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JP2013164929A - Method of producing electrode catalyst for fuel cell - Google Patents

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JP2013164929A
JP2013164929A JP2012026448A JP2012026448A JP2013164929A JP 2013164929 A JP2013164929 A JP 2013164929A JP 2012026448 A JP2012026448 A JP 2012026448A JP 2012026448 A JP2012026448 A JP 2012026448A JP 2013164929 A JP2013164929 A JP 2013164929A
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catalyst
carbon film
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carbon
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JP2012026448A
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Tetsuo Kawamura
哲雄 河村
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】白金または白金合金からなる触媒粒子の触媒性能向上を図ることができる燃料電池用電極触媒の製造方法を提供する。
【解決手段】金属酸化物からなる担体粒子2に、白金または白金合金からなる触媒粒子5を担持した燃料電池用電極触媒1の製造方法である。担体粒子2の表面に、炭化水素系ガスと水蒸気とを加熱しながら接触させて、水蒸気改質反応により、担体粒子2の表面に炭化水素系ガスに由来した炭素からなるカーボン膜6を被覆する工程と、カーボン膜6のカーボンの結晶化を促進するように、カーボン膜が被覆された担体粒子2を加熱処理する工程と、を含む。
【選択図】図1
A method for producing an electrode catalyst for a fuel cell capable of improving the catalytic performance of catalyst particles made of platinum or a platinum alloy is provided.
A method for producing an electrode catalyst for a fuel cell in which catalyst particles made of platinum or a platinum alloy are supported on carrier particles made of a metal oxide. A hydrocarbon gas and water vapor are brought into contact with the surface of the carrier particles 2 while being heated, and a carbon film 6 made of carbon derived from the hydrocarbon gas is coated on the surface of the carrier particles 2 by a steam reforming reaction. And a step of heat-treating the carrier particles 2 coated with the carbon film so as to promote crystallization of carbon of the carbon film 6.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、金属酸化物からなる担体粒子に、白金または白金合金からなる触媒粒子を担持した触媒の製造方法に係り、特に、燃料電池を用いるに好適な電極触媒に関する。   The present invention relates to a method for producing a catalyst in which catalyst particles made of platinum or a platinum alloy are supported on carrier particles made of a metal oxide, and more particularly to an electrode catalyst suitable for use in a fuel cell.

従来、高分子電解質(固体高分子)型燃料電池の電極触媒のカソード及びアノード触媒としては、白金又は白金合金等の貴金属の触媒粒子をカーボンブラックなどの担体粒子に担持した触媒が用いられてきた。   Conventionally, as a cathode and an anode catalyst of an electrode catalyst of a polymer electrolyte (solid polymer) type fuel cell, a catalyst in which noble metal catalyst particles such as platinum or platinum alloy are supported on carrier particles such as carbon black has been used. .

たとえば、燃料電池用電極触媒である白金担持カーボンブラックは、塩化白金酸水溶液に、亜硫酸水素ナトリウムを加えた後、過酸化水素水と反応させ、生じた白金コロイドをカーボンブラックに担持させ、洗浄後、必要に応じて熱処理することにより作製されるのが一般的である。   For example, platinum-supported carbon black, which is an electrode catalyst for fuel cells, is obtained by adding sodium hydrogen sulfite to a chloroplatinic acid aqueous solution and then reacting it with hydrogen peroxide solution so that the resulting platinum colloid is supported on carbon black and washed. Generally, it is produced by heat treatment as necessary.

このようにして得られた白金担持カーボンブラックを利用して、高分子電解質型燃料電池の電極は、白金担持カーボンブラックを高分子電解質溶液に分散させてインクを調製し、そのインクをカーボンペーパーなどのガス拡散基材に塗布し、乾燥することにより作製される。この2枚の電極で高分子電解質膜を挟み、ホットプレスをすることにより電解質膜−電極接合体(MEA)が組立てられる。   Using the platinum-supported carbon black thus obtained, an electrode of a polymer electrolyte fuel cell is prepared by dispersing platinum-supported carbon black in a polymer electrolyte solution to prepare an ink. It is produced by applying to a gas diffusion substrate and drying. An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) is assembled by sandwiching a polymer electrolyte membrane between these two electrodes and performing hot pressing.

このような燃料電池用電極触媒として、たとえば、特許文献1には、白金又は白金合金からなる触媒粒子と、該触媒粒子を担持するカーボンからなる担体粒子と、該触媒粒子の被毒を緩和する酸化チタンなどの金属酸化物とを含む燃料電池用電極触媒が提案されている。   As such a fuel cell electrode catalyst, for example, Patent Document 1 discloses that catalyst particles made of platinum or a platinum alloy, carrier particles made of carbon supporting the catalyst particles, and poisoning of the catalyst particles are alleviated. A fuel cell electrode catalyst containing a metal oxide such as titanium oxide has been proposed.

また、特許文献2には、燃料電池用電極触媒としては、カーボン膜で被覆された酸化チタン粒子である担体粒子上に、白金または白金合金からなる触媒粒子が担持された燃料電池用電極触媒が提案されている。   Patent Document 2 discloses a fuel cell electrode catalyst in which catalyst particles made of platinum or a platinum alloy are supported on carrier particles, which are titanium oxide particles coated with a carbon film. Proposed.

さらに、特許文献2に記載の燃料電池用電極触媒は、以下のようにして作製される。まず、担体粒子カーボン膜で被覆された酸化チタン粒子(担体粒子)は、酸化チタン粒子とPVAとを混合してペーストを製作し、これを焼成して、粉砕することにより製作される。そして、カーボン膜で被覆された酸化チタン粒子を、エタノールおよび塩化白金酸溶液に投入し、加熱乾留して、酸化チタン粒子に白金粒子を担持させる。   Furthermore, the fuel cell electrode catalyst described in Patent Document 2 is produced as follows. First, titanium oxide particles (carrier particles) coated with a carrier particle carbon film are produced by mixing titanium oxide particles and PVA to produce a paste, firing it, and pulverizing it. Then, the titanium oxide particles coated with the carbon film are put into an ethanol and chloroplatinic acid solution, and heated and dry-distilled to carry the platinum particles on the titanium oxide particles.

特開2009−193956公報JP 2009-193957 A 特開2011−175772公報JP 2011-175773 A

しかしながら、特許文献1の如き燃料電池用電極触媒の場合には、その電極触媒の表面に、酸化チタンなどの金属酸化物が露呈しており、該金属酸化物は、カーボン(炭素)よりも導電性が低いため、白金担持カーボンからなる電極触媒に比べて、白金または白金合金からなる触媒粒子の触媒性能が低くなるおそれがあった。   However, in the case of a fuel cell electrode catalyst as disclosed in Patent Document 1, a metal oxide such as titanium oxide is exposed on the surface of the electrode catalyst, and the metal oxide is more conductive than carbon. Therefore, the catalyst performance of catalyst particles made of platinum or a platinum alloy may be lower than that of an electrode catalyst made of platinum-supported carbon.

そこで、特許文献2の如く、担体粒子の表面にカーボン膜を被覆することで、このような点が改善されると考えられるが、特許文献2に記載の担体粒子は、PVAを混合したペーストを焼成・破砕することにより作製されるため、被覆されるカーボン膜の膜厚にばらつきが生じ、部分的には担体粒子の金属酸化物が露呈するおそれがあった。これにより特許文献1と同様に、白金または白金合金からなる触媒粒子の触媒性能を十分に発揮することができないことがあった。   Therefore, it is considered that such a point can be improved by coating the surface of the carrier particles with a carbon film as in Patent Document 2, but the carrier particles described in Patent Document 2 are made of a paste mixed with PVA. Since it is produced by firing and crushing, there is a variation in the film thickness of the carbon film to be coated, and the metal oxide of the carrier particles may be partially exposed. Thereby, like patent document 1, the catalyst performance of the catalyst particle which consists of platinum or a platinum alloy cannot be fully exhibited.

