン酸、2−ピラジンカルボン酸、2−ピペリジンカルボン酸、2−ピペラジンカルボン酸、ニコチン酸、2−ピリジンカルボン酸、2,4−ピリジンジカルボン酸、および8−キノリノールが好ましく、2−ピラジンカルボン酸、および2−ピリジンカルボン酸がより好ましい。   Specific examples of the nitrogen-containing organic compound containing an oxygen atom in the molecule include acyl pyrroles such as acetyl pyrrole, acyl imidazoles such as pyrrole carboxylic acid and acetyl imidazole, carbonyldiimidazole, in addition to the above amino acids and the like. , Imidazole carboxylic acid, pyrazole, acetanilide, pyrazine carboxylic acid, piperidine carboxylic acid, piperazine carboxylic acid, morpholine, pyrimidine carboxylic acid, nicotinic acid, 2-pyridine carboxylic acid, 2,4-pyridine dicarboxylic acid, 8-quinolinol, and polyvinyl Pyrrolidone is exemplified, and the resulting catalyst has high activity, so that it can be a bidentate ligand, specifically pyrrole-2-carboxylic acid, imidazole-4-carboxylic acid, 2-pyrazinecarboxylic acid, 2- Piperidine Bon acid, 2-piperazine carboxylic acid, nicotinic acid, 2-pyridinecarboxylic acid, 2,4-pyridinedicarboxylic acid, and 8-quinolinol are preferable, and 2- pyrazine carboxylic acid, and 2-pyridine carboxylic acid is more preferable.

<溶媒>
前記電極触媒の製造に用いられる溶媒としては、例えば、水、酢酸およびアルコール類が挙げられる。アルコール類としては、エタノール、メタノール、ブタノール、プロパノールおよびエトキシエタノールが好ましく、エタノールおよびメタノールがさらに好ましい。溶解性を増すために、前記溶媒に酸が含まれることが好ましい。前記酸としては、酢酸、硝酸、塩酸、リン酸およびクエン酸が好ましく、酢酸および硝酸がさらに好ましい。これらは、1種単独で用いてもよく2種以上を併用してもよい。
<Solvent>
Examples of the solvent used in the production of the electrode catalyst include water, acetic acid, and alcohols. As alcohols, ethanol, methanol, butanol, propanol and ethoxyethanol are preferable, and ethanol and methanol are more preferable. In order to increase the solubility, the solvent preferably contains an acid. As the acid, acetic acid, nitric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid and citric acid are preferable, and acetic acid and nitric acid are more preferable. These may be used alone or in combination of two or more.

<沈殿抑制剤>
前記遷移金属含有化合物が金属錯体であって、かつ前記溶媒として水を単独でまたは水と他の化合物とを用いる場合には、沈殿抑制剤を用いることが好ましい。この場合の沈殿抑制剤としては、ジケトン構造を有する化合物が好ましく、ジアセチル、アセチルアセトン、2,5−ヘキサンジオンおよびジメドンがより好ましく、アセチルアセトンおよび2,5−ヘキサンジオンがさらに好ましい。
<Precipitation inhibitor>
When the transition metal-containing compound is a metal complex and water is used alone or water and another compound are used as the solvent, it is preferable to use a precipitation inhibitor. In this case, the precipitation inhibitor is preferably a compound having a diketone structure, more preferably diacetyl, acetylacetone, 2,5-hexanedione and dimedone, and further preferably acetylacetone and 2,5-hexanedione.

これらの沈殿抑制剤は、前記遷移金属含有化合物溶液の沈殿を十分少なくできる量を添加されればよい。前記沈殿抑制剤は、工程1の中でのいずれの段階で添加されてもよい。例えば、工程1で用いる溶媒にあらかじめ添加しておくとよい。   These precipitation inhibitors may be added in an amount that can sufficiently reduce the precipitation of the transition metal-containing compound solution. The precipitation inhibitor may be added at any stage in step 1. For example, it may be added in advance to the solvent used in Step 1.

(工程2)
工程2では、工程1で得られた前記触媒前駆体溶液から溶媒を除去する。
溶媒の除去は大気下で行ってもよく、不活性ガス(例えば、アルゴン、ヘリウム)雰囲気下で行ってもよい。
(Process 2)
In step 2, the solvent is removed from the catalyst precursor solution obtained in step 1.
The removal of the solvent may be performed in the atmosphere, or may be performed in an inert gas (for example, argon, helium) atmosphere.

溶媒除去の際の温度は、溶媒の蒸気圧が大きい場合には常温であってもよいが、触媒の量産性の観点からは、好ましくは30℃以上、より好ましくは40℃以上、さらに好ましくは50℃以上であり、工程1で得られる溶液中に含まれる、キレート等の金属錯体であると推定される触媒前駆体を分解させないという観点からは、好ましくは250℃以下、より好ましくは150℃以下、さらに好ましくは110℃以下である。   The temperature at the time of solvent removal may be room temperature when the vapor pressure of the solvent is high, but from the viewpoint of mass production of the catalyst, it is preferably 30 ° C or higher, more preferably 40 ° C or higher, and still more preferably. From the viewpoint of not decomposing the catalyst precursor that is estimated to be a metal complex such as a chelate, which is contained in the solution obtained in Step 1 at 50 ° C or higher, preferably 250 ° C or lower, more preferably 150 ° C. Below, it is 110 degrees C or less more preferably.

溶媒の除去は、溶媒の蒸気圧が大きい場合には大気圧下で行ってもよいが、より短時間で溶媒を除去するため、減圧(たとえば、0.1Pa〜0.1MPa)下で行ってもよい。   The removal of the solvent may be performed under atmospheric pressure when the vapor pressure of the solvent is high, but in order to remove the solvent in a shorter time, it is performed under reduced pressure (for example, 0.1 Pa to 0.1 MPa). Also good.

溶媒の除去は、工程1で得られた混合物を静置した状態で行ってもよいが、より均一な固形分残渣を得るためには、混合物を撹拌しながら溶媒を除去することが好ましい。
溶媒の除去の方法、あるいは前記遷移金属含有化合物または前記窒素含有有機化合物の性状によっては、工程2で得られた固形分残渣の組成または凝集状態が不均一であることがある。このような場合に、固形分残渣を、混合し、解砕して、より均一、微細な粉末としたものを工程3で用いると、粒径がより均一な触媒を得ることができる。
The solvent may be removed while the mixture obtained in Step 1 is allowed to stand, but in order to obtain a more uniform solid residue, it is preferable to remove the solvent while stirring the mixture.
Depending on the method of removing the solvent or the properties of the transition metal-containing compound or the nitrogen-containing organic compound, the composition or aggregation state of the solid residue obtained in Step 2 may be non-uniform. In such a case, a catalyst having a more uniform particle size can be obtained by mixing and crushing the solid residue and using a more uniform and fine powder in Step 3.

(工程3)
工程3では、工程2で得られた固形分残渣を熱処理して電極触媒を得る。
この熱処理の際の温度は、500〜1100℃であり、好ましくは600〜1050℃であり、より好ましくは700〜950℃である。
(Process 3)
In Step 3, the solid residue obtained in Step 2 is heat-treated to obtain an electrode catalyst.
The temperature at the time of this heat treatment is 500 to 1100 ° C, preferably 600 to 1050 ° C, more preferably 700 to 950 ° C.

熱処理の温度が上記範囲よりも高すぎると、得られた電極触媒の粒子相互間においての焼結、粒成長がおこり、結果として電極触媒の比表面積が小さくなってしまうため、この粒子を塗布法により触媒層に加工する際の加工性が劣ってしまう。一方、熱処理の温度が上記範囲よりも低過ぎると、高い活性を有する電極触媒を得ることができない。   If the temperature of the heat treatment is too higher than the above range, sintering and grain growth occur between the particles of the obtained electrode catalyst, resulting in a decrease in the specific surface area of the electrode catalyst. As a result, the processability during processing into a catalyst layer is poor. On the other hand, if the temperature of the heat treatment is too lower than the above range, an electrode catalyst having high activity cannot be obtained.

