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JP7613757B2 - Electrode material, and electrode, membrane electrode assembly, and solid polymer electrolyte fuel cell using the same - Google Patents

Electrode material, and electrode, membrane electrode assembly, and solid polymer electrolyte fuel cell using the same Download PDF

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JP7613757B2 JP2022152125A JP2022152125A JP7613757B2 JP 7613757 B2 JP7613757 B2 JP 7613757B2 JP 2022152125 A JP2022152125 A JP 2022152125A JP 2022152125 A JP2022152125 A JP 2022152125A JP 7613757 B2 JP7613757 B2 JP 7613757B2
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Description

本発明は、固体高分子形燃料電池の電極に好適な電極材料及びこれを使用した電極、膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池に関する。 The present invention relates to an electrode material suitable for use in electrodes of polymer electrolyte fuel cells, and to electrodes, membrane electrode assemblies, and polymer electrolyte fuel cells that use the electrode material.

固体高分子形燃料電池(PEFC)は、これを動力源とする燃料電池自動車(FCV)が既に市販され、今後トラックやバス、船舶などへの用途拡大と普及展開が期待されている。PEFCは、一般的に、固体高分子電解質膜の両面に一対の電極を配置させた膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly(MEA)を、ガス流路が形成されたセパレータで挟持した構造を有する。燃料電池用電極(特にはPEFC用電極)は、一般に、電極触媒活性を有する電極材料及び高分子電解質からなる電極触媒層と、ガス通気性と電子伝導性を兼ね備えたガス拡散層とから構成される。 Fuel cell vehicles (FCVs) that use polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) as their power source are already commercially available, and their use is expected to expand and become more widespread in trucks, buses, ships, and other vehicles in the future. PEFCs generally have a structure in which a membrane electrode assembly (MEA), in which a pair of electrodes are arranged on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, is sandwiched between separators with gas flow paths. Fuel cell electrodes (particularly PEFC electrodes) generally consist of an electrode catalyst layer made of an electrode material with electrocatalytic activity and a polymer electrolyte, and a gas diffusion layer that combines gas permeability and electronic conductivity.

現在普及しているPEFC用電極材料として、炭素系担体に電極触媒微粒子(典型的にはPt又はPt合金微粒子)を分散させて担持した電極材料が用いられている。また、近年、メソポーラスカーボンを触媒担体の骨格にし、メソポーラスカーボンの細孔(メソ孔)内に、Pt微粒子を担持した電極材料が注目されている(例えば、特許文献1、2)。メソポーラスカーボンは、導電性に優れ、ガス拡散もしやすく、且つ高表面積を有するため、これを固体高分子形燃料電池の電極触媒の担体として使用すると、優れた発電性能を有する電極を得ることができる。 Currently, the most widely used electrode material for PEFCs is one in which electrode catalyst particles (typically Pt or Pt alloy particles) are dispersed and supported on a carbon-based support. In recent years, electrode materials that use mesoporous carbon as the catalyst support skeleton and support Pt particles in the pores (mesopores) of the mesoporous carbon have attracted attention (e.g., Patent Documents 1 and 2). Mesoporous carbon has excellent electrical conductivity, is easy to diffuse gases, and has a large surface area, so when it is used as a support for the electrode catalyst of a polymer electrolyte fuel cell, an electrode with excellent power generation performance can be obtained.

特許第6969996号公報Patent No. 6969996 特許第6931808号公報Patent No. 6931808

ところで、PEFCの電解質膜は酸性(pH=0~3)であるため、PEFCの電極材料は酸性雰囲気下で使用されることになる。また、通常運転しているときのセル電圧は0.4~1.0Vであるが、起動停止時にはセル電圧が1.5Vまで上昇することが知られている。このようなPEFCの運転条件でのカソード及びアノードの状態は、カソードにおいては担体である炭素系材料が二酸化炭素(CO2)として分解する領域である。そのため、カソードでは、炭素系担体が電気化学的に酸化されてCO2に分解する反応が起こり、結果として炭素系担体が腐食されて(カーボン腐食)、触媒活性成分であるPt粒子の凝集・脱落等を引き起し、燃料電池の性能低下原因となる。また、カソードだけでなく、アノードにおいても運転初期などに燃料ガスが不足すると、その部分での電圧低下、あるいは濃度分極が生じて局部的に通常と反対の電位となり、炭素の電気化学的酸化分解反応が起こることがある。 Incidentally, since the electrolyte membrane of a PEFC is acidic (pH=0-3), the electrode material of the PEFC is used in an acidic atmosphere. In addition, the cell voltage during normal operation is 0.4-1.0 V, but it is known that the cell voltage rises to 1.5 V during start-up and shutdown. The state of the cathode and anode under such PEFC operating conditions is a region in which the carbon-based material, which is the carrier, decomposes into carbon dioxide (CO 2 ) in the cathode. Therefore, in the cathode, a reaction occurs in which the carbon-based carrier is electrochemically oxidized and decomposed into CO 2 , resulting in corrosion of the carbon-based carrier (carbon corrosion), which causes aggregation and detachment of Pt particles, which are catalytically active components, and causes a decrease in the performance of the fuel cell. In addition, if the fuel gas is insufficient not only in the cathode but also in the anode at the beginning of operation, a voltage drop or concentration polarization occurs in that part, resulting in a localized potential opposite to normal, and an electrochemical oxidation and decomposition reaction of carbon may occur.

特許文献1,2で開示されているメソポーラスカーボンの細孔(メソ孔)内にPt微粒子を担持した電極材料は、Pt微粒子の凝集が起こりづらいとされているが、Pt微粒子が直接メソポーラスカーボンの細孔壁面に接触して担持されるため、カーボン腐食を避けることができず、長期間発電すると、カーボン腐食に起因するPt粒子の凝集・脱落等を防止することはできないという課題があった。 The electrode materials disclosed in Patent Documents 1 and 2, which support Pt fine particles within the pores (mesopores) of mesoporous carbon, are said to be less prone to aggregation of the Pt fine particles. However, because the Pt fine particles are supported in direct contact with the pore walls of the mesoporous carbon, carbon corrosion cannot be avoided, and there is a problem that when generating electricity for a long period of time, it is impossible to prevent the aggregation and falling off of Pt particles caused by carbon corrosion.

かかる状況下、本発明の目的は、優れた電極性能及び耐久性を有する燃料電池用電極を与える電極材料、並びにこれを使用した電極、膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池を提供することである。 In this situation, the object of the present invention is to provide an electrode material that provides a fuel cell electrode with excellent electrode performance and durability, as well as an electrode, a membrane electrode assembly, and a solid polymer electrolyte fuel cell that use the same.

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、下記の発明が上記目的に合致することを見出し、本発明に至った。 The inventors conducted extensive research to solve the above problems and discovered that the following invention meets the above objectives, leading to the present invention.

すなわち、本発明は、以下の発明に係るものである。
<1> 以下の電極材料(A)又は電極材料(B)のいずれかの電極材料。
電極材料(A):メソポーラスカーボンからなる担体骨格と、前記メソポーラスカーボンの細孔内表面及び細孔外表面のうち少なくとも細孔内表面に固着した担体金属とからなる多孔質複合担体と、前記多孔質複合担体に担持された電極触媒粒子と、を含み、
前記電極触媒粒子の一部又は全部が、前記メソポーラスカーボンの細孔内に、前記担体金属を介して担持されてなる電極材料。
電極材料(B):メソポーラスカーボンからなる担体骨格と、前記メソポーラスカーボンの細孔内表面及び細孔外表面のうち少なくとも細孔内表面に固着した電極触媒複合体とを含み、
前記電極触媒複合体は、電極触媒粒子と担体金属とを含み、前記担体金属は、前記電極触媒粒子の間を埋めるように存在する電極材料。
<2> 前記担体金属が、タンタル(Ta)、タングステン(W)、ニオブ(Nb)及びスズ(Sn)から選択されるいずれかの金属、及びこれらの金属を主成分として含む合金である<1>に記載の電極材料。
<3> 前記担体金属が、タンタル(Ta)またはタンタル合金である<1>または<2>に記載の電極材料。
<4> 前記メソポーラスカーボンが、メソ孔領域の細孔の一部又は全部が隣接するメソ孔領域の細孔と相互に連通している連通孔を有する<1>から<3>のいずれかに記載の電極材料。
<5> 前記メソポーラスカーボンの細孔径が3nm以上40nm以下である<1>から<4>のいずれかに記載の電極材料。
<6> 前記電極触媒粒子が、PtまたはPtを含む合金からなる粒子である<1>から<5>のいずれかに記載の電極材料。
<7> <1>から<6>のいずれかに記載の電極材料とプロトン伝導性電解質材料とを含む電極。
<8> 固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方面に接合されたカソードと、前記固体高分子電解質膜の他方面に接合されたアノードと、を有する膜電極接合体であって、前記アノードまたはカソードのいずれか一方又は両方が、<7>に記載の電極である膜電極接合体。
<9> <8>に記載の膜電極接合体を備えてなる固体高分子形燃料電池。
That is, the present invention relates to the following inventions.
<1> An electrode material which is either the following electrode material (A) or electrode material (B).
Electrode material (A): A porous composite support comprising a support skeleton made of mesoporous carbon and a support metal fixed to at least the inner pore surface of the inner pore surface and the outer pore surface of the mesoporous carbon, and electrode catalyst particles supported on the porous composite support;
An electrode material in which a part or all of the electrode catalyst particles are supported within the pores of the mesoporous carbon via the support metal.
Electrode material (B): A support skeleton made of mesoporous carbon and an electrode catalyst composite fixed to at least the inner pore surface of the mesoporous carbon, among the inner pore surface and the outer pore surface,
The electrode catalyst composite is an electrode material that includes electrode catalyst particles and a support metal, the support metal being present so as to fill the spaces between the electrode catalyst particles.
<2> The electrode material according to <1>, wherein the support metal is any one of metals selected from tantalum (Ta), tungsten (W), niobium (Nb) and tin (Sn), and an alloy containing any one of these metals as a main component.
<3> The electrode material according to <1> or <2>, wherein the support metal is tantalum (Ta) or a tantalum alloy.
<4> The electrode material according to any one of <1> to <3>, wherein the mesoporous carbon has interconnected pores in which some or all of the pores in the mesopore regions are interconnected with the pores in the adjacent mesopore regions.
<5> The electrode material according to any one of <1> to <4>, wherein the mesoporous carbon has a pore diameter of 3 nm or more and 40 nm or less.
<6> The electrode material according to any one of <1> to <5>, wherein the electrode catalyst particles are particles made of Pt or an alloy containing Pt.
<7> An electrode comprising the electrode material according to any one of <1> to <6> and a proton-conductive electrolyte material.
<8> A membrane electrode assembly having a solid polymer electrolyte membrane, a cathode bonded to one side of the solid polymer electrolyte membrane, and an anode bonded to the other side of the solid polymer electrolyte membrane, wherein either or both of the anode and the cathode are the electrodes according to <7>.
<9> A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to <8>.