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、白金または白金合金からなる触媒粒子の触媒性能向上を図ることができる燃料電池用電極触媒の製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a method for producing an electrode catalyst for a fuel cell capable of improving the catalyst performance of catalyst particles made of platinum or a platinum alloy. It is to provide.

発明者は、鋭意検討を重ねた結果、触媒粒子を担持する金属酸化物からなる担体粒子に、カーボン膜を均一に被覆することが重要であると考えた。そこで、発明者らは、水蒸気改質反応を利用することにより、担体粒子の表面にカーボン膜を均一に被覆し、その厚みをも制御できるとの新たな知見を得た。   As a result of intensive studies, the inventor has thought that it is important to uniformly coat a carbon film on carrier particles made of a metal oxide carrying catalyst particles. Thus, the inventors have obtained new knowledge that by utilizing the steam reforming reaction, the surface of the carrier particles can be uniformly coated with a carbon film and the thickness thereof can be controlled.

本発明は、発明者らのこの新たな知見に基づくものであり、本発明に係る燃料電池用電極触媒の製造方法は、金属酸化物からなる担体粒子に、白金または白金合金からなる触媒粒子を担持した燃料電池用電極触媒の製造方法であって、前記担体粒子の表面に、炭化水素系ガスを加熱しながら接触させて、水蒸気改質反応により、前記担体粒子の表面に前記炭化水素系ガスに由来した炭素からなるカーボン膜を被覆する工程と、該カーボン膜のカーボンの結晶化を促進するように、前記カーボン膜が被覆された担体粒子を加熱処理する工程と、を含むことを特徴とする。   The present invention is based on the inventors' new knowledge, and the method for producing an electrode catalyst for a fuel cell according to the present invention includes a catalyst particle made of platinum or a platinum alloy on carrier particles made of a metal oxide. A method for producing a supported electrode catalyst for a fuel cell, wherein a hydrocarbon gas is brought into contact with the surface of the support particles while being heated, and the hydrocarbon gas is applied to the surface of the support particles by a steam reforming reaction. And a step of heat-treating the carrier particles coated with the carbon film so as to promote crystallization of carbon in the carbon film. To do.

本発明によれば、まず、カーボン膜を被覆する工程において、前記担体粒子の表面に、炭化水素系ガスと水蒸気とを接触させながら、水蒸気改質反応が生じる温度まで、これらを加熱する。これにより、炭化水素系ガスに由来した炭素からなるカーボン膜が、担体粒子の表面に被覆される。   According to the present invention, first, in the step of coating the carbon film, the surface of the carrier particles is heated to a temperature at which a steam reforming reaction occurs while bringing a hydrocarbon gas and water vapor into contact with each other. Thereby, the carbon film which consists of carbon originating in hydrocarbon gas is coat | covered on the surface of a support particle.

このようにして、水蒸気改質反応を利用して、炭化水素ガスに由来した炭素が担体粒子の表面に析出し、これが、担体粒子の表面に被覆されるカーボン膜となるので、担体粒子の表面に均一にカーボン膜が被覆され、そのカーボン膜の厚みも略均一なものとなる。   In this way, the carbon derived from the hydrocarbon gas is deposited on the surface of the carrier particle by utilizing the steam reforming reaction, and this becomes a carbon film coated on the surface of the carrier particle. The carbon film is uniformly coated, and the thickness of the carbon film is substantially uniform.

ここで、得られたカーボン膜は、アモルファスカーボンからなる膜であり、導電性が結晶化したカーボンよりも低い。そこで、加熱処理工程において、カーボン膜のカーボンの結晶化を促進するように、前記カーボン膜が被覆された担体粒子を加熱処理する。これにより、カーボン膜の結晶化が促進され、カーボン膜に導電性を付与することができる。   Here, the obtained carbon film is a film made of amorphous carbon, and its conductivity is lower than that of crystallized carbon. Therefore, in the heat treatment step, the carrier particles coated with the carbon film are heat-treated so as to promote carbon crystallization of the carbon film. Thereby, crystallization of the carbon film is promoted, and conductivity can be imparted to the carbon film.

このようにして、担体粒子の表面に均一にカーボン膜が被覆されるので、これに担持される白金または白金合金からなる触媒粒子の触媒性能向上を図ることができる。さらに、後述するように、均一に被覆されたカーボン膜に担持された触媒粒子を担体粒子に接触させることにより、さらなる触媒性能の向上を図ることができる。   Thus, since the carbon film is uniformly coated on the surface of the carrier particles, it is possible to improve the catalyst performance of the catalyst particles made of platinum or a platinum alloy supported thereon. Furthermore, as described later, the catalyst performance can be further improved by bringing the catalyst particles supported on the uniformly coated carbon film into contact with the carrier particles.

ここで、上述した水蒸気改質反応を利用して得られた炭素により、カーボン膜を担体粒子の表面に被覆することができるのであれば、特に、カーボン膜を被覆する方法は限定されるものではない。しかしながら、より好ましい態様としては、前記カーボン膜を被覆する工程を行う前に、前記担体粒子の表面に、前記カーボンの結晶化を促進する材料として、Co、Fe、またはNiの少なくとも一種からな結晶化促進粒子を、担持する。   Here, the method of coating the carbon film is not particularly limited as long as the carbon film can be coated on the surface of the carrier particles with the carbon obtained using the steam reforming reaction described above. Absent. However, as a more preferable embodiment, before performing the step of coating the carbon film, a crystal made of at least one of Co, Fe, or Ni is used as a material for promoting the crystallization of the carbon on the surface of the carrier particles. The conversion promoting particles are supported.

この態様によれば、加熱処理において、結晶化促進粒子のCo、Fe、またはNiが、カーボン膜のアモルファスカーボンを結晶化させるための触媒として作用するため、担体粒子の表面に被覆されたカーボン膜のアモルファスカーボンからカーボンへの結晶化が促進され、カーボン膜の導電性を高めることができる。   According to this aspect, in the heat treatment, since the crystallization promoting particles Co, Fe, or Ni act as a catalyst for crystallizing the amorphous carbon of the carbon film, the carbon film coated on the surface of the carrier particles Crystallization from amorphous carbon to carbon is promoted, and the conductivity of the carbon film can be increased.

さらに、白金または白金合金からなる触媒粒子を担体粒子に担持するタイミングとしては、触媒粒子を担体粒子に担持できるのであれば、(1)カーボン膜を被覆し、加熱処理を行なった後、(2)カーボン膜を被覆する前、のいずれの場合であってもよい。   Furthermore, the timing of supporting the catalyst particles made of platinum or platinum alloy on the carrier particles is as long as the catalyst particles can be supported on the carrier particles. (1) After coating the carbon film and performing the heat treatment, (2 ) Any of the cases before coating the carbon film may be used.

より好ましい態様としては、前記加熱処理後に、前記担体粒子を被覆するカーボン膜の表面に、前記触媒粒子を担持し、該触媒粒子を担持した担体粒子を、酸素ガスを含む酸化雰囲気下で焼成することにより、前記カーボン膜の一部を酸化によりガス化して、前記触媒粒子を前記担体粒子の前記金属酸化物に接触させる。   As a more preferred embodiment, after the heat treatment, the catalyst particles are supported on the surface of the carbon film covering the support particles, and the support particles supporting the catalyst particles are baked in an oxidizing atmosphere containing oxygen gas. As a result, a part of the carbon film is gasified by oxidation, and the catalyst particles are brought into contact with the metal oxide of the carrier particles.