前記熱処理の方法としては、たとえば、静置法、攪拌法、落下法、粉末捕捉法が挙げられる。触媒活性の特に高い電極触媒を得たい場合には、厳密な温度制御が可能な電気炉を用いることが望ましい。   Examples of the heat treatment method include a stationary method, a stirring method, a dropping method, and a powder trapping method. When it is desired to obtain an electrode catalyst having a particularly high catalytic activity, it is desirable to use an electric furnace capable of strict temperature control.

前記熱処理を行う際の雰囲気としては、得られる電極触媒の活性を高める観点から、その主成分が不活性ガス雰囲気であることが好ましい。
ただし、前記熱処理の雰囲気中に後述する反応性ガスが存在すると、得られる電極触媒がより高い触媒性能を発現することがある。
As an atmosphere at the time of performing the heat treatment, the main component is preferably an inert gas atmosphere from the viewpoint of enhancing the activity of the obtained electrode catalyst.
However, when the reactive gas mentioned later exists in the atmosphere of the said heat processing, the electrode catalyst obtained may express a higher catalyst performance.

前記反応性ガスとしては、たとえば、窒素ガス、窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガス、窒素ガスと水素ガスとの混合ガス、アルゴンガスと水素ガスとの混合ガス、アンモニアガスと酸素ガスとの混合ガスが挙げられる。   Examples of the reactive gas include nitrogen gas, a mixed gas of nitrogen gas and argon gas, a mixed gas of nitrogen gas and hydrogen gas, a mixed gas of argon gas and hydrogen gas, and a mixture of ammonia gas and oxygen gas. Gas.

前記熱処理で得られた熱処理物は、そのまま電極触媒として使用してもよく、さらに解砕してから電極触媒として用いてもよい。なお、本明細書において、解砕、破砕等、熱処理物を細かくする操作を、特に区別せず「解砕」と表記する。解砕を行うと、得られた電極触媒を用いて電極を製造する際の加工性、および得られる電極の特性を改善できることがある。この解砕には、たとえば、ロール転動ミル、ボールミル、小径ボールミル(ビーズミル)、媒体撹拌ミル、気流粉砕機、乳鉢、自動混練乳鉢、槽解機またはジェトミルを用いることができる。   The heat-treated product obtained by the heat treatment may be used as an electrode catalyst as it is, or may be used after being further crushed as an electrode catalyst. In the present specification, operations for making the heat-treated product fine, such as crushing and crushing, are referred to as “crushing” without any particular distinction. When pulverization is performed, it may be possible to improve the workability in producing an electrode using the obtained electrode catalyst and the characteristics of the obtained electrode. For this crushing, for example, a roll rolling mill, a ball mill, a small-diameter ball mill (bead mill), a medium stirring mill, an airflow grinder, a mortar, an automatic kneading mortar, a tank disintegrator, or a jet mill can be used.

〈電子伝導性材料〉
本発明に用いる電子伝導性材料は、電極触媒層を形成するために一般的に用いられているものであれば特に限定されない。
<Electronic conductive material>
The electron conductive material used for this invention will not be specifically limited if it is generally used in order to form an electrode catalyst layer.

前記電子伝導性材料の具体例としては、炭素、導電性高分子、導電性セラミックス、金属または酸化タングステンもしくは酸化イリジウムなどの導電性無機酸化物が挙げられる。これらの電子伝導性材料は、1種単独で用いてもよく2種以上併用してもよい。特に、炭素からなる導電性粒子は比表面積が大きいため、また、安価に小粒径のものを入手しやすく、耐薬品性、耐高電位性に優れるため好ましい。炭素からなる導電性粒子を用いる場合、炭素単独または炭素とその他の導電性粒子との混合物が好ましい。   Specific examples of the electron conductive material include carbon, a conductive polymer, a conductive ceramic, a metal, or a conductive inorganic oxide such as tungsten oxide or iridium oxide. These electron conductive materials may be used alone or in combination of two or more. In particular, conductive particles made of carbon are preferable because they have a large specific surface area, are easily available at low cost and have excellent chemical resistance and high potential resistance. When using conductive particles made of carbon, carbon alone or a mixture of carbon and other conductive particles is preferable.

前記炭素としては、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭、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、フラーレン、グラフェン等が挙げられる。カーボンの粒子径または、繊維径は、TEM観察で測定される測定値として、10〜1000nmの範囲であることが好ましく、10〜100nmの範囲であることがよりに好ましい。カーボンの粒子径が、10nm未満であると電子伝導パスが形成され難くなり、また、前記上限を超えると、形成される電極触媒層のガス拡散性が低下したり、電極触媒の利用率が低下する傾向がある。また、炭素からなる電子伝導性粒子のBET比表面積値は、50m2/g〜3000m2/gが好ましく、100m2/g〜3000m2/gがより好ましい。 Examples of the carbon include carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, fullerene, and graphene. The particle diameter or fiber diameter of carbon is preferably in the range of 10 to 1000 nm, and more preferably in the range of 10 to 100 nm, as a measurement value measured by TEM observation. When the carbon particle diameter is less than 10 nm, it is difficult to form an electron conduction path. When the carbon particle diameter exceeds the upper limit, the gas diffusibility of the electrode catalyst layer to be formed is decreased, or the utilization factor of the electrode catalyst is decreased. Tend to. Further, BET specific surface area value of the electron conductive particles composed of carbon is preferably 50m 2 / g~3000m 2 / g, 100m 2 / g~3000m 2 / g is more preferable.

前記導電性高分子としては特に限定は無いが、例えばポリアセチレン、ポリ−p−フェニレン、ポリアニリン、ポリアルキルアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリインドール、ポリ−1,5−ジアミノアントラキノン、ポリアミノジフェニル、ポリ(o−フェニレンジアミン)、ポリ(キノリニウム)塩、ポリピリジン、ポリキノキサリン、ポリフェニルキノキサリン、およびそれらの誘導体等が挙げられる。これらには、高い導電性を得るためのドーパントが含まれていてもよい。   The conductive polymer is not particularly limited. For example, polyacetylene, poly-p-phenylene, polyaniline, polyalkylaniline, polypyrrole, polythiophene, polyindole, poly-1,5-diaminoanthraquinone, polyaminodiphenyl, poly (o -Phenylenediamine), poly (quinolinium) salt, polypyridine, polyquinoxaline, polyphenylquinoxaline, and derivatives thereof. These may contain a dopant for obtaining high conductivity.

〈プロトン伝導性材料〉
本発明に用いるプロトン伝導性材料としては、電極触媒層を形成するために一般的に用いられているものであれば特に限定されない。
<Proton conductive material>
The proton conductive material used in the present invention is not particularly limited as long as it is generally used for forming an electrode catalyst layer.

前記プロトン伝導性材料の具体例としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体(例えば、NAFION(登録商標))、スルホン酸基を有する炭化水素系高分子化合物、リン酸などの無機酸をドープさせた高分子化合物、一部がプロトン伝導性の官能基で置換された有機/無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたプロトン伝導体などが挙げられる。これらの中でも、NAFION(登録商標)が好ましい。また、プロトン伝導性材料として、旭硝子(株)製の「Flemion」膜、旭化成(株)製の「Aciplex」膜を用いると、高温低加湿の条件下でも燃料電池における反応が進む傾向がある。   Specific examples of the proton conductive material include a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group (for example, NAFION (registered trademark)), a hydrocarbon polymer compound having a sulfonic acid group, and an inorganic acid such as phosphoric acid. And an organic / inorganic hybrid polymer partially substituted with a proton conductive functional group, and a proton conductor obtained by impregnating a polymer matrix with a phosphoric acid solution or a sulfuric acid solution. Among these, NAFION (registered trademark) is preferable. Further, when a “Flemion” membrane manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. or an “Aciplex” membrane manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd. is used as the proton conductive material, the reaction in the fuel cell tends to proceed even under conditions of high temperature and low humidity.

〈溶媒〉
本発明に用いる溶媒としては、電極触媒層を形成するために一般的に用いられているものであれば特に限定されないが、揮発性の有機溶媒または水等が挙げられる。
<solvent>
The solvent used in the present invention is not particularly limited as long as it is generally used for forming an electrode catalyst layer, and examples thereof include a volatile organic solvent or water.