本発明によれば、優れた電極性能及び耐久性を有する燃料電池用電極を与える電極材料、並びにこれを使用した電極、膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池が提供される。 The present invention provides an electrode material that provides a fuel cell electrode with excellent electrode performance and durability, as well as an electrode, a membrane electrode assembly, and a solid polymer electrolyte fuel cell that use the electrode material.

(a)は本発明の電極材料の一例の概念模式図であり、(b)は細孔近傍の拡大模式図(担体金属が分散固着)、(c)は細孔近傍の拡大模式図(担体金属が連続固着(被覆))である。1A is a conceptual schematic diagram of an example of an electrode material of the present invention, FIG. 1B is an enlarged schematic diagram of the vicinity of the pores (support metal is dispersed and fixed), and FIG. 1C is an enlarged schematic diagram of the vicinity of the pores (support metal is continuously fixed (coated)). (a)は、本発明の電極材料の他の一例の概念模式図であり、(b)は細孔近傍の拡大模式図である。FIG. 2A is a conceptual schematic diagram of another example of the electrode material of the present invention, and FIG. 2B is an enlarged schematic diagram of the vicinity of a pore. 本発明の膜電極接合体の断面模式図である。1 is a schematic cross-sectional view of a membrane electrode assembly of the present invention. 本発明の固体高分子形燃料電池の代表的な構成を示す概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram showing a typical configuration of a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention. 実験例の電極材料(Ta/MC,電極触媒未担持)の作製手順のフローチャートである。1 is a flowchart of a procedure for producing an electrode material (Ta/MC, no electrode catalyst supported) in an experimental example. 実験例の電極材料(Pt/Ta/MC)の作製手順のフローチャートである。1 is a flowchart of a procedure for producing an electrode material (Pt/Ta/MC) in an experimental example. 実施例1の電極材料(電極触媒未担持、還元処理300℃,4h)のFESEM像及びSTEM像である。1 shows an FESEM image and an STEM image of the electrode material of Example 1 (electrode catalyst not supported, reduction treatment at 300° C. for 4 hours). 実施例2の電極材料(電極触媒未担持、還元処理500℃,2h)のFESEM像及びSTEM像である。1 shows an FESEM image and an STEM image of the electrode material of Example 2 (electrode catalyst not supported, reduction treatment at 500° C. for 2 h). 実施例3の電極材料(電極触媒未担持、還元処理600℃,2h)のSTEM像である。1 is an STEM image of the electrode material of Example 3 (electrode catalyst not supported, reduction treatment at 600° C. for 2 h). 実施例2の電極材料(Pt/Ta/MC)及び比較例の電極材料(Pt/MC)のサイクリックボルタモグラム(CV)である。1 shows cyclic voltammograms (CV) of the electrode material (Pt/Ta/MC) of Example 2 and the electrode material (Pt/MC) of the comparative example. 実施例2の電極材料(Pt/Ta/MC)及び比較例の電極材料(Pt/MC)の電気化学的有効表面積(ECSA)を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the electrochemically effective surface area (ECSA) of the electrode material (Pt/Ta/MC) of Example 2 and the electrode material (Pt/MC) of the comparative example. 実施例2の電極材料(Pt/Ta/MC)及び比較例の電極材料(Pt/MC)のリニアスイープボルタモグラム(LSV,1600rpm)である。1 shows linear sweep voltammograms (LSV, 1600 rpm) of the electrode material (Pt/Ta/MC) of Example 2 and the electrode material (Pt/MC) of the comparative example. 実施例2の電極材料(Pt/Ta/MC)及び比較例の電極材料(Pt/MC)のMass Activity(0.9VRHE)を示す図である。FIG. 13 is a graph showing the mass activity (0.9 V RHE ) of the electrode material (Pt/Ta/MC) of Example 2 and the electrode material (Pt/MC) of the comparative example. 起動停止サイクル試験の条件を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing conditions of a start-stop cycle test. 実施例2の電極材料(Pt/Ta/MC)及び比較例の電極材料(Pt/MC)における起動停止サイクル試験回数と電気化学的有効表面積(ECSA)の関係を示す図である(実施例2:Pt/Ta/MC、比較例:Pt/MC)。FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the number of start-stop cycle tests and the electrochemically effective surface area (ECSA) for the electrode material of Example 2 (Pt/Ta/MC) and the electrode material of the comparative example (Pt/MC) (Example 2: Pt/Ta/MC, Comparative example: Pt/MC). 負荷変動サイクル試験の条件を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing conditions of a load change cycle test. 実施例2の電極材料(Pt/Ta/MC)における負荷変動サイクル試験回数と電気化学的有効表面積(ECSA)の関係を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the number of load change cycle tests and the electrochemically effective surface area (ECSA) for the electrode material (Pt/Ta/MC) of Example 2. 負荷変動サイクル試験前後の実施例2の電極材料(Pt/Ta/MC)のLSV(1600rpm)である。1 shows the LSV (1600 rpm) of the electrode material (Pt/Ta/MC) of Example 2 before and after the load change cycle test.

以下、本発明について例示物等を示して詳細に説明するが、本発明は以下の例示物等に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において任意に変更して実施できる。なお、本明細書において、「~」とはその前後の数値又は物理量を含む表現として用いるものとする。 The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to the examples below and can be modified as desired without departing from the spirit of the present invention. In this specification, the word "~" is used as an expression that includes the numerical values or physical quantities before and after it.

なお、本明細書において、「細孔」とは、例えば径が150nm以下の孔(特に径が100nm以下の孔)を包含するものとする。「メソ孔領域の細孔」とは径が2nm~50nmの細孔を意味するものとする。また、本明細書において「マイクロ孔領域の細孔」とは径が2nm未満の細孔を意味し、「マクロ孔領域の細孔」とは径が50nm超150nm以下の細孔を意味するものとする。 In this specification, the term "pore" includes, for example, pores with a diameter of 150 nm or less (particularly pores with a diameter of 100 nm or less). "Mesopore region pores" refer to pores with a diameter of 2 nm to 50 nm. In addition, in this specification, "micropore region pores" refer to pores with a diameter of less than 2 nm, and "macropore region pores" refer to pores with a diameter of more than 50 nm and less than 150 nm.

<1.電極材料>
本発明は、以下の電極材料(A)及び電極材料(B)に関する。
なお、電極材料(A)を本発明の電極材料(第1の態様)、電極材料(B)を本発明の電極材料(第2の態様)を称する場合がある。また、これらを総称して、「本発明の電極材料」と称する場合がある。
1. Electrode materials
The present invention relates to the following electrode material (A) and electrode material (B).
The electrode material (A) may be referred to as the electrode material of the present invention (first embodiment), and the electrode material (B) may be referred to as the electrode material of the present invention (second embodiment). These may also be collectively referred to as the "electrode material of the present invention."

電極材料(A):
メソポーラスカーボンからなる担体骨格と、前記メソポーラスカーボンの細孔内表面及び細孔外表面のうち少なくとも細孔内表面に固着した担体金属とからなる多孔質複合担体と、前記多孔質複合担体に担持された電極触媒粒子と、を含み、
前記電極触媒粒子の一部又は全部が、前記メソポーラスカーボンの細孔内に、前記担体金属を介して担持されてなる電極材料。
Electrode material (A):
A porous composite support comprising a support skeleton made of mesoporous carbon and a support metal fixed to at least the inner pore surface of the inner pore surfaces and the outer pore surfaces of the mesoporous carbon, and electrode catalyst particles supported on the porous composite support,
An electrode material in which a part or all of the electrode catalyst particles are supported within the pores of the mesoporous carbon via the support metal.

電極材料(B):
メソポーラスカーボンからなる担体骨格と、前記メソポーラスカーボンの細孔内表面及び細孔外表面のうち少なくとも細孔内表面に固着した電極触媒複合体とを含み、
前記電極触媒複合体は、電極触媒粒子と担体金属とを含み、前記担体金属は、前記電極触媒粒子の間を埋めるように存在する電極材料。
Electrode material (B):
The support includes a support skeleton made of mesoporous carbon and an electrode catalyst composite fixed to at least the inner pore surface of the mesoporous carbon,
The electrode catalyst composite is an electrode material that includes electrode catalyst particles and a support metal, the support metal being present so as to fill the spaces between the electrode catalyst particles.

なお、本明細書において、「固着」は、担体骨格であるメソポーラスカーボンの細孔内表面及び細孔外表面に、担体金属(電極触媒(A)の場合)または電極触媒複合体(電極触媒(B)の場合)が、容易に脱離(剥離)しない程度に固定されていることを意味する。 In this specification, "fixed" means that the carrier metal (in the case of electrode catalyst (A)) or the electrode catalyst composite (in the case of electrode catalyst (B)) is fixed to the inner and outer pore surfaces of the mesoporous carbon, which is the carrier skeleton, to such an extent that it does not easily detach (peel off).

電極材料(A)において、担体金属はメソポーラスカーボンにおけるメソ孔領域の細孔内表面の一部または全部を被覆するように固着され、電極触媒粒子は当該担体金属に担持されている。すなわち、電極触媒粒子は、メソポーラスカーボンのメソ孔領域の細孔内に、前記担体金属を介して担持されている。なお、電極材料(A)において、電極触媒粒子は、メソ孔領域の細孔の内部のみならず、メソ孔領域の細孔以外の細孔や外表面にも担体金属を介して電極触媒粒子が担持されていてもよい。
固着した担体金属の形態は、本発明の目的を損なわない限り、粒子状、島状、薄膜状等のいずれの形態であってもよい。「島状」とは数個の粒子状の担体金属が固まりになり、それぞれが分離した状態であり、「膜状」とは担体金属が連続してつながり薄膜を形成した状態を意味する。
In the electrode material (A), the support metal is fixed so as to cover a part or the whole of the inner surface of the pores in the mesopore region of the mesoporous carbon, and the electrode catalyst particles are supported on the support metal. That is, the electrode catalyst particles are supported in the pores in the mesopore region of the mesoporous carbon via the support metal. Note that in the electrode material (A), the electrode catalyst particles may be supported not only inside the pores in the mesopore region, but also on the pores other than the pores in the mesopore region and on the outer surface via the support metal.
The form of the fixed carrier metal may be any of particulate, island, thin film, etc., as long as it does not impair the object of the present invention. "Island" means a state in which several particulate carrier metals are aggregated and separated from each other, and "film" means a state in which the carrier metals are continuously connected to form a thin film.