この態様によれば、触媒粒子を担体粒子のカーボン膜の表面に担持し、これを酸素ガス雰囲気下で焼成することにより、前記カーボン膜が部分酸化によりガス化する。この結果、触媒粒子が、カーボン膜に埋もれ、これが、下地となる担体粒子(金属酸化物)に接触することになる。このような結果、触媒粒子が担体粒子(金属酸化物)に接触するので、電極触媒の活性および耐久性を向上させることができる。   According to this aspect, the catalyst particles are supported on the surface of the carbon film of the carrier particles and fired in an oxygen gas atmosphere, whereby the carbon film is gasified by partial oxidation. As a result, the catalyst particles are buried in the carbon film and come into contact with the carrier particles (metal oxide) serving as the base. As a result, since the catalyst particles come into contact with the carrier particles (metal oxide), the activity and durability of the electrode catalyst can be improved.

また、別の好ましい態様としては、前記カーボン膜を被覆する工程の前に、前記担体粒子の表面に、前記触媒粒子を担持する。この場合も同様に、カーボン膜が被覆される前に、触媒粒子が担体粒子(金属酸化物)に接触するので、電極触媒の活性および耐久性を向上させることができる。   In another preferred embodiment, the catalyst particles are supported on the surface of the carrier particles before the step of coating the carbon film. In this case as well, since the catalyst particles come into contact with the carrier particles (metal oxide) before the carbon film is coated, the activity and durability of the electrode catalyst can be improved.

本発明によれば、白金または白金合金からなる触媒粒子の触媒性能向上を図ることができる。   According to the present invention, the catalyst performance of catalyst particles made of platinum or a platinum alloy can be improved.

本発明の第1実施形態にかかる燃料電池用電極触媒の製造方法を説明するための図であり、(a)は、担体粒子の表面に結晶化促進粒子を担持させる工程、(b)は、担体粒子の表面に水蒸気改質反応によりカーボン膜を被覆する工程、(c)は、被覆されたカーボン膜のカーボンの結晶化を促進するように担体粒子を加熱処理する工程、(d)は、担体粒子に白金粒子を担持する工程を説明する工程、(e)は、触媒粒子を担体粒子の金属酸化物に接触させる工程、を説明するための模式的概念図。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the electrode catalyst for fuel cells concerning 1st Embodiment of this invention, (a) is the process of making the surface of a support particle carry | support crystallization promotion particle | grains, (b) A step of coating the surface of the carrier particles with a carbon film by a steam reforming reaction, (c) is a step of heat-treating the carrier particles so as to promote carbon crystallization of the coated carbon film, and (d) FIG. 5 is a schematic conceptual diagram for explaining a step of supporting the platinum particles on the carrier particles, and (e) a step of bringing the catalyst particles into contact with the metal oxide of the carrier particles. 本発明の第2実施形態にかかる燃料電池用電極触媒の製造方法を説明するための図であり、(a)は、担体粒子に白金粒子を担持する工程を説明する工程、(b)は、担体粒子の表面に結晶化促進粒子を担持させる工程、(c)は、担体粒子の表面に水蒸気改質反応によりカーボン膜を被覆する工程、(d)は、被覆されたカーボン膜のカーボンの結晶化を促進するように担体粒子を加熱処理する工程、を説明するための模式的概念図。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the electrode catalyst for fuel cells concerning 2nd Embodiment of this invention, (a) is the process explaining the process which carry | supports platinum particle on a support particle, (b) A step of supporting the crystallization promoting particles on the surface of the carrier particles, (c) a step of coating the surface of the carrier particles with a carbon film by a steam reforming reaction, and (d) a carbon crystal of the coated carbon film. The typical conceptual diagram for demonstrating the process of heat-processing a carrier particle so that conversion may be accelerated | stimulated. (a)は、実施例1および2に係る燃料電池用電極触媒の模式的概念図であり、(b)は、比較例1に係る燃料電池用電極触媒の模式的概念図であり、(a)比較例2に係る燃料電池用電極触媒の模式的概念図。(A) is a schematic conceptual diagram of the electrode catalyst for fuel cells according to Examples 1 and 2, (b) is a schematic conceptual diagram of the electrode catalyst for fuel cell according to Comparative Example 1, (a) ) A schematic conceptual diagram of an electrode catalyst for a fuel cell according to Comparative Example 2.

以下の本発明に係る実施形態を説明する。
〔第1実施形態〕
図1は、本発明の第1実施形態にかかる燃料電池用電極触媒の製造方法を説明するための図であり、(a)は、担体粒子の表面に結晶化促進粒子を担持させる工程、(b)は、担体粒子の表面に水蒸気改質反応によりカーボン膜を被覆する工程、(c)は、被覆されたカーボン膜のカーボンの結晶化を促進するように担体粒子を加熱処理する工程、(d)は、担体粒子に白金粒子を担持する工程を説明する工程、(e)は、触媒粒子を担体粒子の金属酸化物に接触させる工程、を説明するための図である。
The following embodiments according to the present invention will be described.
[First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram for explaining a method for producing a fuel cell electrode catalyst according to a first embodiment of the present invention, wherein (a) is a step of supporting crystallization promoting particles on the surface of carrier particles; (b) is a step of coating the surface of the carrier particles with a carbon film by a steam reforming reaction, (c) is a step of heat-treating the carrier particles so as to promote carbon crystallization of the coated carbon film, d) is a diagram for explaining a step of supporting platinum particles on carrier particles, and (e) is a diagram for explaining a step of bringing catalyst particles into contact with metal oxides of carrier particles.

図1(a)に示すように、第1実施形態では、まず、担体粒子2の表面に結晶化促進粒子4を担持させる。金属酸化物からなる担体粒子2を準備する。担体粒子2は、触媒粒子5を担持するための粒子であり、触媒粒子5を担持できるとともに、それ自体が導電性を具備するである。   As shown in FIG. 1A, in the first embodiment, first, the crystallization promoting particles 4 are supported on the surfaces of the carrier particles 2. Carrier particles 2 made of a metal oxide are prepared. The carrier particles 2 are particles for supporting the catalyst particles 5, can support the catalyst particles 5, and themselves have conductivity.

ここでは、担体粒子2は、金属酸化物からなり、金属酸化物としては、酸化イリジウム、酸化ジルコニウム、酸化タングステン、酸化亜鉛、酸化バナジウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化チタン(TiO,Ti)、酸化ニオブ、酸化シリコン及び酸化スズから選択される遷移金属酸化物の1種以上が好ましく例示される。ここで、担体粒子2は、粒径が5〜500nmの範囲が好ましく、さらに、酸化物のBET法により測定される比表面積は、10〜200m/gの範囲にあることが好ましい。 Here, the carrier particles 2 are made of a metal oxide. Examples of the metal oxide include iridium oxide, zirconium oxide, tungsten oxide, zinc oxide, vanadium oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, and titanium oxide (TiO 2 , Ti 4 O). 7 ), one or more transition metal oxides selected from niobium oxide, silicon oxide and tin oxide are preferably exemplified. Here, the carrier particles 2 preferably have a particle size in the range of 5 to 500 nm, and the specific surface area of the oxide measured by the BET method is preferably in the range of 10 to 200 m 2 / g.

このような担体粒子2の表面に、後述するカーボンの結晶化を促進する材料として、Co、Fe、またはNiの少なくとも一種からな結晶化促進粒子4を担持する。具体的には、結晶化促進粒子4を、Co、Fe、またはNiがイオン化した酸水溶液に投入し、これを蒸発および乾固させることにより、担体粒子2の表面に結晶化促進粒子4を担持することができる。   On the surface of such carrier particles 2, crystallization promoting particles 4 made of at least one of Co, Fe, or Ni are supported as a material for promoting the crystallization of carbon described later. Specifically, the crystallization promoting particles 4 are loaded on an acid aqueous solution in which Co, Fe, or Ni is ionized, and evaporated and dried, thereby supporting the crystallization promoting particles 4 on the surfaces of the carrier particles 2. can do.