前記溶媒の具体例としては、アルコール系溶媒、エーテル系溶媒、芳香族系溶媒、非プロトン性極性溶媒、水等が挙げられる。中でも、水、アセトニトリルや、炭素数1〜4のアルコールが好ましく、具体的には、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、2−ブタノール、イソブタノール、t−ブタノールが好ましい。特に、水、アセトニトリル、1−プロパノール、2−プロパノールが好ましい。これらの溶媒は、1種単独で用いてもよく、2種以上併用してもよい。   Specific examples of the solvent include alcohol solvents, ether solvents, aromatic solvents, aprotic polar solvents, water and the like. Among these, water, acetonitrile, and alcohol having 1 to 4 carbon atoms are preferable, and specifically, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutanol, and t-butanol are preferable. . In particular, water, acetonitrile, 1-propanol and 2-propanol are preferable. These solvents may be used alone or in combination of two or more.

〈インクの製造方法〉
本発明のインクは、例えば、上述した電極触媒、電子伝導性材料、プロトン伝導性材料および溶媒を混合することによって製造される。電極触媒、電子伝導性材料、プロトン伝導性材料および溶媒の混合順序は、特に制限されない。例えば、電極触媒、電子伝導性材料、プロトン伝導性材料および溶媒を順次又は同時に混合し、電極触媒等を溶媒に分散させることにより、インクを調製できる。また、固体のプロトン伝導性材料を、水および/またはメタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール溶媒に予備混合した溶液を調製してから、その予備混合した溶液を、電極触媒、電子伝導性材料および溶媒と混合してもよい。
<Ink production method>
The ink of the present invention is produced, for example, by mixing the above-described electrode catalyst, electron conductive material, proton conductive material, and solvent. The mixing order of the electrode catalyst, the electron conductive material, the proton conductive material and the solvent is not particularly limited. For example, an ink can be prepared by mixing an electrode catalyst, an electron conductive material, a proton conductive material and a solvent sequentially or simultaneously and dispersing the electrode catalyst or the like in the solvent. In addition, after preparing a solution in which a solid proton conductive material is premixed in water and / or an alcohol solvent such as methanol, ethanol, propanol, etc., the premixed solution is prepared as an electrode catalyst, an electron conductive material, and a solvent. May be mixed with.

混合時間は、混合手段、電極触媒等の分散性および溶媒の揮発性等に応じて、適宜決定することができる。
混合手段としては、ホモジナイザーなどの撹拌装置を用いてもよく、ボールミル、ビーズミル、ジェットミル、超音波分散装置、混練脱泡装置などを用いてもよく、これらの手段を組み合わせてもよい。中でも、超音波分散装置、ホモジナイザー、ボールミル、混練脱泡装置を用いる混合手段が好ましい。また、必要であれば、インクの温度を一定範囲に維持する機構、装置などを用いながら混合してもよい。
インク中の固形分濃度は、塗布方法等に合わせて適宜調整すればよく、通常、0.1質量%〜25質量%の範囲内である。
The mixing time can be appropriately determined according to the dispersibility of the mixing means, the electrode catalyst, etc., the volatility of the solvent, and the like.
As the mixing means, a stirring device such as a homogenizer may be used, a ball mill, a bead mill, a jet mill, an ultrasonic dispersion device, a kneading defoaming device, or the like may be used, or these means may be combined. Among these, a mixing means using an ultrasonic dispersion device, a homogenizer, a ball mill, and a kneading defoaming device is preferable. Further, if necessary, mixing may be performed using a mechanism or device that maintains the temperature of the ink within a certain range.
What is necessary is just to adjust the solid content concentration in an ink suitably according to a coating method etc., and it exists in the range of 0.1 mass%-25 mass% normally.

≪電極触媒層≫
本発明の電極触媒層は、上述したインクを用いて形成されることを特徴としている。上述したインクを用いて形成される電極触媒層を備えた燃料電池等は、極めて優れた発電特性を有する。また、本発明の電極触媒層は耐久性にも優れる傾向がある。
≪Electrocatalyst layer≫
The electrode catalyst layer of the present invention is formed using the ink described above. A fuel cell or the like having an electrode catalyst layer formed using the ink described above has extremely excellent power generation characteristics. Moreover, the electrode catalyst layer of the present invention tends to be excellent in durability.

電極触媒層の形成方法としては、特に制限はないが、たとえば、上述したインクを、後述する電解質膜および/またはガス拡散層に塗布した後、乾燥することにより形成する方法が挙げられる。また、上述したインクを、転写基材に塗布し、乾燥することにより転写基材上に電極触媒層を形成した後、転写法で電解質膜および/またはガス拡散層に電極触媒層を形成する方法が挙げられる。   The method for forming the electrode catalyst layer is not particularly limited, and examples thereof include a method in which the above-described ink is applied to an electrolyte membrane and / or gas diffusion layer described later and then dried. A method of forming an electrode catalyst layer on an electrolyte membrane and / or a gas diffusion layer by a transfer method after forming the electrode catalyst layer on the transfer substrate by applying the ink described above to the transfer substrate and drying it. Is mentioned.

前記塗布する方法としては、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法、バーコーター法、ドクターブレード法などが挙げられる。
前記乾燥する方法としては、特に限定されないが、例えば、自然乾燥やヒーターで加熱する方法などが挙げられる。
Examples of the application method include a dipping method, a screen printing method, a roll coating method, a spray method, a bar coater method, and a doctor blade method.
The drying method is not particularly limited, and examples thereof include natural drying and a method of heating with a heater.

加熱の場合、前記乾燥温度は、30〜120℃であることが好ましく、40〜110℃であることがより好ましく、45〜100℃であることがさらに好ましい。
前記塗布および前記乾燥は、同時に行ってもよい。この場合、塗布量および乾燥温度を調節することにより、塗布直後に乾燥が完了することが好ましい。
In the case of heating, the drying temperature is preferably 30 to 120 ° C, more preferably 40 to 110 ° C, and further preferably 45 to 100 ° C.
The application and the drying may be performed simultaneously. In this case, it is preferable that the drying is completed immediately after coating by adjusting the coating amount and the drying temperature.

≪用途≫
本発明の電極触媒層は、白金触媒層の一部またはすべてを代替する触媒層として、特に燃料電池用電極触媒層として有効に使用することができる。
≪Usage≫
The electrode catalyst layer of the present invention can be effectively used as a catalyst layer that replaces part or all of the platinum catalyst layer, particularly as a fuel cell electrode catalyst layer.

本発明の電極触媒層は、アノード触媒層またはカソード触媒層のいずれにも用いることができるが、酸素還元能が大きいので、カソード触媒層に用いることが好ましい。特に固体高分子型燃料電池が備える膜電極接合体のカソード触媒層に有用である。   The electrode catalyst layer of the present invention can be used for either the anode catalyst layer or the cathode catalyst layer, but is preferably used for the cathode catalyst layer because of its high oxygen reducing ability. In particular, it is useful for a cathode catalyst layer of a membrane electrode assembly provided in a polymer electrolyte fuel cell.

本発明の電極は、上述した電極触媒層とガス拡散層とを有することを特徴としている。
本発明の電極はカソードまたはアノードのいずれの電極にも用いることができる。本発明の電極は、酸素還元能が大きいので、カソードに用いるとより産業上の優位性が高い。
The electrode of the present invention is characterized by having the above-described electrode catalyst layer and gas diffusion layer.
The electrode of the present invention can be used as either a cathode or an anode. Since the electrode of the present invention has a large oxygen reducing ability, it is more industrially superior when used as a cathode.

ガス拡散層は、ガスを拡散する層であり、電子伝導性を有し、ガスの拡散性が高く、耐食性の高いものであれば特に限定されない。ガス拡散層としては、一般的にカーボンペーパー、カーボンクロスなどの炭素系多孔質材料や、軽量化のためにステンレス、耐食材を被覆したアルミニウム箔が用いられる。   The gas diffusion layer is a layer that diffuses gas, and is not particularly limited as long as it has electron conductivity, high gas diffusibility, and high corrosion resistance. As the gas diffusion layer, generally used are carbon-based porous materials such as carbon paper and carbon cloth, and aluminum foil coated with stainless steel and corrosion-resistant material for weight reduction.