電極材料(B)において、電極触媒粒子と担体金属とからなる電極触媒複合体は、メソポーラスカーボンにおけるメソ孔領域の細孔内表面の一部または全部を被覆するように固着されている。なお、電極材料(B)において、電極触媒複合体は、メソ孔領域の細孔の内部のみならず、メソ孔領域の細孔以外の細孔や外表面にも固着されていてもよい。
固着した電極触媒複合体の形態は、本発明の目的を損なわない限り、粒子状、島状、薄膜状等のいずれの形態であってもよい。「島状」とは数個の粒子状の担体金属が固まりになり、それぞれが分離した状態であり、「膜状」とは担体金属が連続してつながり薄膜を形成した状態を意味する。
In the electrode material (B), an electrode catalyst composite consisting of electrode catalyst particles and a carrier metal is fixed so as to cover a part or the whole of the inner surface of the pores in the mesopore region of the mesoporous carbon. Note that in the electrode material (B), the electrode catalyst composite may be fixed not only to the inside of the pores in the mesopore region, but also to pores other than the pores in the mesopore region and to the outer surface.
The form of the fixed electrode catalyst composite may be any of particulate, island, thin film, etc., as long as it does not impair the object of the present invention. "Island" refers to a state in which several particulate support metals are aggregated and separated from each other, and "film" refers to a state in which the support metals are continuously connected to form a thin film.

本発明の電極材料の第1態様(電極材料(A))及び第2態様(電極材料(B))は、「メソポーラスカーボンを母体となる担体骨格とし、当該メソポーラスカーボンの細孔内に電極触媒粒子及び担体金属が存在する」という点で共通する特徴を有する。
そして、電極材料(A)では「電極触媒粒子の一部又は全部が、メソポーラスカーボンの細孔内に、担体金属を介して担持されている」のに対し、電極材料(B)では「電極触媒粒子の一部又は全部が、電極触媒複合体として、メソポーラスカーボンの細孔内に固着している」という点で異なる特徴を有する。
The first embodiment (electrode material (A)) and the second embodiment (electrode material (B)) of the electrode material of the present invention have a common feature in that "mesoporous carbon is used as a support skeleton, and electrode catalyst particles and a support metal are present in the pores of the mesoporous carbon."
Electrode material (A) has a different characteristic in that "a part or all of the electrode catalyst particles are supported in the pores of the mesoporous carbon via a carrier metal", whereas electrode material (B) has a different characteristic in that "a part or all of the electrode catalyst particles are fixed in the pores of the mesoporous carbon as an electrode catalyst composite".

本発明の電極材料は、固体高分子形燃料電池用電極に用いる電極材料として好適であるが、これ以外の用途(例えば、固体高分子形水電解用電極)に使用することも可能である。 The electrode material of the present invention is suitable as an electrode material for use in electrodes for polymer electrolyte fuel cells, but can also be used for other purposes (e.g., electrodes for polymer electrolyte water electrolysis).

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下において、本発明の電極材料を固体高分子形燃料電池(PEFC)用電極に使用することを想定して説明する。 Below, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the following description will be given assuming that the electrode material of the present invention is used as an electrode for a polymer electrolyte fuel cell (PEFC).

<電極材料(A)>
以下、本発明の電極材料の第1の態様である電極材料(A)について説明する。
図1(a)は本発明の電極材料(A)の代表的な構成を示す模式図であり、図1(b)及び図1(c)は細孔近傍の拡大模式図である。
<Electrode Material (A)>
Hereinafter, the electrode material (A), which is a first embodiment of the electrode material of the present invention, will be described.
FIG. 1(a) is a schematic diagram showing a typical structure of an electrode material (A) of the present invention, and FIG. 1(b) and FIG. 1(c) are enlarged schematic diagrams of the vicinity of a pore.

図1(a)に示すように、本発明に係る電極材料1Aは、担体骨格であるメソポーラスカーボン2と、メソポーラスカーボン2(細孔内表面2a及び外表面2b)に固着された粒子状の担体金属3aと、からなる多孔質複合担体と、担体金属3aに担持された電極触媒粒子3bによって構成される。 As shown in FIG. 1(a), the electrode material 1A according to the present invention is composed of a porous composite carrier consisting of mesoporous carbon 2, which is the carrier skeleton, and particulate carrier metal 3a fixed to the mesoporous carbon 2 (pore inner surface 2a and outer surface 2b), and electrode catalyst particles 3b supported on the carrier metal 3a.

なお、図1(a)に示す電極材料1Aは、外表面2bにも担体金属3a及びこれに分散担持された電極触媒粒子3bを有しているが、担体金属3a及び電極触媒粒子3bは、細孔内表面2aのみに存在していてもよい。 The electrode material 1A shown in FIG. 1(a) has the carrier metal 3a and the electrode catalyst particles 3b dispersed and supported on the outer surface 2b, but the carrier metal 3a and the electrode catalyst particles 3b may be present only on the inner pore surface 2a.

電極材料1Aの担体骨格であるメソポーラスカーボン2(以下、「本発明に係るメソポーラスカーボン」と称す場合がある。)は、メソ孔領域の細孔を多数有する多孔質炭素である。 Mesoporous carbon 2, which is the support skeleton of electrode material 1A (hereinafter, sometimes referred to as "mesoporous carbon according to the present invention"), is a porous carbon having many pores in the mesopore region.

メソポーラスカーボン2として、メソ孔領域(2~50nm)の細孔を有する多孔質炭素が使用できるが、好適には細孔径3nm以上40nm以下である。この範囲であれば、細孔の内壁に、担体金属や電極触媒を固着(担持)した場合でも細孔内部への物質拡散が著しく阻害されることなく、スムーズに行われる。 Mesoporous carbon 2 can be porous carbon with pores in the mesopore region (2 to 50 nm), but the pore diameter is preferably 3 nm to 40 nm. If the pore diameter is within this range, the diffusion of materials into the pores is not significantly hindered and proceeds smoothly even when a carrier metal or an electrode catalyst is fixed (supported) on the inner walls of the pores.

また、後述するように燃料電池用電極を作製するにあたり、本発明の電極材料と、プロトン伝導性電解質材料(イオノマー)とを混合するが、プロトン伝導性電解質材料(イオノマー)は、大きさ数十nmであるため、細孔径の小さいメソ孔内には浸入できないため、メソポーラスカーボンの細孔内に、前記担体金属を介して担持された電極触媒粒子に対するイオノマー由来の被毒を抑制することができる。 As described below, when preparing a fuel cell electrode, the electrode material of the present invention is mixed with a proton-conductive electrolyte material (ionomer). Since the proton-conductive electrolyte material (ionomer) is several tens of nanometers in size, it cannot penetrate into the mesopores with small pore diameters. This makes it possible to suppress poisoning of the electrode catalyst particles supported in the pores of the mesoporous carbon via the carrier metal caused by the ionomer.

本発明に係るメソポーラスカーボンは、メソ孔領域(2nm~50nm)の細孔以外の領域(マイクロ孔領域、マクロ細孔)を含んでいてもよいが、メソ孔領域の細孔の割合が多い方が好ましい。 The mesoporous carbon according to the present invention may contain regions (micropore region, macropores) other than the mesopore region (2 nm to 50 nm), but it is preferable that the proportion of pores in the mesopore region is high.

メソポーラスカーボンの細孔の構造(細孔径、形状等)は、電子顕微鏡で観察することにより確認できる。電子顕微鏡としては、例えば、電界放出形走査電子顕微鏡(FESEM)、走査透過電子顕微鏡(STEM)が挙げられる。 The pore structure (pore size, shape, etc.) of mesoporous carbon can be confirmed by observation with an electron microscope. Examples of electron microscopes include a field emission scanning electron microscope (FESEM) and a scanning transmission electron microscope (STEM).

メソポーラスカーボン2におけるメソ孔領域の細孔は、他の細孔とは独立した単独孔の他、メソ孔領域の細孔の一部又は全部が隣接するメソ孔領域の細孔と相互に連通している連通孔を有しており、三次元的な網目構造を有することが好ましい。連通孔の存在により、メソポーラスカーボンの細孔内部の物質の拡散が促進される。 The pores in the mesopore region of the mesoporous carbon 2 preferably have a three-dimensional network structure, with some or all of the pores in the mesopore region interconnected with the pores in adjacent mesopore regions, as well as individual pores that are independent of other pores. The presence of the interconnected pores promotes the diffusion of substances inside the pores of the mesoporous carbon.

電極材料1Aの大きさや形状は、その骨格材料であるメソポーラスカーボンの大きさや形状に依存する。メソポーラスカーボンの大きさや形状は、燃料電池用電極を形成したときに電極材料が連続的に接触でき、かつ燃料電池用電極内の水素や酸素などのガス拡散及び水(蒸気)の排出がスムーズに行える程度の空間を形成できる範囲で決定される。 The size and shape of the electrode material 1A depend on the size and shape of the mesoporous carbon that is its framework material. The size and shape of the mesoporous carbon are determined so that the electrode material can be in continuous contact when the fuel cell electrode is formed, and a space can be formed that allows smooth diffusion of gases such as hydrogen and oxygen and smooth discharge of water (steam) within the fuel cell electrode.

本発明の電極材料に使用されるメソポーラスカーボンは、適宜合成して使用してもよいし、市販品を使用してもよい。市販品としては、例えば、MgOを鋳型とするメソポーラスカーボンである東洋炭素株式会社製のCNovelシリーズ(設計メソ孔径:5~150nm)が挙げられる。 The mesoporous carbon used in the electrode material of the present invention may be appropriately synthesized or a commercially available product may be used. An example of a commercially available product is the CNovel series (designed mesopore size: 5 to 150 nm) manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., which is mesoporous carbon using MgO as a template.

(担体金属)
図1に示すように、本実施形態の燃料電池用電極材料1Aでは、担体金属3aは、メソポーラスカーボン2におけるメソ孔領域の細孔の内表面2aに固着している。また、本実施形態の燃料電池用電極材料1では、担体金属3aは、メソポーラスカーボン2の外表面にも固着されているが、外表面の担体金属は必ずしも必須ではない。
(Carrier Metal)
1, in the fuel cell electrode material 1A of this embodiment, the support metal 3a is fixed to the inner surface 2a of the pores in the mesopore region of the mesoporous carbon 2. In the fuel cell electrode material 1 of this embodiment, the support metal 3a is also fixed to the outer surface of the mesoporous carbon 2, but the support metal on the outer surface is not necessarily required.