図1(b)に示すように、結晶化促進粒子4が担持された担体粒子2の表面に、炭化水素系ガスと水蒸気とを加熱しながら接触させて、水蒸気改質反応により、担体粒子2の表面に炭化水素系ガスに由来した炭素からなるカーボン膜6を被覆する。   As shown in FIG. 1 (b), the carrier particles 2 on which the crystallization promoting particles 4 are supported are brought into contact with the surface of the carrier particles 2 while heating a hydrocarbon-based gas and water vapor, and the carrier particles 2 are subjected to a steam reforming reaction. A carbon film 6 made of carbon derived from a hydrocarbon-based gas is coated on the surface.

具体的には、反応容器内に、図1(a)で説明した、結晶化促進粒子4が担持された担体粒子2を敷き詰めて、不活性ガスを導入すると共に反応容器内を加熱する。そして、反応容器内の温度を加熱した温度に保持し、水素ガス、水蒸気、炭化水素ガスの順に、ガスを流通させる。これにより、水蒸気改質反応を利用して、炭化水素ガスに由来した炭素を担体粒子2の表面に析出させ、この析出した炭素が、担体粒子2の表面に被覆されるカーボン膜6となるので、担体粒子2の表面に均一にカーボン膜6が被覆され、そのカーボン膜6の厚みも略均一なものとなる。   Specifically, the carrier particles 2 carrying the crystallization promoting particles 4 described in FIG. 1A are spread in the reaction vessel, the inert gas is introduced, and the inside of the reaction vessel is heated. And the temperature in reaction container is hold | maintained at the heated temperature, and gas is distribute | circulated in order of hydrogen gas, water vapor | steam, and hydrocarbon gas. As a result, the carbon derived from the hydrocarbon gas is deposited on the surface of the carrier particle 2 by utilizing the steam reforming reaction, and the deposited carbon becomes the carbon film 6 coated on the surface of the carrier particle 2. The carbon film 6 is uniformly coated on the surface of the carrier particle 2, and the thickness of the carbon film 6 becomes substantially uniform.

なお、炭化水素系ガスとしては、メタンガス、メチレン、エチレンガス、アセチレンガス、等を挙げることができ、水蒸気改質反応により、担体粒子2の表面に炭素を析出することができるものであれば、特に炭化水素系ガスの種類は限定されるものではない。   Examples of the hydrocarbon-based gas include methane gas, methylene, ethylene gas, acetylene gas, and the like. As long as carbon can be deposited on the surface of the carrier particle 2 by the steam reforming reaction, In particular, the type of hydrocarbon gas is not limited.

さらに、カーボン膜6の膜厚は、後述する触媒粒子5の表面が、担体粒子2の表面に接触した状態(図1e)で、触媒粒子5が燃料電池用電極触媒の表面から露出することができる厚さにすることが望ましい。従って、カーボン膜6の厚さは、カーボン膜6の導電性および後述する触媒粒子5の粒径等を考慮すると、平均0.2〜2nmの範囲が好ましく、水蒸気改質反応の反応時間、反応温度、および炭化水素ガスおよび水蒸気の濃度を調整することにより、この範囲にすることができる。   Further, the carbon film 6 has a film thickness such that the catalyst particles 5 are exposed from the surface of the fuel cell electrode catalyst in a state where the surfaces of the catalyst particles 5 described later are in contact with the surfaces of the carrier particles 2 (FIG. 1e). It is desirable to make it as thick as possible. Accordingly, the thickness of the carbon film 6 is preferably in the range of 0.2 to 2 nm on average considering the conductivity of the carbon film 6 and the particle size of the catalyst particles 5 described later, and the reaction time and reaction of the steam reforming reaction This range can be achieved by adjusting the temperature and the concentration of hydrocarbon gas and water vapor.

ここで、得られたカーボン膜6は、アモルファスカーボンからなる膜であり、導電性が結晶化したカーボンよりも低い。そこで、図1(c)に示すように、カーボン膜6のカーボンの結晶化を促進するように、カーボン膜6が被覆された担体粒子2を、アルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気下(水素ガスまたは窒素ガスなどの非酸化ガス雰囲気下)で、800℃〜1000℃の温度範囲で加熱処理する。ここで、結晶化促進粒子4のCo、Fe、またはNiが、カーボン膜6のアモルファスカーボンを結晶化させるための触媒として作用するため、この温度範囲内で加熱処理を行なうことにより、担体粒子2の表面に被覆されたカーボン膜6のアモルファスカーボンからカーボンへの結晶化が促進され、カーボン膜6の導電性を高めることができる。   Here, the obtained carbon film 6 is a film made of amorphous carbon, and its conductivity is lower than that of crystallized carbon. Therefore, as shown in FIG. 1C, the carrier particles 2 coated with the carbon film 6 are placed under an inert gas atmosphere such as argon gas (hydrogen gas) so as to promote carbon crystallization of the carbon film 6. Alternatively, heat treatment is performed in a temperature range of 800 ° C. to 1000 ° C. in a non-oxidizing gas atmosphere such as nitrogen gas. Here, since Co, Fe, or Ni of the crystallization promoting particles 4 acts as a catalyst for crystallizing the amorphous carbon of the carbon film 6, the carrier particles 2 are obtained by performing the heat treatment within this temperature range. The crystallization of the carbon film 6 covered on the surface of the carbon film 6 from amorphous carbon to carbon is promoted, and the conductivity of the carbon film 6 can be increased.

次に、図1(d)に示すように、白金からなる触媒粒子5を、当業界で慣用される様々な方法を用いて担体に担持する。たとえば、純水に塩化白金酸6水和物を、所定の質量%となるように添加した溶液に、担体粒子2を浸漬し、ホルムアルデヒドで白金を還元することにより、触媒粒子5を担持することができる。   Next, as shown in FIG. 1 (d), the catalyst particles 5 made of platinum are supported on a carrier using various methods commonly used in the art. For example, the catalyst particles 5 are supported by immersing the carrier particles 2 in a solution obtained by adding chloroplatinic acid hexahydrate to pure water so as to have a predetermined mass%, and reducing platinum with formaldehyde. Can do.

本実施形態に係る燃料電池用電極触媒1において使用される触媒粒子5は、白金および遷移金属からなる白金合金であってもよい。白金は高価な貴金属であり、アノード触媒、カソード触媒ともに、少ない担持量で十分な性能を発揮させることが好ましい。本実施形態にかかる燃料電池用電極触媒において、白金および種々の遷移金属からなる合金触媒を用いることにより、触媒活性を損なうことなく白金使用量を削減することが可能となる。   The catalyst particles 5 used in the fuel cell electrode catalyst 1 according to the present embodiment may be a platinum alloy made of platinum and a transition metal. Platinum is an expensive noble metal, and it is preferable that both the anode catalyst and the cathode catalyst exhibit sufficient performance with a small amount of support. In the fuel cell electrode catalyst according to the present embodiment, by using an alloy catalyst made of platinum and various transition metals, it is possible to reduce the amount of platinum used without impairing the catalytic activity.

本実施形態において、白金合金を構成する遷移金属としては、以下:ルテニウム(Ru)、モリブデン(Mo)、オスニウム(Os)、コバルト(Co)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、タングステン(W)、パラジウム(Pd)、レニウム(Re)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、銅(Cu)、及び金(Au);から選択される1種以上であるものが好ましく例示される。   In the present embodiment, the transition metal constituting the platinum alloy includes the following: ruthenium (Ru), molybdenum (Mo), osnium (Os), cobalt (Co), rhodium (Rh), iridium (Ir), iron (Fe ), Nickel (Ni), titanium (Ti), tungsten (W), palladium (Pd), rhenium (Re), chromium (Cr), manganese (Mn), niobium (Nb), tantalum (Ta), copper (Cu) And at least one selected from gold (Au).