本発明の膜電極接合体は、カソードとアノードと前記カソード及び前記アノードの間に配置された電解質膜とを有する膜電極接合体であって、前記カソードが、上述した電極であることを特徴としている。   The membrane electrode assembly of the present invention is a membrane electrode assembly comprising a cathode, an anode, and an electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode, wherein the cathode is the electrode described above. Yes.

前記膜電極接合体は、電解質膜および/またはガス拡散層に前記電極触媒層を形成後、該触媒層を内側として電解質膜の両面をガス拡散層で挟み、ホットプレスすることで得ることができる。   The membrane / electrode assembly can be obtained by forming the electrode catalyst layer on the electrolyte membrane and / or the gas diffusion layer, then sandwiching both surfaces of the electrolyte membrane with the gas diffusion layer with the catalyst layer inside, and hot pressing. .

ホットプレス時の温度は、使用する電解質膜および/または触媒層中の成分によって適宜選択されるが、100〜160℃であることが好ましく、120〜160℃であることがより好ましく、120〜140℃であることがさらに好ましい。ホットプレス時の温度が前記下限値未満であると接合が不充分となるおそれがあり、前記上限値を超えると電解質膜および/または触媒層中の成分が劣化するおそれがある。   The temperature at the time of hot pressing is appropriately selected depending on the components in the electrolyte membrane and / or catalyst layer to be used, but is preferably 100 to 160 ° C, more preferably 120 to 160 ° C, and 120 to 140 More preferably, the temperature is C. If the temperature during hot pressing is less than the lower limit, bonding may be insufficient, and if it exceeds the upper limit, components in the electrolyte membrane and / or the catalyst layer may be deteriorated.

ホットプレス時の圧力は、電解質膜および/または触媒層中の成分、ガス拡散層の種類によって適宜選択されるが、1〜10MPaであることが好ましく、1〜6MPaであることがより好ましく、2〜5MPaであることがさらに好ましい。ホットプレス時の圧力が前記下限値未満であると接合が不充分となるおそれがあり、前記上限値を超えると触媒層やガス拡散層の空孔度が減少し、性能が劣化するおそれがある。   The pressure during hot pressing is appropriately selected depending on the components in the electrolyte membrane and / or the catalyst layer and the type of the gas diffusion layer, but is preferably 1 to 10 MPa, more preferably 1 to 6 MPa. More preferably, it is ˜5 MPa. If the pressure during hot pressing is less than the lower limit, bonding may be insufficient, and if the pressure exceeds the upper limit, the porosity of the catalyst layer and the gas diffusion layer may be reduced and performance may be deteriorated. .

ホットプレスの時間は、ホットプレス時の温度および圧力によって適宜選択されるが、1〜20分であることが好ましく、3〜20分であることがより好ましく、5〜20分であることがさらに好ましい。   The hot pressing time is appropriately selected depending on the temperature and pressure during hot pressing, but is preferably 1 to 20 minutes, more preferably 3 to 20 minutes, and further preferably 5 to 20 minutes. preferable.

前記膜電極接合体における触媒能は、たとえば、以下のように算出される最大出力密度により評価することができる。
まず、前記膜電極接合体をシール材(ガスケット)、ガス流路付きセパレーターと、集電板を挟んでボルトで固定し、所定の面圧(4N)になるように締め付けて、固体高分子形燃料電池の単セルを作成する。
The catalytic ability of the membrane electrode assembly can be evaluated by, for example, the maximum power density calculated as follows.
First, the membrane electrode assembly is fixed with a bolt with a sealing material (gasket), a separator with a gas flow path, and a current collector plate, and tightened to a predetermined surface pressure (4N). Create a single cell of the fuel cell.

アノード側に燃料として水素を流量1リットル/分で供給し、カソード側に酸化剤として酸素を流量2リットル/分で供給し、両側ともに300kPaの背圧をかけながら、前記単セル温度90℃における電流―電圧特性を測定する。得られる電流―電圧特性の曲線から最大出力密度を算出する。最大出力密度が大きいほど、前記膜電極接合体における触媒能が高いことを示す。当該最大出力密度は、100mW/cm2以上であることが好ましく、200mW/cm2以上であることがより好ましく、300mW/cm2以上であることがさらに好ましい。 Hydrogen was supplied to the anode side as a fuel at a flow rate of 1 liter / minute, oxygen was supplied to the cathode side as an oxidant at a flow rate of 2 liters / minute, and a back pressure of 300 kPa was applied on both sides while the single cell temperature was 90 ° C. Measure current-voltage characteristics. The maximum power density is calculated from the obtained current-voltage characteristic curve. The larger the maximum power density, the higher the catalytic ability of the membrane electrode assembly. The maximum power density is preferably 100 mW / cm 2 or more, more preferably 200 mW / cm 2 or more, and further preferably 300 mW / cm 2 or more.

前記電解質膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系を用いた電解質膜または炭化水素系電解質膜などが一般的に用いられるが、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜または多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。   As the electrolyte membrane, for example, a perfluorosulfonic acid-based electrolyte membrane or a hydrocarbon-based electrolyte membrane is generally used, but a membrane or porous body in which a polymer microporous membrane is impregnated with a liquid electrolyte. A membrane filled with a polymer electrolyte may be used.

本発明の燃料電池は、上述した膜電極接合体を備えることを特徴としている。
燃料電池の電極反応はいわゆる3相界面(電解質−電極触媒−反応ガス)で起こる。燃料電池は、使用される電解質などの違いにより数種類に分類され、溶融炭酸塩型(MCFC)、リン酸型(PAFC)、固体酸化物型(SOFC)、固体高分子型(PEFC)等がある。中でも、本発明の膜電極接合体は、固体高分子型燃料電池に使用することが好ましい。
The fuel cell of the present invention is characterized by including the membrane electrode assembly described above.
The electrode reaction of the fuel cell occurs at a so-called three-phase interface (electrolyte-electrode catalyst-reaction gas). Fuel cells are classified into several types depending on the electrolyte used, etc., and include molten carbonate type (MCFC), phosphoric acid type (PAFC), solid oxide type (SOFC), and solid polymer type (PEFC). . Especially, it is preferable to use the membrane electrode assembly of this invention for a polymer electrolyte fuel cell.

以下に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
また、実施例および比較例における各種測定は、下記の方法により行なった。
EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
In addition, various measurements in Examples and Comparative Examples were performed by the following methods.

[分析方法]
1.元素分析
炭素:試料約0.01gを量り取り、炭素硫黄分析装置(堀場製作所製EMIA−920V)にて測定を行った。
[Analysis method]
1. Elemental analysis Carbon: About 0.01 g of a sample was weighed and measured with a carbon sulfur analyzer (EMIA-920V manufactured by Horiba, Ltd.).

窒素・酸素:試料約0.01gを量り取り、Niカプセルに試料を封入して、酸素窒素分析装置(LECO製TC600)にて測定を行った。
金属(ニオブ、チタン、鉄、ランタン、銅、ジルコニウム):試料約0.1gを石英ビーカーに量り取り、硫酸,硝酸およびフッ酸を用いて試料を完全に加熱分解する。冷却後、この溶液を100mlに定容する。この溶液を適宜希釈しICP−OES(SII社製VISTA−PRO)またはICP−MS(Agilent社製HP7500)を用いて定量を行った。
Nitrogen / oxygen: About 0.01 g of a sample was weighed, and the sample was sealed in a Ni capsule, and measurement was performed with an oxygen-nitrogen analyzer (TC600 manufactured by LECO).
Metal (niobium, titanium, iron, lanthanum, copper, zirconium): About 0.1 g of a sample is weighed into a quartz beaker, and the sample is completely thermally decomposed using sulfuric acid, nitric acid and hydrofluoric acid. After cooling, the solution is made up to 100 ml. This solution was appropriately diluted and quantified using ICP-OES (VISA-PRO manufactured by SII) or ICP-MS (HP7500 manufactured by Agilent).

2.BET比表面積測定
島津製作所株式会社製 マイクロメリティクス ジェミニ2360を用いてBET比表面積を測定した。
2. BET specific surface area measurement BET specific surface area was measured using Micromeritics Gemini 2360 manufactured by Shimadzu Corporation.