担体金属の固着量は、粒径(薄膜状の場合は膜厚)や表面積等の担体金属の物性、担体金属の製造方法によっても最適値が変わるため、十分な量の電極触媒粒子が担持できる範囲で適宜決定される。 The optimal amount of the carrier metal to be adhered varies depending on the particle size (film thickness in the case of a thin film) and surface area, as well as the physical properties of the carrier metal, and the method of manufacturing the carrier metal, so it is determined appropriately within the range in which a sufficient amount of electrode catalyst particles can be supported.

細孔内の担体金属の大きさは、メソポーラスカーボン2の細孔を閉塞せず、ガスなどの物質移動を阻害しない範囲で決定される。メソポーラスカーボン2の細孔径にもよるが、細孔の内表面に固着される担体金属の大きさは、好適には粒径0.5nm以上3nm以下である。 The size of the carrier metal in the pores is determined so as not to block the pores of the mesoporous carbon 2 and not to inhibit the transfer of substances such as gas. Although it depends on the pore size of the mesoporous carbon 2, the size of the carrier metal adhered to the inner surface of the pores is preferably a particle size of 0.5 nm or more and 3 nm or less.

外表面の担体金属3aは、メソ孔の閉塞に実質的に関与しないため、細孔内の担体金属より大きくてもよいが、電気抵抗を小さくするため、電極触媒粒子3bが分散担持することができる範囲内で粒径が小さい方が好ましい。外表面の担体金属を有する場合、その大きさは、好適には0.5nm以上10nm以下である。 The carrier metal 3a on the outer surface does not substantially contribute to blocking the mesopores and may be larger than the carrier metal inside the pores, but in order to reduce electrical resistance, it is preferable that the particle size be small within the range in which the electrode catalyst particles 3b can be dispersed and supported. If there is a carrier metal on the outer surface, its size is preferably 0.5 nm or more and 10 nm or less.

なお、「粒子状担体金属の平均粒径」は、電子顕微鏡像より調べられる任意の粒子状担体金属(20個)の粒子径の平均値により得ることができる。 The "average particle size of the particulate carrier metal" can be obtained by averaging the particle sizes of any particulate carrier metal (20 particles) examined using an electron microscope image.

なお、図1(a),(b)では、担体金属3aは、メソポーラスカーボン2に分散固着された粒子状担体金属であるがこれに限定されず、担体金属3aはメソポーラスカーボン2に固着されていればよい。例えば、図1(c)のように粒子状の担体金属3aが分散せずに、連続してメソポーラスカーボン2の表面(特には細孔内表面)を薄膜状に被覆するように固着していてもよい。 In Fig. 1(a) and (b), the carrier metal 3a is a particulate carrier metal dispersed and fixed to the mesoporous carbon 2, but this is not limited thereto, and the carrier metal 3a may be fixed to the mesoporous carbon 2. For example, as shown in Fig. 1(c), the particulate carrier metal 3a may not be dispersed, but may be continuously fixed to the surface of the mesoporous carbon 2 (particularly the inner surface of the pores) so as to coat the surface in a thin film.

担体金属3aを構成する担体金属としては、PEFCのアノード条件、カソード条件の少なくともいずれか一方で十分な耐久性と電子伝導性を併せ持つものであればよい。
なお、PEFCのカソード条件とは、PEFCの通常運転時のカソードにおける条件であり、温度が室温~150℃程度、空気等の酸素を含むガスが供給される条件(酸化雰囲気)を意味し、アノード条件とは、PEFCの通常運転時のアノードにおける条件であり、温度が室温~150℃程度、水素を含む燃料ガスが供給される条件(還元雰囲気)を意味する。
The carrier metal constituting the carrier metal 3a may be any metal that has sufficient durability and electronic conductivity under at least one of the anode conditions and cathode conditions of the PEFC.
The cathode conditions of a PEFC refer to the conditions at the cathode during normal operation of the PEFC, where the temperature is from room temperature to about 150°C and an oxygen-containing gas such as air is supplied (oxidizing atmosphere), whereas the anode conditions refer to the conditions at the anode during normal operation of the PEFC, where the temperature is from room temperature to about 150°C and an oxygen-containing fuel gas such as air is supplied (reducing atmosphere).

担体金属として使用される材料としては、タンタル(Ta)、タングステン(W)、ニオブ(Nb)及びスズ(Sn)等の金属種、及びこれらの金属種を主成分として含む合金が挙げられる。なお、電極材料に固着された際に、これらの金属の最表面は酸化されて酸化物層を形成する場合があるが、本発明においては最表面に酸化物層を有する場合も担体金属とみなすものとする。 Materials used as carrier metals include metals such as tantalum (Ta), tungsten (W), niobium (Nb) and tin (Sn), as well as alloys containing these metals as the main components. When these metals are attached to the electrode material, the outermost surface of the metal may be oxidized to form an oxide layer, but in the present invention, the metals that have an oxide layer on the outermost surface are also considered to be carrier metals.

なお、担体金属において、「主成分とする合金」とは、「主成分となる金属種とそれ以外の金属からなる合金で、主成分となる金属種を50質量%以上含む合金」を意味する。担体金属において、主成分となる金属種と合金化させる「それ以外の金属」は特に限定されないが、Co,Ni,Ti,W,Ta,Nb,Snを好適な例として挙げることができる(但し、主成分となる金属種と異なる元素である。)。これらを1種類あるいは2種類以上を使用してもよい。また、分相した状態で主成分となる金属種及びそれ以外の金属を含む合金を使用してもよい。 In the case of the carrier metal, "an alloy containing the main component metal species" means "an alloy consisting of the main component metal species and other metals, containing 50 mass% or more of the main component metal species." In the case of the carrier metal, the "other metals" to be alloyed with the main component metal species are not particularly limited, but suitable examples include Co, Ni, Ti, W, Ta, Nb, and Sn (however, these are elements different from the main component metal species). One or more of these may be used. Also, an alloy containing the main component metal species and other metals in a phase-separated state may be used.

担体金属の好適例は、タンタル(Ta)、タングステン(W)及びニオブ(Nb)から選択されるいずれかの金属、及びこれらの金属を主成分として含む合金であり、特にタンタル(Ta)またはタンタル合金が好適である。 Preferred examples of the carrier metal are any metal selected from tantalum (Ta), tungsten (W) and niobium (Nb), and alloys containing these metals as the main component, with tantalum (Ta) or a tantalum alloy being particularly preferred.

担体金属の担持量は、使用する金属種、メソポーラスカーボンの物性(細孔分布、比表面積等)等を考慮して適宜決定される。担体金属が少なすぎると、これに担持する電極触媒の担持量が少なくなり、電極性能が不十分となり、多すぎるとメソポーラスカーボンの細孔外に多く固着し、凝集して性能が低下する場合がある。
なお、担体金属の固着量は、例えば、誘導結合プラズマ発光分析(ICP)によって調べることができる。
The amount of the support metal is appropriately determined taking into consideration the type of metal used, the physical properties of the mesoporous carbon (pore distribution, specific surface area, etc.), etc. If the amount of the support metal is too small, the amount of the electrode catalyst supported on it will be small, resulting in insufficient electrode performance, whereas if the amount is too large, a large amount of the support metal will adhere to the outside of the pores of the mesoporous carbon and agglomerate, which may result in reduced performance.
The amount of adhered support metal can be examined by, for example, inductively coupled plasma emission spectrometry (ICP).

(電極触媒粒子)
電極触媒粒子3bは、担体金属3aに分散担持されている。担体金属に担持された電極触媒粒子の割合は、評価対象となる燃料電池用電極材料を電子顕微鏡で観察した任意の電極触媒粒子(100個以上)を選出し、そのうち、担体金属に担持された個数と、メソポーラスカーボンに担持された個数とをカウントすることにより、評価することができる。
(Electrode catalyst particles)
The electrode catalyst particles 3b are dispersed and supported on the carrier metal 3a. The ratio of the electrode catalyst particles supported on the carrier metal can be evaluated by selecting any electrode catalyst particles (100 or more) observed under an electron microscope from the fuel cell electrode material to be evaluated, and counting the number of particles supported on the carrier metal and the number of particles supported on the mesoporous carbon.

電極触媒粒子3bは、酸素の還元(及び水素の酸化)に対する電気化学的触媒活性を有するものであれば、貴金属系触媒、非貴金属系触媒のいずれでもよいが、好適には、Pt,Ru,Ir,Pd,Rh,Os,Au,Ag等の貴金属、及びこれらの貴金属を含む合金から選択される。なお、「貴金属を含む合金」とは「上記の貴金属のみからなる合金」と、「上記の貴金属とそれ以外の金属からなる合金で上記の貴金属を10質量%以上含む合金」を含む。貴金属と合金化させる上記「それ以外の金属」は、特に限定されないが、Co,Niを好適な例として挙げることができ、これらを1種類あるいは2種類以上を使用してもよい。また、分相した状態で2種類以上の上記貴金属及び貴金属を含む合金を使用してもよい。なお、本明細書において、上記貴金属、及びこれらの貴金属を含む合金を以下、「電極触媒金属」と呼ぶ場合がある。 The electrode catalyst particles 3b may be either a precious metal catalyst or a non-precious metal catalyst as long as they have electrochemical catalytic activity for the reduction of oxygen (and the oxidation of hydrogen), but are preferably selected from precious metals such as Pt, Ru, Ir, Pd, Rh, Os, Au, and Ag, and alloys containing these precious metals. The term "alloy containing a precious metal" includes "alloys consisting only of the above-mentioned precious metals" and "alloys consisting of the above-mentioned precious metals and other metals and containing 10 mass% or more of the above-mentioned precious metals". The "other metals" to be alloyed with the precious metal are not particularly limited, but suitable examples include Co and Ni, and one or more of these may be used. Two or more of the above-mentioned precious metals and alloys containing the precious metals in a phase-separated state may also be used. In this specification, the above-mentioned precious metals and alloys containing these precious metals may be referred to as "electrode catalyst metals" hereinafter.

電極触媒金属の中でも、Pt及びPtを含む合金(Pt合金)は、固体高分子形燃料電池の作動温度である80℃付近の温度域において、酸素の還元(及び水素の酸化)に対する電気化学的触媒活性が高いため、特に好適に使用することができる。
Pt合金におけるPt以外の金属種は、合金を形成できる限り特に制限されないがコバルト(Co)であることが好ましい。
Among the electrode catalyst metals, Pt and alloys containing Pt (Pt alloys) are particularly suitable for use because they have high electrochemical catalytic activity for the reduction of oxygen (and the oxidation of hydrogen) in the temperature range around 80° C., which is the operating temperature of solid polymer electrolyte fuel cells.
The metal species other than Pt in the Pt alloy is not particularly limited as long as it is capable of forming an alloy, but is preferably cobalt (Co).