白金又は白金合金の担持密度は、電極触媒の総重量に対する担持された白金又は白金合金の重量%で定義される。かかる担持密度は、白金の場合には、白金重量/(白金重量+担体重量)×100の計算式により算出される。また、白金合金の場合には、(白金重量+遷移金属重量)/(白金重量+遷移金属重量+担体重量)×100の計算式により算出される。本実施形態の燃料電池用電極触媒において、白金又は白金合金の担持密度は5〜60重量%であることが好ましい。   The supported density of platinum or platinum alloy is defined as the weight percentage of the supported platinum or platinum alloy based on the total weight of the electrode catalyst. In the case of platinum, the carrying density is calculated by the following formula: platinum weight / (platinum weight + carrier weight) × 100. In the case of a platinum alloy, it is calculated by the formula of (platinum weight + transition metal weight) / (platinum weight + transition metal weight + support weight) × 100. In the fuel cell electrode catalyst of the present embodiment, the supported density of platinum or platinum alloy is preferably 5 to 60% by weight.

白金合金の組成は、担持された白金合金の総重量に対する白金及び/又は遷移金属の重量%で定義される。かかる組成は、白金重量/(白金重量+遷移金属重量)×100の計算式により算出される。本実施形態の燃料電池用電極触媒において、白金合金の組成は白金が50〜95重量%に対して遷移金属が5〜50重量%であることが好ましい。   The composition of the platinum alloy is defined as the weight percentage of platinum and / or transition metal relative to the total weight of the supported platinum alloy. Such a composition is calculated by a formula of platinum weight / (platinum weight + transition metal weight) × 100. In the fuel cell electrode catalyst of the present embodiment, the platinum alloy composition is preferably 50 to 95% by weight of platinum and 5 to 50% by weight of transition metal.

次に、図1(e)に示すように、触媒粒子5を担持した担体粒子2を、酸素ガスを含む酸化雰囲気下で焼成することにより、カーボン膜6の一部を酸化によりガス化して、触媒粒子5を担体粒子2の金属酸化物に接触させる。具体的には、大気中の酸素濃度よりも低い酸素濃度(たとえば1000ppm)を含有した不活性ガス中で、200℃程度の低温で、触媒粒子5が担持された担体粒子2を、加熱する。これにより、本実施形態に係る燃料電池用電極触媒1を得ることができる。   Next, as shown in FIG. 1 (e), a part of the carbon film 6 is gasified by oxidation by firing the carrier particles 2 carrying the catalyst particles 5 in an oxidizing atmosphere containing oxygen gas, The catalyst particles 5 are brought into contact with the metal oxide of the support particles 2. Specifically, the carrier particles 2 on which the catalyst particles 5 are supported are heated in an inert gas containing an oxygen concentration lower than the oxygen concentration in the atmosphere (for example, 1000 ppm) at a low temperature of about 200 ° C. Thereby, the electrode catalyst 1 for fuel cells which concerns on this embodiment can be obtained.

このようにして、触媒粒子5を担体粒子2のカーボン膜6の表面に担持し、これを酸素ガス雰囲気下で焼成することにより、前記カーボン膜6が部分酸化によりガス化するので、触媒粒子5が、カーボン膜6に埋もれ、これが、下地となる担体粒子(金属酸化物)2に接触することになる。このような結果、触媒粒子5が担体粒子(金属酸化物)2に接触するので、電極触媒の活性および耐久性を向上させることができる。   In this way, the catalyst particles 5 are supported on the surface of the carbon film 6 of the carrier particles 2 and calcined in an oxygen gas atmosphere, whereby the carbon film 6 is gasified by partial oxidation. However, it is buried in the carbon film 6 and comes into contact with the carrier particles (metal oxide) 2 serving as a base. As a result, since the catalyst particles 5 come into contact with the support particles (metal oxide) 2, the activity and durability of the electrode catalyst can be improved.

〔第2実施形態〕
図2は、本発明の第2実施形態にかかる燃料電池用電極触媒の製造方法を説明するための図であり、(a)は、担体粒子に白金粒子を担持する工程を説明する工程、(b)は、担体粒子の表面に結晶化促進粒子を担持させる工程、(c)は、担体粒子の表面に水蒸気改質反応によりカーボン膜を被覆する工程、(d)は、被覆されたカーボン膜のカーボンの結晶化を促進するように担体粒子を加熱処理する工程、を説明するための図である。
[Second Embodiment]
FIG. 2 is a diagram for explaining a method for producing a fuel cell electrode catalyst according to a second embodiment of the present invention, wherein (a) is a step for explaining a step of supporting platinum particles on carrier particles; b) is a step of supporting crystallization promoting particles on the surface of the carrier particles, (c) is a step of coating the surface of the carrier particles with a carbon film by a steam reforming reaction, and (d) is a coated carbon film. It is a figure for demonstrating the process of heat-processing a carrier particle so that crystallization of carbon may be accelerated | stimulated.

第2実施形態が、第1実施形態と相違する点は、担体粒子にカーボン膜を被覆する前に、触媒粒子を担体粒子に被覆する点である。具体的には、図2(a)に示すように、第1実施形態に示した担体粒子と同じ担体粒子を準備し、図1(d)の説明で示した方法と同様の方法で、担体粒子2に白金からなる触媒粒子5を担持する。   The second embodiment is different from the first embodiment in that the catalyst particles are coated on the carrier particles before the carrier particles are coated with the carbon film. Specifically, as shown in FIG. 2 (a), the same carrier particles as the carrier particles shown in the first embodiment are prepared, and the carrier is prepared in the same manner as the method shown in FIG. 1 (d). The particles 2 carry catalyst particles 5 made of platinum.

次に、図2(b)に示すように、触媒粒子5が担持された担体粒子2の表面に、図1(a)の説明で示した方法と同様の方法で、結晶化促進粒子4をさらに担持する。   Next, as shown in FIG. 2 (b), the crystallization promoting particles 4 are formed on the surfaces of the carrier particles 2 on which the catalyst particles 5 are supported by the same method as described in FIG. 1 (a). Furthermore, it carries.

次に、図2(c)に示すように、結晶化促進粒子4が担持された担体粒子2の表面に、図1(b)の説明で示した方法と同様の方法で、炭化水素系ガスと水蒸気とを加熱しながら接触させて、水蒸気改質反応により、担体粒子2の表面21に炭化水素系ガスに由来した炭素からなるカーボン膜6を被覆する。この際に、結晶化促進粒子4に含まれる金属と、触媒粒子の白金とが合金化するため、燃料電池用電極触媒の比活性(SA)が向上する。   Next, as shown in FIG. 2 (c), a hydrocarbon-based gas is formed on the surface of the carrier particle 2 on which the crystallization promoting particles 4 are supported by the same method as the method shown in FIG. 1 (b). The carbon film 6 made of carbon derived from the hydrocarbon gas is coated on the surfaces 21 of the carrier particles 2 by a steam reforming reaction. At this time, the metal contained in the crystallization promoting particles 4 and the platinum of the catalyst particles are alloyed, so that the specific activity (SA) of the fuel cell electrode catalyst is improved.

最後に、図2(d)に示すようにして、カーボン膜6のカーボンの結晶化を促進するように、カーボン膜6が被覆された担体粒子2を、アルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気下で、加熱処理する。これにより、本実施形態に係る燃料電池用電極触媒1を得ることができる。   Finally, as shown in FIG. 2 (d), the carrier particles 2 coated with the carbon film 6 are placed under an inert gas atmosphere such as argon gas so as to promote the crystallization of the carbon of the carbon film 6. , Heat treatment. Thereby, the electrode catalyst 1 for fuel cells which concerns on this embodiment can be obtained.