[参考例1]
1.アノード用インクの調製
Pt担持カーボン(TEC10E60E、田中貴金属工業製)0.6gを純水50mlに加え、さらにプロトン伝導性材料(NAFION(登録商標);0.25g)を含有する水溶液(Nafion5%水溶液、和光純薬工業製)5gを入れて、超音波分散機(UT−106H型シャープマニファクチャリングシステム社製)で1時間混合することにより、アノード用インク(1)を調製した。
[Reference Example 1]
1. Preparation of anode ink Pt-supported carbon (TEC10E60E, Tanaka Kikinzoku Kogyo) 0.6 g was added to 50 ml of pure water, and further an aqueous solution (Nafion 5% aqueous solution) containing a proton conductive material (NAFION (registered trademark); 0.25 g). Ink for the anode (1) was prepared by adding 5 g of Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and mixing with an ultrasonic disperser (UT-106H type Sharp Manufacturing System) for 1 hour.

2.アノード触媒層を有する電極の作製
ガス拡散層(カーボンペーパーTGP−H−060、東レ社製)を、アセトンに30秒間浸漬し、脱脂を行った。乾燥後、10%のポリテトラフルオロエチレン(以下「PTFE」とも記す。)水溶液に30秒間浸漬した。室温乾燥後、350℃で1時間加熱することにより、カーボンペーパー内部にPTFEを分散させ、撥水性を持たせたガス拡散層(以下「GDL」とも記す。)を得た。
2. Preparation of electrode having anode catalyst layer A gas diffusion layer (carbon paper TGP-H-060, manufactured by Toray Industries, Inc.) was immersed in acetone for 30 seconds to perform degreasing. After drying, it was immersed in a 10% polytetrafluoroethylene (hereinafter also referred to as “PTFE”) aqueous solution for 30 seconds. After drying at room temperature, heating was performed at 350 ° C. for 1 hour to disperse PTFE inside the carbon paper to obtain a gas diffusion layer (hereinafter also referred to as “GDL”) having water repellency.

次に、5cm×5cmの大きさとした前記GDLの表面に、自動スプレー塗布装置(サンエイテック社製)により、80℃で、上記1で調製したアノード用インク(1)を塗布した。繰り返しスプレー塗布することにより、単位面積あたりのPt量が1mg/cm2のアノード触媒層(1)を有する電極を作製した。 Next, the anode ink (1) prepared in 1 above was applied to the surface of the GDL having a size of 5 cm × 5 cm at 80 ° C. by an automatic spray coating apparatus (manufactured by Saneitec Co., Ltd.). By repeatedly spraying, an electrode having an anode catalyst layer (1) having a Pt amount of 1 mg / cm 2 per unit area was produced.

[触媒の製造]
1.触媒(1)の製造
チタンテトライソプロポキシド(純正化学(株)製)5mL及びアセチルアセトン(純正化学(株)製)5mLをエタノール(和光純薬(株)製)15mLと酢酸(和光純薬(株)製)5mLとの溶液に加え、室温で攪拌しながらチタン含有混合物溶液を作製した。
[Manufacture of catalyst]
1. Production of catalyst (1) 5 mL of titanium tetraisopropoxide (manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.) and 5 mL of acetylacetone (manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.) and 15 mL of ethanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and acetic acid (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) In addition to 5 mL solution, a titanium-containing mixture solution was prepared while stirring at room temperature.

また、グリシン(和光純薬(株)製)2.507g及び酢酸鉄(Aldrich社製)0.306gを純水20mLに加え、室温で攪拌して完全に溶解させてグリシン含有混合物溶液を作製した。チタン含有混合物溶液をグリシン含有混合物溶液にゆっくり添加し、透明な溶液を得た。ロータリーエバポレーターを用い、窒素雰囲気の減圧下で、ホットスターラーの温度を約100℃に設定し、前記溶液を加熱かつ攪拌しながら、溶媒をゆっくり蒸発させた。完全に溶媒を蒸発させて得られた固形分残渣を乳鉢で細かく均一に潰して、粉末を得た。この粉末を管状炉に入れ、アルゴンガス雰囲気下で昇温速度10℃/minで900℃まで加熱し、900℃で1時間保持し、自然冷却することにより粉末(以下「触媒(1)」とも記す。)を得た。
触媒(1)の元素分析結果を表1に示す。触媒(1)のBET比表面積は181m2/gであった。
In addition, 2.507 g of glycine (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 0.306 g of iron acetate (manufactured by Aldrich) were added to 20 mL of pure water and stirred at room temperature to completely dissolve to prepare a glycine-containing mixture solution. . The titanium-containing mixture solution was slowly added to the glycine-containing mixture solution to obtain a clear solution. Using a rotary evaporator, the temperature of the hot stirrer was set to about 100 ° C. under reduced pressure in a nitrogen atmosphere, and the solvent was slowly evaporated while heating and stirring the solution. The solid residue obtained by completely evaporating the solvent was finely and uniformly crushed in a mortar to obtain a powder. This powder is put into a tubular furnace, heated to 900 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min in an argon gas atmosphere, held at 900 ° C. for 1 hour, and naturally cooled to form a powder (hereinafter referred to as “catalyst (1)”). I wrote.)
Table 1 shows the results of elemental analysis of the catalyst (1). The BET specific surface area of the catalyst (1) was 181 m 2 / g.

2.触媒(2)の製造
ビーカーに、アセチルアセトン2.60g(25.94mmol)を入れ、これを攪拌しながらチタンテトライソプロポキシド5ml(17.59mmol)を加え、さらに酢酸28ml(490.0mmol)を2分間かけて滴下し、チタン溶液を調製した。ビーカーに水60ml、エタノール50ml、および酢酸60mlを入れ、ここにピラジンカルボン酸8.74g(70.36mmol)を加えて完全に溶解させた。得られた溶液に、これを攪拌しながら、5%ナフィオン(NAFION(登録商標))分散溶液(DE521、デュポン社)を10mlを加え、さらに酢酸鉄290mg(1.67mmol)を少量ずつ加えて溶解させた。次に温度を室温に保ちながら、かつ攪拌しながら、上記のチタン溶液を10分間かけて滴下し、滴下後さらに30分間攪拌を行い、触媒前駆体溶液を得た。
2. Preparation of catalyst (2) 2.60 g (25.94 mmol) of acetylacetone was placed in a beaker, and 5 ml (17.59 mmol) of titanium tetraisopropoxide was added while stirring this, and 28 ml (490.0 mmol) of acetic acid was further added. The solution was added dropwise over a period of minutes to prepare a titanium solution. In a beaker, 60 ml of water, 50 ml of ethanol, and 60 ml of acetic acid were added, and 8.74 g (70.36 mmol) of pyrazinecarboxylic acid was added and completely dissolved. While stirring this, 10 ml of 5% NAFION (registered trademark) dispersion (DE521, DuPont) was added to the resulting solution, and 290 mg (1.67 mmol) of iron acetate was added in small portions to dissolve. I let you. Next, while maintaining the temperature at room temperature and stirring, the above titanium solution was added dropwise over 10 minutes, and after the addition, the mixture was further stirred for 30 minutes to obtain a catalyst precursor solution.

ロータリーエバポレーターを用い、窒素雰囲気の減圧下で、ホットスターラーの温度を約100℃に設定し、前記触媒前駆体溶液を加熱かつ攪拌しながら、溶媒をゆっくり蒸発させた。完全に溶媒を蒸発させて得られた固形物残渣を自動乳鉢ですり潰して、11.3gの焼成用粉末(2)を得た。1.2gの焼成用粉末(2)を、ロータリーキルン炉に水素ガスを4体積%含む窒素ガス(すなわち、水素ガス:窒素ガス=4体積%:96体積%の混合ガス)を20ml/分の速度で流しながら、昇温速度10℃/分で890℃まで加熱し、890℃で0.5時間焼成し、自然冷却することにより、粉末状の触媒(2)208mgを得た。なお、この過程で得られた焼成用粉末の重量は11.7gであった。
触媒(2)の元素分析結果を表1に示す。また、触媒(2)のBET比表面積は296.6m2/gであった。
Using a rotary evaporator, the temperature of the hot stirrer was set to about 100 ° C. under reduced pressure in a nitrogen atmosphere, and the solvent was slowly evaporated while heating and stirring the catalyst precursor solution. The solid residue obtained by completely evaporating the solvent was ground in an automatic mortar to obtain 11.3 g of powder for firing (2). A rate of 20 ml / min of 1.2 g of the powder for firing (2), nitrogen gas containing 4% by volume of hydrogen gas in a rotary kiln furnace (that is, hydrogen gas: nitrogen gas = 4% by volume: 96% by volume of mixed gas) The mixture was heated to 890 ° C. at a rate of temperature increase of 10 ° C./min., Baked at 890 ° C. for 0.5 hours, and naturally cooled to obtain 208 mg of powdered catalyst (2). The weight of the powder for firing obtained in this process was 11.7 g.
Table 1 shows the results of elemental analysis of the catalyst (2). Further, the BET specific surface area of the catalyst (2) was 296.6 m 2 / g.