電極触媒粒子3bの形状は、特に制限されず公知の電極触媒粒子と同様の形状のものが使用できる。具体的な形状として球形、楕円形、多面体、コアシェル構造等が挙げられる。また、電極触媒粒子3bの構造は、結晶に限定されず、非晶質であってよく、結晶と非晶質の混合体であってもよい。 The shape of the electrode catalyst particles 3b is not particularly limited, and any shape similar to that of known electrode catalyst particles can be used. Specific shapes include a sphere, an ellipse, a polyhedron, and a core-shell structure. In addition, the structure of the electrode catalyst particles 3b is not limited to a crystal, and may be amorphous or a mixture of crystal and amorphous.

電極触媒粒子3bの大きさは、小さいほど電気化学反応が進行する有効表面積が増加するため、電気化学的触媒活性が高くなる傾向がある。しかし、その大きさが小さすぎると、電気化学的反応活性が低下する。従って、電極触媒粒子3bの大きさは、平均粒径として0.5~4nmであることが好ましい。 The smaller the size of the electrode catalyst particles 3b, the greater the effective surface area for the electrochemical reaction to proceed, and therefore the higher the electrochemical catalytic activity tends to be. However, if the size is too small, the electrochemical reaction activity decreases. Therefore, it is preferable that the size of the electrode catalyst particles 3b be 0.5 to 4 nm as the average particle size.

なお、本発明における「電極触媒粒子の平均粒径」は、電子顕微鏡像より調べられる電極触媒粒子(20個)の粒子径の平均値により得ることができる。電子顕微鏡像による平均粒径算出時は、微粒子の形状が、球形以外の場合は、粒子における最大長を示す方向の長さをその粒径とする。 In addition, the "average particle size of electrode catalyst particles" in the present invention can be obtained by averaging the particle sizes of electrode catalyst particles (20 particles) examined from electron microscope images. When calculating the average particle size from electron microscope images, if the shape of the fine particles is other than spherical, the length in the direction showing the maximum length of the particle is taken as the particle size.

電極触媒粒子の担持量は、触媒の種類、担体金属の大きさ(厚み)等の条件を考慮して適宜決定される。触媒担持量が少なすぎると電極性能が不十分となり、多すぎると電極触媒粒子が凝集して性能が低下する場合がある。なお、電極触媒粒子の担持量は、例えば、誘導結合プラズマ発光分析(ICP)によって調べることができる。 The amount of electrode catalyst particles supported is determined appropriately taking into consideration the type of catalyst, the size (thickness) of the carrier metal, and other conditions. If the amount of catalyst supported is too small, the electrode performance will be insufficient, and if it is too large, the electrode catalyst particles may aggregate and performance may decrease. The amount of electrode catalyst particles supported can be examined, for example, by inductively coupled plasma emission spectrometry (ICP).

上述した電極材料(A)の製造方法は特に限定されず、電極材料(A)を構成するメソポーラスカーボン、担体金属、電極触媒粒子の種類に応じて適宜好適な方法を選択すればよく、通常、メソポーラスカーボンに担体金属を担持した後に、担体金属に電極触媒粒子を担持する方法が採用される。
なお、後述する実施例で採用した方法であれば、担体骨格であるメソポーラスカーボンの細孔内を、サブナノオーダーの担体金属を固着させることができる。
The method for producing the above-mentioned electrode material (A) is not particularly limited, and a suitable method may be selected depending on the types of mesoporous carbon, carrier metal, and electrode catalyst particles constituting the electrode material (A). Usually, a method is employed in which the carrier metal is supported on the mesoporous carbon, and then the electrode catalyst particles are supported on the carrier metal.
It should be noted that the method employed in the examples described below makes it possible to fix a support metal of sub-nano order inside the pores of the mesoporous carbon that constitutes the support skeleton.

また、担体金属への電極触媒前駆体又は電極触媒粒子の担持方法としては公知の金属担持方法を採用することができる。好適な一例は、実施例で採用した電極触媒前駆体に貴金属アセチルアセトナートを使用する方法(貴金属アセチルアセトナート法)が挙げられる。アセチルアセトナート法では、貴金属アセチルアセトナートをジクロロメタンなどの適当な溶媒に溶解させた溶液に担体金属を担持したメソポーラスカーボンを分散し、それを撹拌及び溶媒の留去を行うことにより、ナノサイズの粒径分布の揃った電極触媒粒子を担体金属へ分散性よく担持することができる。 In addition, known metal loading methods can be used to load the electrode catalyst precursor or electrode catalyst particles onto the carrier metal. One suitable example is the method of using a noble metal acetylacetonate as the electrode catalyst precursor (noble metal acetylacetonate method) used in the examples. In the acetylacetonate method, mesoporous carbon loaded with a carrier metal is dispersed in a solution in which a noble metal acetylacetonate is dissolved in a suitable solvent such as dichloromethane, and the solution is stirred and the solvent is removed, whereby electrode catalyst particles with a uniform nano-sized particle size distribution can be loaded with good dispersibility onto the carrier metal.

<電極材料(B)>
以下、本発明の電極材料の第2の態様である電極材料(B)について説明する。なお、以下の説明において電極材料(A)と重複する内容は適宜省略して記載する。
<Electrode Material (B)>
Hereinafter, the electrode material (B) which is the second embodiment of the electrode material of the present invention will be described. In the following description, the contents overlapping with those of the electrode material (A) will be omitted as appropriate.

図2(a)は本発明の電極材料(B)(第2の態様)の代表的な構成を示す概念模式図であり、図2(b)は細孔近傍の拡大模式図である。
本発明の電極材料(第2の態様)では、メソポーラスカーボンに固着される、電極触媒粒子が担体金属と電極触媒構造体を形成していることに特徴がある。
FIG. 2(a) is a conceptual schematic diagram showing a representative structure of electrode material (B) (second embodiment) of the present invention, and FIG. 2(b) is an enlarged schematic diagram of the vicinity of a pore.
The electrode material (second embodiment) of the present invention is characterized in that the electrode catalyst particles fixed to the mesoporous carbon form an electrode catalyst structure together with the carrier metal.

図2(a)に示すように、本発明に係る電極材料1B(第2の態様)は、担体骨格であるメソポーラスカーボン2と、メソポーラスカーボン(細孔内表面2a及び細孔内外表面2b)に固着された電極触媒複合体3によって構成される。なお、図2(a)に示す電極材料1Bは、外表面2bにも電極触媒複合体3を有しているが、電極触媒複合体3は、細孔内表面2aのみに存在していてもよい。 As shown in FIG. 2(a), the electrode material 1B (second embodiment) according to the present invention is composed of mesoporous carbon 2, which is a support skeleton, and an electrode catalyst complex 3 fixed to the mesoporous carbon (pore inner surface 2a and pore inner and outer surfaces 2b). Note that the electrode material 1B shown in FIG. 2(a) also has an electrode catalyst complex 3 on the outer surface 2b, but the electrode catalyst complex 3 may be present only on the pore inner surface 2a.

すなわち、電極材料1Bにおいて、電極触媒複合体3はメソポーラスカーボン2におけるメソ孔領域の細孔内表面の一部または全部に担持されている。 That is, in electrode material 1B, the electrode catalyst composite 3 is supported on part or all of the inner pore surface of the mesopore region in the mesoporous carbon 2.

電極材料1Bにおいて、メソ孔領域の細孔の内部のみならず、メソ孔領域の細孔以外の細孔や外表面にも電極触媒複合体3が担持されていてもよい。 In the electrode material 1B, the electrode catalyst composite 3 may be supported not only inside the pores in the mesopore region, but also in pores other than the pores in the mesopore region and on the outer surface.

電極材料(B)において、メソポーラスカーボン2は、電極触媒複合体を固着(担持)させる担体としての機能と、電極を形成した際に電子伝導性を向上させる役割を有し、かつ、電極の骨格としての役割を有する。メソポーラスカーボンについては電極材料(A)と同じメソポーラスカーボンを使用することができるため説明を省略する。 In electrode material (B), mesoporous carbon 2 functions as a support for adhering (supporting) the electrode catalyst composite, improves electronic conductivity when the electrode is formed, and also serves as the skeleton of the electrode. The same mesoporous carbon as in electrode material (A) can be used for the mesoporous carbon, so a detailed explanation is omitted.

電極材料(B)において、電極触媒複合体3は、担体金属3a及び電極触媒粒子3bを含み、担体金属3aは、電極触媒粒子3bの間を埋めるように存在することに特徴がある。電極触媒複合体3は、このように電極触媒粒子3bの間の間隙を埋めるように担体金属3aが存在することによって、電極触媒粒子3bが凝集して肥大化することを抑制することができる。また、電極触媒複合体3もメソポーラスカーボン表面(特に細孔内表面)に固着されることにより、電極触媒複合体自体の凝集を抑制することができる。 In the electrode material (B), the electrode catalyst composite 3 includes a carrier metal 3a and electrode catalyst particles 3b, and is characterized in that the carrier metal 3a is present so as to fill the gaps between the electrode catalyst particles 3b. The electrode catalyst composite 3 can suppress the electrode catalyst particles 3b from agglomerating and becoming enlarged because the carrier metal 3a is present so as to fill the gaps between the electrode catalyst particles 3b. In addition, the electrode catalyst composite 3 is also fixed to the mesoporous carbon surface (particularly the inner pore surface), so that the electrode catalyst composite itself can be suppressed from agglomerating.

なお、図2においては、電極触媒粒子の間に存在する担体金属の形態は粒子であるが、担体金属の形態は電極触媒粒子の間に存在するのであれば粒子に限定されず、不定形であってもよい。また、担体金属は、結晶であっても非晶質体であってもよいが、その一部が結晶であること(すなわち、結晶と非晶質の混合体)が好ましく、全部が結晶であることがより好ましい。 In FIG. 2, the carrier metal between the electrode catalyst particles is in the form of particles, but the form of the carrier metal is not limited to particles as long as it is between the electrode catalyst particles, and may be indefinite. The carrier metal may be crystalline or amorphous, but it is preferable that it is partially crystalline (i.e., a mixture of crystalline and amorphous), and it is more preferable that it is entirely crystalline.

電極材料(B)において、電極の骨格としての役割を、メソポーラスカーボンが担うため、電極触媒複合体3の粒径を小さくすることができる。 In the electrode material (B), mesoporous carbon serves as the skeleton of the electrode, allowing the particle size of the electrode catalyst composite 3 to be reduced.