このようにして、第2実施形態の場合には、第1実施形態の如く低温加熱により、触媒粒子を担体粒子の金属酸化物に接触させる工程を経ることなく(図2(b))、得られた燃料電池用電極触媒1は、図2(a)に示す工程で、担体粒子2の金属酸化物に触媒粒子5を接触させることができる。これにより、第1実施形態と同様に、電極触媒の活性および耐久性を向上させることができる。さらに、結晶化促進粒子に含まれる金属(例えばCo)と、触媒粒子の白金とが、上述した加熱処理により合金化するため、燃料電池用電極触媒の比活性(SA)が第1実施形態のものに比べてさらに向上する。   Thus, in the case of the second embodiment, the catalyst particles are brought into contact with the metal oxides of the carrier particles by low-temperature heating as in the first embodiment (FIG. 2B). The obtained fuel cell electrode catalyst 1 can bring the catalyst particles 5 into contact with the metal oxide of the carrier particles 2 in the step shown in FIG. Thereby, similarly to 1st Embodiment, the activity and durability of an electrode catalyst can be improved. Furthermore, since the metal (for example, Co) contained in the crystallization promoting particles and the platinum of the catalyst particles are alloyed by the heat treatment described above, the specific activity (SA) of the fuel cell electrode catalyst is the same as that of the first embodiment. It is further improved compared to things.

本発明を以下の実施例に基づいて説明する。
(実施例1)
実施例1では、上述した第1実施形態により、燃料電池用電極触媒を作製した。具体的には、以下の(1)〜(6)に示す手順で、燃料電池用電極触媒を作製した。
(1)粒径16nm、比表面積100m/gの酸化チタン(TiO)からなる担体粒子の表面に、硝酸コバルトを用いて、得られる電極触媒に対してコバルト2.0質量%となるように、コバルトからなる結晶化促進粒子を蒸発乾固により担持させ、乳鉢およびブレンダーで粉砕した。これにより、結晶化促進粒子(Co粒子)が担持された担体粒子(TiO粒子)からなるCo/TiO粉末を得た。
(2)(1)で得られたCo/TiO粉末を、管型流通反応器に薄く敷き詰め、Arガスを6.36×10−4mol/s流し、反応容器内を773Kにまで昇温させてから、水素ガス(H)1.61×10−6mol、水蒸気(HO)7.87×10−5mol、メタンガス(CH)7.87×10−5molの順にガスを60分間流通し、担体粒子にメタンガス由来の炭素からなるカーボン膜を被覆した。
(3)(2)で得られたカーボン膜が被覆された担体粒子を、アルゴン雰囲気中で、800℃、2時間保持して加熱処理を行った。これにより、カーボン膜のカーボンの結晶化を促進し、導電性を高めた。
(4)(3)で得られたカーボン膜が被覆された担体粒子を純水に分散させ、担持されるPt粒子が得られる電極触媒に対して15質量%となるように、塩化白金酸6水和物を添加した。次に、ホルムアルデヒドで白金を還元することにより、白金からなる触媒粒子(Pt粒子)を、担体粒子に被覆されたカーボン膜の表面に担持させて、電極触媒を得た。
(5)(4)で得られた電極触媒を、アルゴンガスに酸素ガスが1000ppmとなるように混合した酸化ガス雰囲気下で、200℃で30分間保持し、これを焼成することにより、カーボン膜の一部を酸化によりガス化して、Pt粒子をTiO粒子のTiOに接触させた。
(6)アルゴンガスに水素ガス21体積%となるように混合したガス雰囲気下で、(5)で得られた電極触媒を400℃、1時間保持して加熱した。
The present invention will be described based on the following examples.
Example 1
In Example 1, an electrode catalyst for a fuel cell was produced according to the first embodiment described above. Specifically, an electrode catalyst for a fuel cell was produced according to the procedure shown in the following (1) to (6).
(1) Cobalt nitrate is used on the surface of carrier particles made of titanium oxide (TiO 2 ) having a particle size of 16 nm and a specific surface area of 100 m 2 / g so that the amount of cobalt is 2.0% by mass with respect to the obtained electrode catalyst. Then, crystallization promoting particles made of cobalt were supported by evaporation to dryness and pulverized with a mortar and blender. As a result, a Co / TiO 2 powder composed of carrier particles (TiO 2 particles) carrying crystallization promoting particles (Co particles) was obtained.
(2) The Co / TiO 2 powder obtained in (1) is spread thinly in a tubular flow reactor, Ar gas is allowed to flow at 6.36 × 10 −4 mol / s, and the temperature in the reaction vessel is increased to 773K. Gas, hydrogen gas (H 2 ) 1.61 × 10 −6 mol, water vapor (H 2 O) 7.87 × 10 −5 mol, methane gas (CH 4 ) 7.87 × 10 −5 mol in this order. For 60 minutes to coat the carrier particles with a carbon film made of carbon derived from methane gas.
(3) The carrier particles coated with the carbon film obtained in (2) were heated in an argon atmosphere by holding at 800 ° C. for 2 hours. This promoted carbon crystallization of the carbon film and increased conductivity.
(4) The carrier particles coated with the carbon film obtained in (3) are dispersed in pure water so that the supported Pt particles are 15% by mass with respect to the obtained electrode catalyst. Hydrate was added. Next, by reducing platinum with formaldehyde, catalyst particles (Pt particles) made of platinum were supported on the surface of a carbon film coated with carrier particles to obtain an electrode catalyst.
(5) The electrode catalyst obtained in (4) is held at 200 ° C. for 30 minutes in an oxidizing gas atmosphere in which oxygen gas is mixed with argon gas so that the oxygen gas becomes 1000 ppm. partially gasified by the oxidation of, contacting the Pt particles of TiO 2 TiO 2 particles.
(6) The electrode catalyst obtained in (5) was heated at 400 ° C. for 1 hour in a gas atmosphere in which argon gas was mixed with 21% by volume of hydrogen gas.

このようにして、上述した(1)〜(6)に示す手順により、図3(a)に示すように、TiO粒子の表面に、導電性を有したカーボン膜が被覆され、さらに、TiO粒子の表面に接触するようにPt粒子が担持された電極触媒を得た。 Thus, according to the procedure shown in the above (1) to (6), as shown in FIG. 3A, the surface of the TiO 2 particles is coated with a carbon film having conductivity, and further, TiO 2 An electrode catalyst carrying Pt particles so as to come into contact with the surface of the two particles was obtained.

(実施例2)
実施例2では、上述した第2実施形態により、燃料電池用電極触媒を作製した。具体的には、以下の(1)〜(4)に示す手順で、燃料電池用電極触媒を作製した。
(1)粒径16nm、比表面積100m/gの酸化チタン(TiO)からなる担体粒子を純水に分散させ、担体粒子の表面に担持されるPt粒子が得られる電極触媒に対して15質量%となるように、塩化白金酸6水和物を添加した。次に、ホルムアルデヒドで白金を還元することにより、白金からなる触媒粒子(Pt粒子)を、担体粒子の表面に担持させた。
(2)(1)で得られたPt粒子が担持された担体粒子を、硝酸コバルトを用いて、得られる電極触媒に対してコバルト2.0質量%となるように、コバルトからなる結晶化促進粒子を蒸発乾固により担持させ、乳鉢およびブレンダーで粉砕した。これにより、触媒粒子(Pt粒子)および結晶化促進粒子(Co粒子)が担持された担体粒子(TiO粒子)からなる粉末を得た。
(3)(2)で得られた粉末を、管型流通反応器に薄く敷き詰め、Arガスを6.36×10−4mol/s流し、反応容器内を773Kにまで昇温させてから、水素ガス(H)1.61×10−6mol、水蒸気(HO)7.87×10−5mol、メタンガス(CH)7.91×10−5molの順にガスを60分間流通し、担体粒子にカーボン膜を被覆した。
(4)(3)で得られたカーボン膜が被覆されたPt粒子が担持された担体粒子を、アルゴン雰囲気中で、800℃、2時間保持して加熱処理を行った。これにより、カーボン膜のカーボンの結晶化を促進し、導電性を高めた。
(Example 2)
In Example 2, an electrode catalyst for a fuel cell was produced according to the second embodiment described above. Specifically, an electrode catalyst for a fuel cell was produced by the procedure shown in the following (1) to (4).
(1) A carrier particle made of titanium oxide (TiO 2 ) having a particle size of 16 nm and a specific surface area of 100 m 2 / g is dispersed in pure water, so that the Pt particle supported on the surface of the carrier particle is 15 Chloroplatinic acid hexahydrate was added so that it might become the mass%. Next, the catalyst particles (Pt particles) made of platinum were supported on the surface of the carrier particles by reducing platinum with formaldehyde.
(2) Crystallization promotion consisting of cobalt so that the carrier particles carrying the Pt particles obtained in (1) may be 2.0% by mass with respect to the obtained electrode catalyst using cobalt nitrate. The particles were supported by evaporation to dryness and pulverized with a mortar and blender. As a result, a powder composed of carrier particles (TiO 2 particles) carrying catalyst particles (Pt particles) and crystallization promoting particles (Co particles) was obtained.
(3) After the powder obtained in (2) is spread thinly in a tubular flow reactor, Ar gas is allowed to flow at 6.36 × 10 −4 mol / s, and the temperature in the reaction vessel is increased to 773 K. Hydrogen gas (H 2 ) 1.61 × 10 −6 mol, water vapor (H 2 O) 7.87 × 10 −5 mol, methane gas (CH 4 ) 7.91 × 10 −5 mol in this order for 60 minutes. Then, the carrier particles were coated with a carbon film.
(4) The carrier particles carrying the Pt particles coated with the carbon film obtained in (3) were heated at 800 ° C. for 2 hours in an argon atmosphere. This promoted carbon crystallization of the carbon film and increased conductivity.