3.触媒(3)の製造
ビーカーに、アセチルアセトン2.60g(25.94mmol)を入れ、これを攪拌しながらニオブエトキシド4.80g(17.59mmol)を加え、ニオブ溶液を調製した。
3. Production of catalyst (3) 2.60 g (25.94 mmol) of acetylacetone was placed in a beaker, and 4.80 g (17.59 mmol) of niobium ethoxide was added thereto while stirring to prepare a niobium solution.

前記触媒(2)の製造におけるチタン溶液を、前記ニオブ溶液に替えた以外は、前記触媒(2)の製造と同様の操作を行い、粉末状の触媒(3)231mgを得た。
触媒(3)の元素分析結果を表1に示す。また、触媒(3)のBET比表面積は220m2/gであった。
Except having replaced the titanium solution in manufacture of the said catalyst (2) with the said niobium solution, operation similar to manufacture of the said catalyst (2) was performed, and 231 mg of powdery catalysts (3) were obtained.
Table 1 shows the result of elemental analysis of the catalyst (3). Further, the BET specific surface area of the catalyst (3) was 220 m 2 / g.

4.触媒(4)の製造
ビーカーに、メタノール50mlを入れ、これを撹拌しながら二塩化銅2.75g(20.45mmol)、5%ナフィオン(NAFION(登録商標))分散溶液(DE521、デュポン社)10.0ml、酢酸鉄(II)355mg(2.045mmol)を順次加えた。得られた溶液にピラジンカルボン酸10.15g(81.80mmol)を少量ずつ加えた後、3時間の攪拌を行い触媒前駆体溶液(4)を得た。ロータリーエバポレーターを用い、窒素雰囲気の減圧下で、ホットスターラーの温度を約100℃に設定し、前記触媒前駆体溶液(4)を加熱かつ撹拌しながら、溶媒をゆっくり蒸発させ、さらに窒素気流下、300℃で1時間の加熱を行うことにより、塩化物残渣などを除去し、3.56gの焼成用粉末(4)を得た。1.2gの焼成用粉末(4)を、ロータリーキルン炉に水素ガスを4体積%含む窒素ガス(すなわち、水素ガス:窒素ガス=4体積%:96体積%の混合ガス)を20ml/分の速度で流しながら、昇温速度10℃/分で890℃まで加熱し、890℃で0.5時間焼成し、自然冷却することにより、粉末状の触媒(4)562mgを得た。
触媒(4)の元素分析結果を表1に示す。また、触媒(4)のBET比表面積は213m2/gであった。
4). Production of catalyst (4) 50 ml of methanol was placed in a beaker, and 2.75 g (20.45 mmol) of copper dichloride, 5% NAFION (registered trademark) dispersion (DE521, DuPont) 10 while stirring this. 0.0 ml and 355 mg (2.045 mmol) of iron (II) acetate were sequentially added. After adding 10.15 g (81.80 mmol) of pyrazinecarboxylic acid little by little to the resulting solution, stirring was performed for 3 hours to obtain a catalyst precursor solution (4). Using a rotary evaporator, the temperature of the hot stirrer was set to about 100 ° C. under reduced pressure in a nitrogen atmosphere, the solvent was slowly evaporated while heating and stirring the catalyst precursor solution (4), and further under a nitrogen stream, By heating at 300 ° C. for 1 hour, chloride residues and the like were removed, and 3.56 g of powder for firing (4) was obtained. A rate of 20 ml / min of 1.2 g of powder for firing (4), nitrogen gas containing 4% by volume of hydrogen gas in a rotary kiln furnace (that is, hydrogen gas: nitrogen gas = 4% by volume: 96% by volume of mixed gas) The mixture was heated to 890 ° C. at a rate of temperature increase of 10 ° C./min., Baked at 890 ° C. for 0.5 hours, and naturally cooled to obtain 562 mg of a powdery catalyst (4).
Table 1 shows the results of elemental analysis of the catalyst (4). Further, the BET specific surface area of the catalyst (4) was 213 m 2 / g.

5.触媒(5)の製造
ニオブエトキシドに替えてジルコニウムブトキシド7.94g(17.59mmol)を用いた以外は前記触媒(3)の製造と同様の操作を行い、粉末状の触媒(5)341mgを得た。触媒(5)の元素分析結果を表1に示す。また、触媒(5)のBET比表面積は245m2/gであった。
5. Production of catalyst (5) The same operation as in the production of the catalyst (3) was carried out except that 7.94 g (17.59 mmol) of zirconium butoxide was used instead of niobium ethoxide, and 341 mg of the powdery catalyst (5) was obtained. Obtained. Table 1 shows the results of elemental analysis of the catalyst (5). Further, the BET specific surface area of the catalyst (5) was 245 m 2 / g.

6.触媒(6)の製造
炭化ニオブ(NbC、添川理化学株式会社製)5.88g(56mmol)、酢酸鉄(Fe(CH3CO22、ALDRICH社製)0.87g(5mmol)および窒化ニオブ(NbN、高純度化学研究所製)5.14g(48mmol)を充分に混合し、この混合粉末を管状炉において、1600℃で3時間、窒素雰囲気中で加熱することにより、焼結体10.89gを得た。得られた焼結体を乳鉢で粉砕し、これを1.05gを、0.75容量%の酸素ガスおよび4容量%の水素ガスを含む窒素ガスを流しながら、ロータリーキルンで、900℃、7時間加熱することにより、焼成物1.18gを得た。これを遊星ボールミル(フリッチェ社製 Premium7、自転半径:2.3cm、公転半径:16.3cm)により以下のとおり解砕した。密閉可能なジルコニアミル容器(容量45ml、内径45mm)の内部に、焼成物0.9g、直径0.5mmのジルコニアボール(ニッカトー社製)40g、アセトニトリル(分散溶媒)7mlを入れた。前記ジルコニアミル容器を密閉し、容器内部を充分にアルゴン置換した。次に、自転回転数:700rpm、公転回転数:350rpm、自転遠心加速度:12.6G、公転遠心加速度:22.3G、解砕時間:5分間で解砕した。当該解砕後、アセトニトリルおよびジルコニアボールを分離し、粉末状の触媒(6)を得た。触媒(6)の元素分析結果を表1に示す。また、触媒(6)のBET比表面積は30m2/gであった。
6). Production of catalyst (6) 5.88 g (56 mmol) of niobium carbide (NbC, manufactured by Soekawa Rikagaku Co., Ltd.), 0.87 g (5 mmol) of iron acetate (Fe (CH 3 CO 2 ) 2 , manufactured by ALDRICH) and niobium nitride ( NbN (manufactured by High-Purity Chemical Laboratory Co., Ltd.) 5.14 g (48 mmol) was thoroughly mixed, and this mixed powder was heated in a tube furnace at 1600 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere to obtain 10.89 g of a sintered body. Got. The obtained sintered body was pulverized in a mortar, and 1.05 g was circulated with nitrogen gas containing 0.75 volume% oxygen gas and 4 volume% hydrogen gas in a rotary kiln at 900 ° C. for 7 hours. By heating, 1.18 g of a fired product was obtained. This was crushed by a planetary ball mill (Premium 7 manufactured by Fritche, rotation radius: 2.3 cm, revolution radius: 16.3 cm) as follows. In a sealable zirconia mill container (capacity 45 ml, inner diameter 45 mm), 0.9 g of the fired product, 40 g of zirconia balls having a diameter of 0.5 mm (manufactured by Nikkato), and 7 ml of acetonitrile (dispersing solvent) were placed. The zirconia mill container was sealed, and the inside of the container was sufficiently purged with argon. Next, crushing was performed in a rotation speed: 700 rpm, revolution speed: 350 rpm, rotation centrifugal acceleration: 12.6 G, revolution centrifugal acceleration: 22.3 G, crushing time: 5 minutes. After the pulverization, acetonitrile and zirconia balls were separated to obtain a powdery catalyst (6). Table 1 shows the results of elemental analysis of the catalyst (6). Further, the BET specific surface area of the catalyst (6) was 30 m 2 / g.