なお、「電極触媒複合体の大きさ」は、電子顕微鏡像より調べられる任意の電極触媒複合体(20個)の大きさの平均値により得ることができる。電極触媒複合体の形状が球形以外の場合は、最大長を示す方向の長さを電極触媒複合体の大きさとする。 The "size of the electrode catalyst composite" can be obtained by averaging the sizes of any electrode catalyst composites (20 pieces) examined from electron microscope images. If the shape of the electrode catalyst composite is not spherical, the length in the direction showing the maximum length is regarded as the size of the electrode catalyst composite.

電極材料(B)において、電極触媒複合体の一部又は全部がメソポーラスカーボンの細孔内に存在していてもよい。この場合、電極触媒複合体の大きさは、メソポーラスカーボンの細孔の径より小さいことが必要であり、メソポーラスカーボンの細孔径(例えば、3~40nm)に対応して、2~30nmの大きさである。 In the electrode material (B), a part or all of the electrode catalyst complex may be present in the pores of the mesoporous carbon. In this case, the size of the electrode catalyst complex must be smaller than the diameter of the pores of the mesoporous carbon, and is 2 to 30 nm, which corresponds to the pore diameter of the mesoporous carbon (e.g., 3 to 40 nm).

メソポーラスカーボンの細孔内の電極触媒複合体の割合は、電極触媒複合体の全数(細孔外及び細孔内の電極触媒複合体の合計)を100%としたときに、好適には50%以上、より好適には80%以上、さらに好適には90%以上(100%含む)である。
メソポーラスカーボンの細孔内の電極触媒複合体の個数は、高角度散乱暗視野走査透過電子顕微鏡(HAADF-STEM)を使用して確認することができる。
The proportion of the electrode catalyst composites within the pores of the mesoporous carbon is preferably 50% or more, more preferably 80% or more, and even more preferably 90% or more (including 100%), when the total number of electrode catalyst composites (the sum of the electrode catalyst composites outside and inside the pores) is taken as 100%.
The number of electrocatalyst composites within the pores of the mesoporous carbon can be confirmed using high angle dark field scanning transmission electron microscopy (HAADF-STEM).

細孔内の電極触媒複合体の大きさは、メソポーラスカーボンの細孔を閉塞せず、ガスなどの物質移動を阻害しない範囲で決定される。メソポーラスカーボンの細孔径にもよるが、細孔の内表面に固着される電極触媒複合体の大きさは、好適には粒径0.5nm以上15nm以下である。 The size of the electrode catalyst composite in the pores is determined so as not to block the pores of the mesoporous carbon or inhibit the transfer of substances such as gas. Although it depends on the pore size of the mesoporous carbon, the size of the electrode catalyst composite attached to the inner surface of the pores is preferably a particle size of 0.5 nm or more and 15 nm or less.

外表面の電極触媒複合体は、メソ孔の閉塞に実質的に関与しないため、細孔内の電極触媒複合体より大きくてもよいが、好適には典型的には平均粒径10~500nmである。「電極触媒複合体の平均粒径」は、電子顕微鏡像より調べられる任意の電極触媒複合体(20個)の粒子径の平均値により得ることができる。 The electrode catalyst composite on the outer surface does not substantially contribute to blocking the mesopores, so it may be larger than the electrode catalyst composite inside the pores, but preferably has an average particle size of typically 10 to 500 nm. The "average particle size of the electrode catalyst composite" can be obtained by averaging the particle sizes of any electrode catalyst composite (20 pieces) examined from an electron microscope image.

また、電極触媒複合体の担持量は、電極として十分な量の電極触媒金属が含まれるような範囲で適宜決定される。電極触媒金属の活性は、電極触媒金属の種類、結晶性、粒径等及び複合化させる担体金属の種類、結晶性、粒径等に依存するため、この点を考慮して電極触媒複合体の担持量が決定される。 The amount of the electrode catalyst composite supported is appropriately determined within a range that contains a sufficient amount of electrode catalyst metal as an electrode. The activity of the electrode catalyst metal depends on the type, crystallinity, particle size, etc. of the electrode catalyst metal and the type, crystallinity, particle size, etc. of the carrier metal to be composited, so the amount of the electrode catalyst composite supported is determined taking this into consideration.

以下、電極材料(B)の電極触媒複合体を構成する担体金属及び電極触媒金属について詳述する。 The support metal and electrode catalyst metal that constitute the electrode catalyst composite of electrode material (B) are described in detail below.

電極触媒複合体を構成する担体金属は、上述した電極材料(A)で説明した担体金属と同じものが使用されるため詳細な説明は割愛し、以下簡略に説明する。 The carrier metal that constitutes the electrode catalyst composite is the same as the carrier metal described in the electrode material (A) above, so a detailed explanation is omitted and a brief explanation is given below.

電極触媒複合体を構成する担体金属は、PEFCカソード条件及び/又はPEFCアノード条件で十分な耐久性と電子伝導性を併せ持つ。
担体金属の形態は、本発明の目的を損なわない限り、任意であり、例えば、粒子状、島状、膜状等が挙げられる。また、担体金属は、結晶に限定されず、非晶質であってよく、結晶と非晶質の混合体であってもよいが、より優れた電子伝導性を高めるためには、担体金属は結晶であることが好ましい。
The support metal constituting the electrode catalyst composite has both sufficient durability and electronic conductivity under PEFC cathode conditions and/or PEFC anode conditions.
The form of the support metal is arbitrary as long as it does not impair the object of the present invention, and examples of the form include particulate, island, film, etc. Furthermore, the support metal is not limited to being crystalline, and may be amorphous or a mixture of crystalline and amorphous, but in order to enhance better electronic conductivity, the support metal is preferably crystalline.

担体金属として使用される材料としては、タンタル(Ta)、タングステン(W)、ニオブ(Nb)及びスズ(Sn)等の金属種、及びこれらの金属種を主成分として含む合金が挙げられる。なお、電極材料に固着された際に、これらの金属の最表面は酸化されて酸化物層を形成する場合があるが、本発明においては最表面に酸化物層を有する場合も担体金属とみなすものとする。 Materials used as carrier metals include metals such as tantalum (Ta), tungsten (W), niobium (Nb) and tin (Sn), as well as alloys containing these metals as the main components. When these metals are attached to the electrode material, the outermost surface of the metal may be oxidized to form an oxide layer, but in the present invention, the metals that have an oxide layer on the outermost surface are also considered to be carrier metals.

担体金属の好適例は、タンタル(Ta)、タングステン(W)及びニオブ(Nb)から選択されるいずれかの金属、及びこれらの金属を主成分として含む合金であり、特にタンタル(Ta)またはタンタル合金が好適である。 Preferred examples of the carrier metal are any metal selected from tantalum (Ta), tungsten (W) and niobium (Nb), and alloys containing these metals as the main component, with tantalum (Ta) or a tantalum alloy being particularly preferred.

上述の通り、本発明における電極触媒複合体において、担体金属は電極触媒粒子の間を埋めるように存在することによって、電極触媒粒子の凝集を阻害するものであり、担体金属は、この目的を達成できるような形態で含まれていればよい。
電極触媒複合体における担体金属の割合は、担体金属の種類や大きさ、結晶性、並びに複合化される電極触媒金属の種類、量や大きさに応じて適宜決定される。
As described above, in the electrode catalyst composite of the present invention, the support metal is present so as to fill the spaces between the electrode catalyst particles, thereby inhibiting the aggregation of the electrode catalyst particles, and the support metal may be contained in a form that can achieve this purpose.
The proportion of the support metal in the electrode catalyst composite is appropriately determined depending on the type, size and crystallinity of the support metal, as well as the type, amount and size of the electrode catalyst metal to be composited.

なお、本発明の電極材料では、担体金属は、電極触媒複合体において電極触媒粒子の間を充填させるものであり担体金属を小さくできるので、これに起因する電気抵抗を小さくできる。そのため、担体金属が結晶である場合のみならず、非晶質体であってもよい。但し、電気抵抗をより小さくするためには、担体金属の少なくとも一部は結晶であることが好ましく、全部が結晶であることが好ましい。 In the electrode material of the present invention, the carrier metal fills the gaps between the electrode catalyst particles in the electrode catalyst composite, and the carrier metal can be made small, so the electrical resistance caused by this can be reduced. Therefore, the carrier metal may not only be crystalline, but may also be amorphous. However, in order to further reduce the electrical resistance, it is preferable that at least a portion of the carrier metal is crystalline, and it is preferable that the entire carrier metal is crystalline.

担体金属の量は、担体金属の種類や、電極触媒複合体を構成する電極触媒粒子の種類、大きさ、メソポーラスカーボンの物性(細孔分布、比表面積等)等を考慮して適宜決定される。担体金属が少なすぎると、電極触媒複合体における電極触媒の凝集を抑制できなくなり、多すぎるとメソポーラスカーボンの細孔外に多く固着し、凝集して性能が低下する場合がある。なお、担体金属の固着量は、例えば、誘導結合プラズマ発光分析(ICP)によって調べることができる。 The amount of carrier metal is determined appropriately taking into consideration the type of carrier metal, the type and size of the electrode catalyst particles that make up the electrode catalyst composite, the physical properties of the mesoporous carbon (pore distribution, specific surface area, etc.), etc. If there is too little carrier metal, it will not be possible to suppress the aggregation of the electrode catalyst in the electrode catalyst composite, and if there is too much, too much will adhere to the outside of the pores of the mesoporous carbon, which may result in aggregation and reduced performance. The amount of adhered carrier metal can be investigated, for example, by inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP).

電極触媒複合体を構成する電極触媒粒子は、上述した電極材料(A)で説明した電極触媒粒子と同じものが使用されるため詳細な説明は割愛し、以下簡略に説明する。 The electrode catalyst particles that make up the electrode catalyst composite are the same as those described in the electrode material (A) above, so a detailed description is omitted and a brief description is given below.

電極触媒粒子は、酸素の還元(及び水素の酸化)に対する電気化学的触媒活性を有するものであればよいが、好適には、Pt,Ru,Ir,Pd,Rh,Os,Au,Ag等の貴金属、及びこれらの貴金属を含む合金から選択される電極触媒金属が好ましい。 The electrode catalyst particles may be any that have electrochemical catalytic activity for the reduction of oxygen (and the oxidation of hydrogen), but are preferably electrode catalyst metals selected from precious metals such as Pt, Ru, Ir, Pd, Rh, Os, Au, and Ag, and alloys containing these precious metals.

電極触媒金属の中でも、Pt及びPtを含む合金(Pt合金)は、固体高分子形燃料電池の作動温度である80℃付近の温度域において、酸素の還元(及び水素の酸化)に対する電気化学的触媒活性が高いため、特に好適に使用することができる。
Pt合金におけるPt以外の金属種は、合金を形成できる限り特に制限されないがコバルト(Co)であることが好ましい。
Among the electrode catalyst metals, Pt and alloys containing Pt (Pt alloys) are particularly suitable for use because they have high electrochemical catalytic activity for the reduction of oxygen (and the oxidation of hydrogen) in the temperature range around 80° C., which is the operating temperature of solid polymer electrolyte fuel cells.
The metal species other than Pt in the Pt alloy is not particularly limited as long as it is capable of forming an alloy, but is preferably cobalt (Co).