このようにして、上述した(1)〜(4)に示す手順により、実施例1と同様に、TiO粒子の表面に、導電性を有したカーボン膜が被覆され、さらに、TiO粒子の表面に接触するようにPt粒子が担持された燃料電池用電極触媒を得た(図3(a)参照)。 Thus, according to the procedure shown in the above (1) to (4), similarly to Example 1, the surface of the TiO 2 particles is coated with the carbon film having conductivity, and the TiO 2 particles A fuel cell electrode catalyst carrying Pt particles so as to be in contact with the surface was obtained (see FIG. 3A).

(比較例1)
比較例1では、以下の(1)および(2)に示す手順で、燃料電池用電極触媒を作製した。
(1)カーボンブラックとして比表面積800m/gのKetjen Black EC 300である担体粒子(カーボン粒子)を純水に分散させ、担体粒子の表面に、担持されるPt粒子が得られる電極触媒に対して15質量%となるように塩化白金酸6水和物を添加した。次に、ホルムアルデヒドで白金を還元することにより、白金からなる触媒粒子(Pt粒子)を、担体粒子の表面に担持させた。
(2)(1)で得られたPt粒子が担持された担体粒子(白金担持カーボン粒子)を、アルゴン雰囲気中で、400℃、2時間保持して加熱処理を行った。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, a fuel cell electrode catalyst was prepared according to the following procedures (1) and (2).
(1) Support particles (carbon particles) of Ketjen Black EC 300 having a specific surface area of 800 m 2 / g as carbon black are dispersed in pure water, and on the surface of the support particles, an electrocatalyst that provides supported Pt particles is obtained. The chloroplatinic acid hexahydrate was added so that it might become 15 mass%. Next, the catalyst particles (Pt particles) made of platinum were supported on the surface of the carrier particles by reducing platinum with formaldehyde.
(2) The carrier particles (platinum-carrying carbon particles) carrying the Pt particles obtained in (1) were heated at 400 ° C. for 2 hours in an argon atmosphere.

このようにして、上述した(1)および(2)に示す手順により、カーボン粒子の表面に、Pt粒子が担持された燃料電池用電極触媒を得た(図3(b)参照)。   Thus, a fuel cell electrode catalyst in which Pt particles were supported on the surface of carbon particles was obtained by the procedure shown in (1) and (2) described above (see FIG. 3B).

(比較例2)
比較例2では、以下の(1)および(2)に示す手順で、燃料電池用電極触媒を作製した。
(1)粒径16nm、比表面積100m/gの酸化チタン(TiO)からなる担体粒子を純水に分散させ、カーボン膜が被覆された担体粒子の表面に、担持されるPt粒子が得られる電極触媒に対して15質量%となるように、塩化白金酸6水和物を添加した。次に、ホルムアルデヒドで白金を還元することにより、白金からなる触媒粒子(Pt粒子)を、担体粒子の表面に担持させた。
(2)(1)で得られたPt粒子が担持された担体粒子(白金担持TiO粒子)を、アルゴン雰囲気中で、400℃、2時間保持して加熱処理を行った。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, a fuel cell electrode catalyst was produced according to the following procedures (1) and (2).
(1) Carrier particles made of titanium oxide (TiO 2 ) having a particle size of 16 nm and a specific surface area of 100 m 2 / g are dispersed in pure water to obtain supported Pt particles on the surface of the carrier particles coated with a carbon film. Chloroplatinic acid hexahydrate was added so that it might be 15 mass% with respect to the electrode catalyst obtained. Next, the catalyst particles (Pt particles) made of platinum were supported on the surface of the carrier particles by reducing platinum with formaldehyde.
(2) The carrier particles (platinum-supported TiO 2 particles) on which the Pt particles obtained in (1) were supported were heated at 400 ° C. for 2 hours in an argon atmosphere.

このようにして、上述した(1)および(2)に示す手順により、TiO粒子の表面に、Pt粒子が担持された燃料電池用電極触媒を得た(図3(c)参照)。 Thus, a fuel cell electrode catalyst in which Pt particles were supported on the surface of TiO 2 particles was obtained by the procedure shown in (1) and (2) described above (see FIG. 3C).

(電極触媒の評価試験)
RDE電極に、実施例1および2、比較例1および2に係る燃料電池用電極触媒を塗布して、以下に示す電気化学的な評価を行った。
(Electrocatalyst evaluation test)
The RDE electrode was coated with the fuel cell electrode catalyst according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, and the following electrochemical evaluation was performed.

<初期性能試験>
窒素ガスが飽和した状態おける0.1M HClOにRDE電極を浸漬し、温度27℃、50mV/secの条件で、CV測定を実施し、この結果から、Pt表面積であるECA(m/g−Pt)を算出した。この結果を以下の表1に示す。
<Initial performance test>
The RDE electrode was immersed in 0.1 M HClO 4 saturated with nitrogen gas, and CV measurement was carried out under the conditions of a temperature of 27 ° C. and 50 mV / sec. From this result, ECA (m / g− Pt) was calculated. The results are shown in Table 1 below.

酸素ガスが飽和した状態における0.1M HClOにRDE電極を親戚し、温度27℃、10mV/sec、1600trpmの条件で、LSV測定を実施し、この結果から、Pt質量活性であるMA(A/g−Pt)、Pt比活性であるSA(A/m−Pt)を算出した。この結果を以下の表1に示す。 The RDE electrode was closely related to 0.1M HClO 4 in a state in which oxygen gas was saturated, and LSV measurement was performed under conditions of a temperature of 27 ° C., 10 mV / sec, and 1600 trpm. From this result, MA (A / g-Pt), was calculated SA (a / m 2 -Pt) is Pt specific activity. The results are shown in Table 1 below.

<耐久性能試験>
窒素ガスが飽和した状態おける0.1M HClOにRDE電極を浸漬し、温度27℃、50mV/sec、0.4−1.2(V.vsRHE)の条件でCV測定を5000サイクル行った。上述したCV測定、LSV測定と同様の測定を行い、これらの結果からECA維持率(5000サイクル後のECA)/(初期のECA)×100%を算出した。この結果を以下の表1に示す。
<Durability test>
The RDE electrode was immersed in 0.1 M HClO 4 saturated with nitrogen gas, and CV measurement was performed for 5000 cycles under the conditions of a temperature of 27 ° C., 50 mV / sec, and 0.4-1.2 (V. vs. RHE). Measurements similar to the CV measurement and LSV measurement described above were performed, and the ECA maintenance rate (ECA after 5000 cycles) / (initial ECA) × 100% was calculated from these results. The results are shown in Table 1 below.