7.触媒(7)の製造
酸化チタン(TiO2)4g(50mmol)、カーボンブラック(キャボット社製、XC−72)1.5g(125mmol)および酸化ランタン(La23)0.16g(0.5mmol)を充分に混合した。この混合物を、1700℃で3時間、窒素雰囲気中で加熱することにより、焼結体2.7gを得た。この焼結体を乳鉢で粉砕し、この1.0gを、1容量%の酸素ガスおよび1容量%の水素ガスを含む窒素ガスを流しながら、管状炉で、900℃で4時間加熱することにより、焼成物1.18gを得た。以降、前記触媒(6)の製造と同様の操作を行い、粉末状の触媒(7)を得た。
触媒(7)の元素分析結果を表1に示す。また、触媒(7)のBET比表面積は45m2/gであった。
7). Production of Catalyst (7) 4 g (50 mmol) of titanium oxide (TiO 2 ), 1.5 g (125 mmol) of carbon black (manufactured by Cabot, XC-72) and 0.16 g (0.5 mmol) of lanthanum oxide (La 2 O 3 ) ) Was mixed well. This mixture was heated at 1700 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere to obtain 2.7 g of a sintered body. This sintered body was pulverized in a mortar, and 1.0 g was heated at 900 ° C. for 4 hours in a tubular furnace while flowing nitrogen gas containing 1% by volume oxygen gas and 1% by volume hydrogen gas. 1.18 g of the fired product was obtained. Thereafter, the same operation as in the production of the catalyst (6) was performed to obtain a powdery catalyst (7).
Table 1 shows the results of elemental analysis of the catalyst (7). Further, the BET specific surface area of the catalyst (7) was 45 m 2 / g.

[実施例 1〜12、比較例1〜4,9〜10]
燃料電池用膜電極接合体の製造とその発電特性の評価
各実施例および各比較例ごとに、表2に記載した触媒を用い、表2に記載した触媒の含有量、電子伝導性材料の含有量、およびプロトン伝導材料の含有量で、以下の操作を行った。
[Examples 1 to 12, Comparative Examples 1 to 4 and 9 to 10]
Production of Fuel Cell Membrane Electrode Assembly and Evaluation of Power Generation Characteristics For each example and each comparative example, the catalyst described in Table 2 was used, the content of the catalyst described in Table 2, the content of the electron conductive material The following operations were performed according to the amount and the content of the proton conductive material.

(1)インクの調製
2−プロパノール(和光純薬工業製)25mlとイオン交換水25mlの混合溶媒に、触媒と、電子伝導性材料としてカーボンブラック(ケッチェンブラックEC300J、LION社製)とを加え、さらにプロトン伝導性材料としてナフィオン(NAFION(登録商標)を5%水溶液(和光純薬工業製)として加え、超音波分散機(UT−106H型シャープマニファクチャリングシステム社製)で1時間混合することにより、カソード用インクを調製した。
(1) Preparation of ink To a mixed solvent of 25 ml of 2-propanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) and 25 ml of ion-exchanged water, carbon black (Ketjen Black EC300J, manufactured by LION) was added as an electron conductive material. Furthermore, Nafion (NAFION (registered trademark)) is added as a 5% aqueous solution (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a proton conductive material, and mixed for 1 hour with an ultrasonic disperser (UT-106H type Sharp Manufacturing System). Thus, an ink for cathode was prepared.

(2)電極触媒層を有する電極の作製
ガス拡散層(カーボンペーパー(TGP−H−060、東レ社製))を、アセトンに30秒間浸漬して脱脂した後、乾燥させ、次いで10%のPTFE水溶液に30秒間浸漬した。浸漬物を、室温乾燥後、350℃で1時間加熱することにより、カーボンペーパー内部にPTFEが分散し撥水性を有するガス拡散層(以下「GDL」とも記す。)を得た。次に、5cm×5cmの大きさとした前記GDLの表面に、自動スプレー塗布装置(サンエイテック社製)により、80℃で、上記カソード用インクを塗布し、カソード触媒層をGDL表面に有する電極(以下「カソード」ともいう。)を作製した。
(2) Preparation of electrode having electrode catalyst layer A gas diffusion layer (carbon paper (TGP-H-060, manufactured by Toray Industries, Inc.)) was immersed in acetone for 30 seconds, degreased, dried, and then 10% PTFE. It was immersed in the aqueous solution for 30 seconds. The immersion material was dried at room temperature and then heated at 350 ° C. for 1 hour to obtain a gas diffusion layer (hereinafter also referred to as “GDL”) having PTFE dispersed in the carbon paper and having water repellency. Next, the cathode ink is applied to the surface of the GDL having a size of 5 cm × 5 cm by an automatic spray coating apparatus (manufactured by Sanei Tech Co., Ltd.) at 80 ° C., and an electrode having a cathode catalyst layer on the GDL surface ( Hereinafter also referred to as “cathode”.

(3)燃料電池用膜電極接合体の作製
電解質膜としてナフィオン(NAFION(登録商標))膜(N−212、DuPont社製)を、カソードとして上記カソード)を、アノードとして参考例1で作製したアノード触媒層(1)を有する電極(以下「アノード」ともいう。)をそれぞれ準備した。前記カソードと前記アノードとの間に前記電解質膜を配置した燃料電池用膜電極接合体(以下「MEA」ともいう。)を以下のように作製した。
(3) Fabrication of membrane electrode assembly for fuel cell A NAFION (registered trademark) membrane (N-212, manufactured by DuPont) as an electrolyte membrane and the above cathode as a cathode) were produced in Reference Example 1 as an anode. Electrodes having an anode catalyst layer (1) (hereinafter also referred to as “anode”) were prepared. A membrane electrode assembly for fuel cells (hereinafter also referred to as “MEA”) in which the electrolyte membrane is disposed between the cathode and the anode was produced as follows.

前記電解質膜を前記カソードおよび前記アノードで挟み、カソード触媒層およびアノード触媒層が前記電解質膜に密着するように、ホットプレス機を用いて、温度140℃、圧力3MPaで6分間かけてこれらを熱圧着し、MEAを作製した。   The electrolyte membrane is sandwiched between the cathode and the anode, and these are heated for 6 minutes at a temperature of 140 ° C. and a pressure of 3 MPa using a hot press machine so that the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer are in close contact with the electrolyte membrane. The MEA was manufactured by pressure bonding.

(4)単セルの作製
上記MEAを、2つのシール材(ガスケット)、2つのガス流路付きセパレーター、2つの集電板および2つのラバーヒータで挟んでボルトで固定し、これらを所定の面圧(4N)になるように締め付けて、固体高分子形燃料電池の単セル(以下「単セル」ともいう。)(セル面積:25cm2)を作製した。
(4) Manufacture of a single cell The MEA is fixed with bolts by sandwiching it with two sealing materials (gaskets), two separators with gas flow paths, two current collector plates and two rubber heaters. The solid polymer fuel cell single cell (hereinafter also referred to as “single cell”) (cell area: 25 cm 2 ) was produced by tightening to a pressure (4N).

(5)発電特性の評価(触媒能の測定)
上記単セルを90℃、アノード加湿器を90℃、カソード加湿器を50℃に温度調節した。アノード側に燃料として水素を流量1リットル/分で供給し、カソード側に酸化剤として酸素を流量2リットル/分で供給し、両側ともに300kPaの背圧をかけながら、単セルにおける電流―電圧特性を測定した。得られた電流―電圧特性曲線から最大出力密度を算出し、測定結果を表2に示した。当該最大出力密度が大きいほど、MEAにおける触媒能が高いことを示す。
(5) Evaluation of power generation characteristics (measurement of catalytic performance)
The temperature of the single cell was adjusted to 90 ° C., the anode humidifier to 90 ° C., and the cathode humidifier to 50 ° C. Supplying hydrogen as fuel to the anode side at a flow rate of 1 liter / min, supplying oxygen as an oxidant to the cathode side at a flow rate of 2 liters / min, and applying a back pressure of 300 kPa on both sides, current-voltage characteristics in a single cell Was measured. The maximum output density was calculated from the obtained current-voltage characteristic curve, and the measurement results are shown in Table 2. It shows that the catalyst ability in MEA is so high that the said maximum output density is large.