また、電極触媒金属は結晶があることが好ましいが、結晶と非晶質の混合体であってもよい。 In addition, the electrode catalyst metal is preferably crystalline, but may be a mixture of crystalline and amorphous.

すなわち、電極触媒(B)における電極触媒金属の好適な態様の一つは、前記電極触媒金属が、平均粒子径1~10nmの貴金属(好適にはPt及びPtを含む合金)からなる粒子である。 That is, one of the preferred embodiments of the electrode catalyst metal in the electrode catalyst (B) is that the electrode catalyst metal is made of particles of a precious metal (preferably Pt or an alloy containing Pt) having an average particle size of 1 to 10 nm.

電極触媒金属の量は、目的とする電極触媒活性と、複合化させる担体金属の種類や量を考慮して決定される。なお、電極触媒金属の担持量は、例えば、誘導結合プラズマ発光分析(ICP)によって調べることができる。 The amount of electrocatalyst metal is determined taking into consideration the desired electrocatalytic activity and the type and amount of carrier metal to be composited. The amount of electrocatalyst metal supported can be determined, for example, by inductively coupled plasma emission spectrometry (ICP).

電極触媒活性の観点からは、電極材料の全重量に対して、好ましくは0.1~60質量%、より好ましくは0.5~30質量%とすると、単位質量あたりの触媒活性に優れ、担持量に応じた所望の電極反応活性を得ることができる。 From the viewpoint of electrode catalytic activity, a loading of 0.1 to 60 mass% and more preferably 0.5 to 30 mass% relative to the total weight of the electrode material provides excellent catalytic activity per unit mass and allows for the desired electrode reaction activity according to the loading amount.

上述した電極材料(B)の製造方法は特に限定されず、電極材料を構成するメソポーラスカーボン、担体金属、電極触媒金属の種類に応じて適宜好適な方法を選択すればよい。
電極材料(B)の製造方法の一例は、水性有機溶媒に、メソポーラスカーボンを分散させた分散液に、電極触媒金属前駆体のアセチルアセトナート化合物と、担体金属前駆体のアセチルアセトナート化合物とを溶解させ、撹拌及び溶媒の留去を行うことにより、電極触媒金属前駆体と担体金属前駆体とが担持された担体骨格を得る工程(1)と、工程(1)で得られた電極触媒金属前駆体と担体金属前駆体とが担持された担体骨格を、不活性ガス雰囲気で熱処理することによって、電極触媒複合体を形成する工程(2)と、を含む製造方法が挙げられる。
The method for producing the electrode material (B) is not particularly limited, and a suitable method may be selected depending on the types of mesoporous carbon, carrier metal, and electrode catalyst metal that constitute the electrode material.
An example of a method for producing the electrode material (B) includes a production method including the steps of: step (1) of dissolving an acetylacetonate compound of an electrode catalyst metal precursor and an acetylacetonate compound of a support metal precursor in a dispersion liquid obtained by dispersing mesoporous carbon in an aqueous organic solvent, stirring the mixture, and distilling off the solvent to obtain a support skeleton carrying the electrode catalyst metal precursor and the support metal precursor; and step (2) of heat-treating, in an inert gas atmosphere, the support skeleton carrying the electrode catalyst metal precursor and the support metal precursor obtained in step (1), to form an electrode catalyst composite.

<2.電極>
本発明の電極は、上述の本発明の電極材料とプロトン伝導性電解質材料を含む。本発明の電極において、本発明の電極材料が互いに接触して導電パスを形成している。
2. Electrodes
The electrode of the present invention includes the above-mentioned electrode material of the present invention and a proton-conductive electrolyte material. In the electrode of the present invention, the electrode materials of the present invention are in contact with each other to form a conductive path.

以下に、本発明の電極材料を用いて形成した燃料電池用電極について説明する。具体的には、上述の電極材料をPEFCにおける電極として用いたケースについて説明する。 The following describes a fuel cell electrode formed using the electrode material of the present invention. Specifically, we will explain the case where the above-mentioned electrode material is used as an electrode in a PEFC.

この燃料電池用電極は、上述の電極材料のみから構成されていてもよいが、通常、燃料電池の電解質に使用されるプロトン伝導性電解質材料(以下、「プロトン伝導性電解質材料」、または単に「電解質材料」と記載する場合がある。)を含む。電極材料と共に燃料電池の電極に含まれる電解質材料は、燃料電池用電解質膜に使用される電解質材料と同じであってもよく、異なってもよい。燃料電池用電極と電解質膜の密着性を向上させる観点から、同じものを用いることが好ましい。 The fuel cell electrode may be composed only of the above-mentioned electrode materials, but typically contains a proton-conductive electrolyte material used in the electrolyte of the fuel cell (hereinafter, sometimes referred to as "proton-conductive electrolyte material" or simply "electrolyte material"). The electrolyte material contained in the fuel cell electrode together with the electrode material may be the same as the electrolyte material used in the fuel cell electrolyte membrane, or may be different. From the viewpoint of improving the adhesion between the fuel cell electrode and the electrolyte membrane, it is preferable to use the same material.

PEFCの電極と電解質膜とに使用される電解質材料としては、プロトン伝導性電解質材料が挙げられる。このプロトン伝導性電解質材料は、ポリマー骨格の全部または一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質材料と、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質材料に大別され、この両者を電解質材料として使用することができる。 The electrolyte materials used in the electrodes and electrolyte membranes of PEFCs include proton-conductive electrolyte materials. These proton-conductive electrolyte materials are broadly divided into fluorine-based electrolyte materials that contain fluorine atoms in all or part of the polymer backbone, and hydrocarbon-based electrolyte materials that do not contain fluorine atoms in the polymer backbone, and both of these can be used as electrolyte materials.

フッ素系電解質材料としては、具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などが好適な一例として挙げられる。 Specific examples of suitable fluorine-based electrolyte materials include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.).

炭化水素系電解質材料としては、具体的には、ポリスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールスルホン酸、ポリベンズイミダゾールホスホン酸、ポリイミドスルホン酸等のポリマーや、これらにアルキル基等の側鎖を有するポリマーが好適な一例として挙げられる。 Specific examples of suitable hydrocarbon electrolyte materials include polymers such as polysulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, polyaryl ether ketone sulfonic acid, polyphenyl sulfonic acid, polybenzimidazole sulfonic acid, polybenzimidazole phosphonic acid, and polyimide sulfonic acid, as well as polymers having side chains such as alkyl groups.

上記電極材料と電極材料と混合する電解質材料との質量比は、これらの材料を用いて形成される電極内の良好なプロトン伝導性を付与し、かつ電極内のガス拡散及び水蒸気の排出をスムーズに行えるように適宜決定すればよい。ただし、電極材料に混合する電解質材料の量が多すぎるとプロトン伝導性はよくなるが、ガスの拡散性は低下する。逆に混合する電解質材料の量が少なすぎるとガス拡散性はよくなるが、プロトン伝導性は低下する。そのため、上記電極材料に対する電解質材料の質量比率は、10~50質量%が好適な範囲である。この質量比率が10質量%より小さい場合は、プロトン伝導性を有する材料の連続性が悪くなり、燃料電池用電極として十分なプロトン伝導性が確保できない。逆に50質量%より大きい場合は電極材料の連続性が悪くなり、燃料電池用電極として十分な電子伝導性を有することができなくなる場合がある。さらには電極内部でのガス(酸素、水素、水蒸気)の拡散性が低下する場合がある。 The mass ratio of the electrode material to the electrolyte material mixed with the electrode material may be appropriately determined so as to provide good proton conductivity in the electrode formed using these materials and to smoothly diffuse gas and discharge water vapor in the electrode. However, if the amount of electrolyte material mixed with the electrode material is too large, the proton conductivity will be good but the gas diffusibility will be low. Conversely, if the amount of electrolyte material mixed is too small, the gas diffusibility will be good but the proton conductivity will be low. Therefore, the mass ratio of the electrolyte material to the electrode material is preferably in the range of 10 to 50 mass%. If this mass ratio is less than 10 mass%, the continuity of the proton-conductive material will be poor, and sufficient proton conductivity cannot be secured as an electrode for a fuel cell. Conversely, if it is more than 50 mass%, the continuity of the electrode material will be poor, and it may not be possible to have sufficient electronic conductivity as an electrode for a fuel cell. Furthermore, the diffusibility of gases (oxygen, hydrogen, water vapor) inside the electrode may be reduced.

本発明の燃料電池用電極は、本発明の目的を損なわない範囲で、上述の電極材料やプロトン伝導性材料以外の成分を含んでいてもよい。
例えば、上述の電極材料に含まれるメソポーラスカーボン以外の導電材(以下、「他の導電材」と記載する。)を含んでいてもよい。他の導電材を含むことにより、電極材料をつなぐ導電パスが増加し、電極全体としての導電性が向上する場合がある。
The fuel cell electrode of the present invention may contain components other than the above-mentioned electrode material and proton conductive material, provided that the object of the present invention is not impaired.
For example, the electrode material may contain a conductive material other than the mesoporous carbon (hereinafter, referred to as "another conductive material") contained in the electrode material. By containing the other conductive material, the number of conductive paths connecting the electrode materials increases, and the conductivity of the electrode as a whole may be improved.

他の導電材としては、燃料電池用電極に使用される公知の導電材を使用することができる。典型的には炭素系の導電材であり、例えば、カーボンブラック、活性炭などの粒子状炭素(鎖状連結炭素粒子も含む)、カーボンファイバーやカーボンナノチューブ(CNT)等の繊維状炭素などが挙げられる。また、未担持のメソポーラスカーボンを他の導電材として使用することもできる。 As the other conductive material, known conductive materials used in fuel cell electrodes can be used. Typical conductive materials are carbon-based, and examples include particulate carbon such as carbon black and activated carbon (including chain-linked carbon particles), and fibrous carbon such as carbon fiber and carbon nanotubes (CNT). Unsupported mesoporous carbon can also be used as the other conductive material.