Figure 2013164929
Figure 2013164929

(結果)
実施例1および2の電極触媒は、比較例2のものに比べて、質量活性(MA)が高かった。さらに、実施例1および2の電極触媒は、比較例1のものに比べて、ECA維持率が高く、耐久性が高かった。
(result)
The electrocatalysts of Examples 1 and 2 had higher mass activity (MA) than that of Comparative Example 2. Furthermore, the electrocatalysts of Examples 1 and 2 had a higher ECA maintenance rate and higher durability than those of Comparative Example 1.

以上のことから、実施例1および2の場合には、比較例2に比べて質量活性(MA)が高いことから、担体粒子に担持すべき触媒粒子(Pt粒子)の量が比較例2よりも少量で、触媒の性能を高めることができると考えられる。なお、比活性(SA)やECAが高いと質量活性が向上するところ、実施例1の電極触媒は、比較例1のものに比べ、比活性(SA)は高いが、ECAが低いため質量活性は同等になったと考えられる。   From the above, in Examples 1 and 2, since the mass activity (MA) is higher than that in Comparative Example 2, the amount of catalyst particles (Pt particles) to be supported on the carrier particles is larger than that in Comparative Example 2. It is thought that the performance of the catalyst can be improved with a small amount. In addition, when specific activity (SA) and ECA are high, mass activity will improve, but the electrocatalyst of Example 1 has high specific activity (SA) compared with the thing of the comparative example 1, but since ECA is low, mass activity is high. Are considered to be equivalent.

一方、実施例2はPt粒子と担持粒子の接触と導電性確保により、比活性(SA)が他のものに比べて向上したと考えられる。さらに、カーボン結晶化の促進で、添加した結晶化促進粒子のCoが、カーボン膜内に残留し、このCoが800℃で加熱する際にPt粒子の白金と合金化した(Pt−Co合金となった)ことにより、さらに比活性(SA)が向上したと考えられる。   On the other hand, in Example 2, the specific activity (SA) is considered to be improved as compared with the others by the contact between the Pt particles and the supported particles and the securing of conductivity. Furthermore, Co in the added crystallization promoting particles remains in the carbon film due to the promotion of carbon crystallization, and when this Co is heated at 800 ° C., it is alloyed with platinum of Pt particles (Pt—Co alloy and It is considered that the specific activity (SA) was further improved.

また、比較例1でECA維持率が低下したのは、電位変動によるPt溶解再析出とカーボン上のPtマイグレーションでPtが凝集したことによると考えられる。さらに、比較例2のECAが小さいのは低表面積の担体粒子(TiO)上にPt粒子を担持するためPtが粗大化するためであると考えられる。さらに、実施例2のECAが小さいのは、Pt担持後に800℃以上で処理してPtが粗大化したためであると考えられる。 In addition, the ECA maintenance rate decreased in Comparative Example 1 is considered to be due to Pt aggregation due to Pt dissolution reprecipitation due to potential fluctuations and Pt migration on carbon. Furthermore, it is considered that the ECA of Comparative Example 2 is small because Pt is coarsened because Pt particles are supported on low surface area carrier particles (TiO 2 ). Further, the ECA of Example 2 is small because it is considered that Pt is coarsened by treatment at 800 ° C. or higher after supporting Pt.

以上のことから、実施例1および2の場合には、Pt粒子(Pt)と担体粒子(TiO)との接触による相互作用(Pt電子状態改質のポテンシャル向上)と、カーボン膜の導電性確保によるポテンシャルの向上により比活性が向上したと考えられる。このようにして、実施例1および2の燃料電池用電極触媒は、白金または白金合金からなる触媒粒子の触媒性能向上を図ることができ、その耐久性も向上したものと考えられる。 From the above, in the case of Examples 1 and 2, the interaction between the Pt particles (Pt) and the carrier particles (TiO 2 ) due to contact (improvement of potential of Pt electronic state modification) and the conductivity of the carbon film. It is thought that the specific activity was improved by improving the potential by securing. Thus, it is considered that the fuel cell electrode catalysts of Examples 1 and 2 can improve the catalytic performance of catalyst particles made of platinum or a platinum alloy and have improved durability.

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various designs can be made without departing from the spirit of the present invention described in the claims. It can be changed.

たとえば、第1および第2実施形態では、結晶化促進粒子を用いたが、加熱処理の条件を選定することにより、カーボン膜のカーボンの結晶化を促進することができるのであれば、必ずしも、結晶化促進粒子を用いなくてもよい。   For example, in the first and second embodiments, the crystallization promoting particles are used. However, if the crystallization of the carbon film can be promoted by selecting the heat treatment conditions, the crystallization promoting particles are not necessarily used. The conversion promoting particles may not be used.

1…燃料電池用電極触媒、2…担体粒子、4…結晶化促進粒子、5…触媒粒子、6…カーボン膜、 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell electrode catalyst, 2 ... Carrier particle, 4 ... Crystallization promotion particle, 5 ... Catalyst particle, 6 ... Carbon film,

Claims (4)

金属酸化物からなる担体粒子に、白金または白金合金からなる触媒粒子を担持した燃料電池用電極触媒の製造方法であって、
前記担体粒子の表面に、炭化水素系ガスと水蒸気とを加熱しながら接触させて、水蒸気改質反応により、前記担体粒子の表面に前記炭化水素系ガスに由来した炭素からなるカーボン膜を被覆する工程と、
該カーボン膜のカーボンの結晶化を促進するように、前記カーボン膜が被覆された担体粒子を加熱処理する工程と、を含むことを特徴とする燃料電池用電極触媒の製造方法。
A method for producing an electrode catalyst for a fuel cell in which catalyst particles made of platinum or a platinum alloy are supported on carrier particles made of a metal oxide,
A hydrocarbon gas and water vapor are brought into contact with the surface of the carrier particles while heating, and a carbon film made of carbon derived from the hydrocarbon gas is coated on the surface of the carrier particles by a steam reforming reaction. Process,
And a step of heat-treating the carrier particles coated with the carbon film so as to promote crystallization of carbon of the carbon film.
前記カーボン膜を被覆する工程を行う前に、前記担体粒子の表面に、前記カーボンの結晶化を促進する材料として、Co、Fe、またはNiの少なくとも一種からな結晶化促進粒子を、担持することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。   Before carrying out the step of coating the carbon film, crystallization promoting particles made of at least one of Co, Fe, or Ni are supported on the surface of the carrier particles as a material for promoting the crystallization of the carbon. The method for producing a fuel cell electrode catalyst according to claim 1. 前記加熱処理後に、前記担体粒子を被覆するカーボン膜の表面に、前記触媒粒子を担持し、
該触媒粒子を担持した担体粒子を、酸素ガスを含む酸化雰囲気下で焼成することにより、前記カーボン膜の一部を酸化によりガス化して、前記触媒粒子を前記担体粒子の前記金属酸化物に接触させることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。
After the heat treatment, the catalyst particles are supported on the surface of the carbon film covering the carrier particles,
The carrier particles carrying the catalyst particles are calcined in an oxidizing atmosphere containing oxygen gas, whereby a part of the carbon film is gasified by oxidation, and the catalyst particles are brought into contact with the metal oxide of the carrier particles. A method for producing an electrode catalyst for a fuel cell according to claim 1 or 2, wherein:
前記カーボン膜を被覆する工程の前に、前記担体粒子の表面に、前記触媒粒子を担持することを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。   The method for producing an electrode catalyst for a fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the catalyst particles are supported on the surface of the carrier particles before the step of coating the carbon film.
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