[実施例 13〜20、比較例5〜8]
燃料電池用膜電極接合体の製造とその発電特性の評価
各実施例および各比較例ごとに、表2に記載した触媒を用い、表2に記載した触媒の含有量、電子伝導性材料の含有量、およびプロトン伝導材料の含有量で、以下の操作を行った。
[Examples 13 to 20, Comparative Examples 5 to 8]
Production of Fuel Cell Membrane Electrode Assembly and Evaluation of Power Generation Characteristics For each example and each comparative example, the catalyst described in Table 2 was used, the content of the catalyst described in Table 2, the content of the electron conductive material The following operations were performed according to the amount and the content of the proton conductive material.

(1)インクの調製
水0.87mlに触媒と、電子伝導性材料としてカーボンブラック(ケッチェンブラックEC300J、LION社製)とを加え、さらにプロトン伝導性材料としてナフィオン(NAFION(登録商標)を20%水溶液(和光純薬工業製)として加え、混練脱泡装置(あわとり練太郎,株式会社シンキー製)で脱泡混合することにより、カソード用インクを調製した。
(1) Preparation of ink A catalyst and carbon black (Ketjen Black EC300J, manufactured by LION) as an electron conductive material are added to 0.87 ml of water, and Nafion (NAFION (registered trademark)) is added as a proton conductive material. In addition, a cathode ink was prepared by defoaming and mixing with a kneading defoaming device (manufactured by Nawataro Awatori, manufactured by Shinky Co., Ltd.) as a% aqueous solution (manufactured by Wako Pure Chemical Industries).

(2)電極触媒層を有する電極の作製
ガス拡散層(カーボンペーパー(GDL24BC、SGLカーボングループ社製))の表面に、バーコーター(テクノサプライ社製)により、上記カソード用インクを塗布し、これを乾燥して、カソード触媒層をGDL表面に有する電極(以下「カソード」ともいう。)を作製した。
(2) Preparation of an electrode having an electrode catalyst layer The cathode ink was applied to the surface of a gas diffusion layer (carbon paper (GDL24BC, manufactured by SGL Carbon Group)) by a bar coater (manufactured by Techno Supply). Was dried to prepare an electrode having a cathode catalyst layer on the GDL surface (hereinafter also referred to as “cathode”).

(3)燃料電池用膜電極接合体の作製〜(5)発電特性の評価(触媒能の測定)
実施例1と同様に(3)燃料電池用膜電極接合体の作製、(4)単セルの作製および(5)発電特性の評価(触媒能の測定)を行い、単セルにおける電流―電圧特性を測定した。得られた電流―電圧特性曲線から最大出力密度を算出し、測定結果を表2に示した。
(3) Fabrication of fuel cell membrane electrode assembly-(5) Evaluation of power generation characteristics (measurement of catalytic ability)
As in Example 1, (3) Production of membrane electrode assembly for fuel cell, (4) Production of single cell and (5) Evaluation of power generation characteristics (measurement of catalytic ability), current-voltage characteristics in single cell Was measured. The maximum output density was calculated from the obtained current-voltage characteristic curve, and the measurement results are shown in Table 2.

Figure 2013030470
Figure 2013030470

Figure 2013030470
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Figure 2013030470
インクに含有される電極触媒として、遷移金属元素、炭素、窒素および酸素を構成元素として含む物を用い、該触媒の各元素の原子数の比を、遷移金属元素:炭素:窒素:酸素=1:x:y:zとした場合に、0.5<x≦7、 0.01<y≦2、 0.1<z≦3とし、前記電極触媒の含有量Aとインクに含有される電子伝導性材料の含有量Bとの質量比(A/B)を、1〜6とし、前記電極触媒と前記電子伝導性材料との合計含有量Cと、インクに含有されるプロトン伝導性材料の含有量Dとの質量比(D/C)を、0.1〜0.9とするインクを用いると、得られるMEAの触媒能、すなわち最大出力密度が大きくなることがわかった。
Figure 2013030470
As the electrode catalyst contained in the ink, a material containing a transition metal element, carbon, nitrogen and oxygen as constituent elements is used, and the ratio of the number of atoms of each element of the catalyst is defined as transition metal element: carbon: nitrogen: oxygen = 1. : X: y: z, 0.5 <x ≦ 7, 0.01 <y ≦ 2, 0.1 <z ≦ 3, and the content A of the electrode catalyst and the electrons contained in the ink The mass ratio (A / B) to the content B of the conductive material is 1 to 6, the total content C of the electrode catalyst and the electron conductive material, and the proton conductive material contained in the ink It was found that when an ink having a mass ratio (D / C) with respect to the content D of 0.1 to 0.9 is used, the catalytic ability of the obtained MEA, that is, the maximum output density is increased.

Claims (8)

電極触媒、電子伝導性材料、プロトン伝導性材料および溶媒を含む、電極触媒層を形成するためのインクであって、
前記電極触媒が、遷移金属元素、炭素、窒素および酸素を構成元素として含み、前記各元素の原子数の比を、遷移金属元素:炭素:窒素:酸素=1:x:y:z(ただし、遷移金属元素の原子数は、遷移金属元素が複数種である場合、それらの合計の原子数。)とした場合に、0.5<x≦7、 0.01<y≦2、 0.1<z≦3であり、
前記電極触媒の含有量Aと前記電子伝導性材料の含有量Bとの質量比(A/B)が、1〜6であり、
前記電極触媒と前記電子伝導性材料との合計含有量Cと、プロトン伝導性材料の含有量Dとの質量比(D/C)が、0.1〜0.9であることを特徴とするインク。
An ink for forming an electrode catalyst layer, comprising an electrode catalyst, an electron conductive material, a proton conductive material and a solvent,
The electrode catalyst includes a transition metal element, carbon, nitrogen and oxygen as constituent elements, and the ratio of the number of atoms of each element is defined as transition metal element: carbon: nitrogen: oxygen = 1: x: y: z (provided that The number of atoms of the transition metal element is 0.5 <x ≦ 7, 0.01 <y ≦ 2, 0.1 when a plurality of transition metal elements are used.) <Z ≦ 3,
The mass ratio (A / B) of the content A of the electrode catalyst and the content B of the electron conductive material is 1 to 6,
The mass ratio (D / C) of the total content C of the electrode catalyst and the electron conductive material and the content D of the proton conductive material is 0.1 to 0.9. ink.
前記遷移金属元素の一部または全部が、チタン、鉄、ジルコニウム、銅、およびニオブから選ばれる少なくとも1種である請求項1に記載のインク。   The ink according to claim 1, wherein a part or all of the transition metal element is at least one selected from titanium, iron, zirconium, copper, and niobium. 前記遷移金属元素が、チタン、ジルコニウム、銅、およびニオブから選ばれる少なくとも1種および鉄からなる請求項1または請求項2に記載のインク。   The ink according to claim 1 or 2, wherein the transition metal element comprises at least one selected from titanium, zirconium, copper, and niobium and iron. 請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載のインクを用いて形成されることを特徴とする電極触媒層。   It forms using the ink as described in any one of Claims 1-3, The electrode catalyst layer characterized by the above-mentioned. 請求項4に記載の電極触媒層とガス拡散層とを有する電極。   An electrode comprising the electrode catalyst layer according to claim 4 and a gas diffusion layer. アノードと、請求項5に記載の電極であるカソードと、前記アノードおよびカソードの間に配置された電解質膜を有する膜電極接合体。   A membrane electrode assembly comprising: an anode; a cathode which is an electrode according to claim 5; and an electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode. 請求項6に記載の膜電極接合体を備えることを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 6. 請求項6に記載の膜電極接合体を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 6.
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