なお、本発明の電極材料を含む燃料電池用電極として、PEFC用電極について説明したが、PEFC以外にもアルカリ形燃料電池、リン酸形燃料電池などの各種燃料電池における電極として用いることができる。また、PEFCと同様な高分子電解質膜を使用した水の電解装置用の電極としても好適に使用することができる。
なお、本発明の電極材料を含む燃料電池用電極は、酸素の還元、水素の酸化に対する優れた電気化学的触媒活性を有するため、カソード及びアノードとして使用することができる。特に酸素還元の電気化学的触媒活性に優れ、燃料電池の運転条件で担体である導電性材料の電気化学的酸化分解が起こらないことから、特にカソードとして好適に使用することができる。
Although the electrode for a PEFC has been described as an electrode for a fuel cell including the electrode material of the present invention, the electrode material can be used as an electrode for various fuel cells other than PEFC, such as alkaline fuel cells, phosphoric acid fuel cells, etc. The electrode material can also be suitably used as an electrode for a water electrolysis device using a polymer electrolyte membrane similar to that of a PEFC.
The electrode for a fuel cell containing the electrode material of the present invention has excellent electrochemical catalytic activity for oxygen reduction and hydrogen oxidation, and can be used as a cathode and an anode. In particular, the electrode has excellent electrochemical catalytic activity for oxygen reduction, and electrochemical oxidative decomposition of the conductive material, which is the carrier, does not occur under the operating conditions of the fuel cell, and therefore can be suitably used as a cathode.

また、本発明の燃料電池用電極は、PEFC以外にもアルカリ形燃料電池、リン酸形燃料電池などの各種燃料電池における電極として用いることができる。また、PEFCと同様な固体高分子電解質膜を使用した水の電解装置用の電極としても好適に使用することができる。 The fuel cell electrode of the present invention can be used as an electrode in various fuel cells other than PEFC, such as alkaline fuel cells and phosphoric acid fuel cells. It can also be suitably used as an electrode for water electrolysis devices that use a solid polymer electrolyte membrane similar to that of PEFC.

<3.膜電極接合体(MEA)>
本発明の膜電極接合体は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方面に接合されたカソードと、前記固体高分子電解質膜の他方面に接合されたアノードと、を有する膜電極接合体であって、前記カソードとアノードのいずれか一方又は両方が、上記本発明の電極であることを特徴とする。
<3. Membrane electrode assembly (MEA)>
The membrane electrode assembly of the present invention comprises a solid polymer electrolyte membrane, a cathode bonded to one side of the solid polymer electrolyte membrane, and an anode bonded to the other side of the solid polymer electrolyte membrane. The membrane electrode assembly is characterized in that either or both of the cathode and the anode are the electrodes of the present invention.

本発明の好適な実施形態として、本発明の電極材料を含む燃料電池用電極をカソードに使用した膜電極接合体について説明する。
図3は本発明の実施形態に係る膜電極接合体の断面構造を模式的に示したものである。図3に示すように膜電極接合体10は、カソード4及びアノード5が固体高分子電解質膜6に対面して配置された構造を有する。
As a preferred embodiment of the present invention, a membrane electrode assembly using a fuel cell electrode containing the electrode material of the present invention as a cathode will be described.
3 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, a membrane electrode assembly 10 has a structure in which a cathode 4 and an anode 5 are disposed facing a solid polymer electrolyte membrane 6.

カソード4は、電極触媒層4aとガス拡散層4bで構成される。 The cathode 4 is composed of an electrode catalyst layer 4a and a gas diffusion layer 4b.

ガス拡散層4bとしては従来公知のガス拡散層を使用することができる。例えば、従来PEFCのガス拡散層として使用されている、100nm~90μm程度の細孔径分布を有する導電性の炭素系シート状部材が挙げられ、好適には撥水処理が施されたカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン不織布等を用いることができる。また、ステンレススチール等の炭素系材料以外のシート状部材でもよい。このようなガス拡散層4bの厚みは特に制限はないが、通常、50μm~1mm程度である。また、ガス拡散層4bは、その片面に平均粒径10~100nm程度の炭素微粒子の集合体及び撥水材からなるマイクロポーラス層を有していてもよい。 A conventionally known gas diffusion layer can be used as the gas diffusion layer 4b. For example, a conductive carbon-based sheet-like member having a pore size distribution of about 100 nm to 90 μm, which has been conventionally used as a gas diffusion layer in PEFCs, can be used. Carbon paper, carbon cloth, carbon nonwoven fabric, etc. that have been subjected to a water-repellent treatment can be preferably used. Sheet-like members other than carbon-based materials such as stainless steel can also be used. There is no particular limit to the thickness of such a gas diffusion layer 4b, but it is usually about 50 μm to 1 mm. In addition, the gas diffusion layer 4b may have a microporous layer on one side thereof, which is made of an aggregate of carbon fine particles with an average particle size of about 10 to 100 nm and a water-repellent material.

アノード5は、電極触媒層5aとガス拡散層5bで構成される。アノード5としては、本発明の燃料電池用電極のほか、その他の公知のアノードも同様に使用できる。例えば、グラファイト、カーボンブラック、活性炭、カーボンナノチューブ、グラッシーカーボンなどの炭素系材料からなる導電性担体の表面上に、触媒である貴金属粒子を担持した電極材料と、燃料電池の電解質材料との分散液を塗布・乾燥して製造された電極触媒層5aを、ガス拡散層5b上に形成した電極が挙げられる。アノード5のガス拡散層5bは、カソード4で説明したガス拡散層4bと同様のものが使用できる。 The anode 5 is composed of an electrode catalyst layer 5a and a gas diffusion layer 5b. As the anode 5, in addition to the fuel cell electrode of the present invention, other known anodes can be used in the same manner. For example, an electrode in which an electrode catalyst layer 5a is formed on a gas diffusion layer 5b by applying and drying a dispersion of an electrode material carrying precious metal particles as a catalyst and an electrolyte material of the fuel cell on the surface of a conductive support made of a carbon-based material such as graphite, carbon black, activated carbon, carbon nanotubes, or glassy carbon. The gas diffusion layer 5b of the anode 5 can be the same as the gas diffusion layer 4b described for the cathode 4.

固体高分子電解質膜6としては、プロトン伝導性を有し、化学的安定性及び熱的安定性を有するものであれば公知のPEFC用電解質膜を用いればよい。なお、図3では厚みを強調して図示しているが、電気抵抗を小さくするため固体高分子電解質膜6の厚みは通常0.007~0.05mm程度である。 As the solid polymer electrolyte membrane 6, any known electrolyte membrane for PEFCs may be used as long as it has proton conductivity and is chemically and thermally stable. Note that although the thickness is emphasized in FIG. 3, the thickness of the solid polymer electrolyte membrane 6 is usually about 0.007 to 0.05 mm in order to reduce electrical resistance.

固体高分子電解質膜6を構成する電解質材料としては、フッ素系電解質材料、炭化水素系電解質材料が挙げられる。特にフッ素系電解質材料で形成されている電解質膜が、耐熱性、化学的安定性などに優れているため好ましい。具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などが好適例として挙げられる。 The electrolyte material constituting the solid polymer electrolyte membrane 6 may be a fluorine-based electrolyte material or a hydrocarbon-based electrolyte material. In particular, an electrolyte membrane formed from a fluorine-based electrolyte material is preferred because of its excellent heat resistance and chemical stability. Specifically, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) are suitable examples.

以上、図面を参照して本発明のMEAの実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。 The above describes embodiments of the MEA of the present invention with reference to the drawings, but these are merely examples of the present invention, and various configurations other than those described above can also be adopted.

<4.固体高分子形燃料電池>
本発明の固体高分子形燃料電池(単セル)は、本発明の膜電極接合体を備え、通常、膜電極接合体をガス流路が形成されたセパレータで挟持した構造を有する。
<4. Polymer electrolyte fuel cell>
The polymer electrolyte fuel cell (single cell) of the present invention comprises the membrane electrode assembly of the present invention, and generally has a structure in which the membrane electrode assembly is sandwiched between separators having gas flow paths formed therein.

図4は本発明の固体高分子形燃料電池の代表的な構成を示す概念図である。図4に示すように、固体高分子形燃料電池20においてアノード5には水素が供給され、(反応1)2H2 → 4H++4e-によって、生成したプロトン(H+)は固体高分子電解質膜6を介してカソード4に供給され、また、生成した電子は外部回路21を介してカソードへ供給され、(反応2)O2+4H++4e-→2H2Oによって、酸素と反応して水を生成する。
このアノードとカソードの電気化学反応によって両電極間に電位差を発生させる。本発明の固体高分子形燃料電池において、本発明の膜電極接合体以外の構成要素は、公知の固体高分子形燃料電池と同様であるため、詳細な説明を省略する。
実際には、本発明の固体高分子形燃料電池(単セル)が発電性能に応じた基数だけ積層された燃料電池スタックが形成され、ガス供給装置、冷却装置などその他付随する装置を組み立てることにより使用される。
Fig. 4 is a conceptual diagram showing a typical configuration of a polymer electrolyte fuel cell of the present invention. As shown in Fig. 4, in a polymer electrolyte fuel cell 20, hydrogen is supplied to the anode 5, and protons (H + ) generated by (reaction 1) 2H 2 → 4H + + 4e - are supplied to the cathode 4 via the solid polymer electrolyte membrane 6, and the generated electrons are supplied to the cathode via an external circuit 21, and react with oxygen by (reaction 2) O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O to generate water.
A potential difference is generated between the two electrodes by the electrochemical reaction between the anode and the cathode. In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the components other than the membrane electrode assembly of the present invention are similar to those of known polymer electrolyte fuel cells, and therefore detailed description thereof will be omitted.
In practice, a fuel cell stack is formed by stacking the solid polymer electrolyte fuel cells (single cells) of the present invention in a number appropriate for the power generation performance, and the fuel cell stack is used by assembling other associated devices such as a gas supply device and a cooling device.

以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these.

1.電極材料の作製
以下の実施例と比較例の電極材料を製造した。
1. Preparation of Electrode Materials Electrode materials of the following examples and comparative examples were produced.

使用した多孔質炭素、貴金属前駆体化合物、電子伝導性酸化物は以下の通りである。
<多孔質炭素>
多孔質炭素として、下記メソポーラスカーボン(MC)(東洋炭素(株)製、「多孔質炭素CNovel MJ(4)010(グレード名)」)を使用した。
設計細孔径:10nm
比表面積:1100m2/g
全細孔容積:2.0mL/g
ミクロ孔容積:0.4mL/g
粒径:100mesh pass(粉砕して使用)
<Ta原料化合物>
Ta原料化合物として、タンタルエトキシド(Ta(OC254,(株)高純度化学研究所)を使用した。
<貴金属前駆体化合物>
貴金属前駆体化合物として、Ptアセチルアセトナート(Pt(C5722、Platinum(II) acetylacetonate,97%,Sigma Aldrich)を使用した。なお、Ptアセチルアセトナートを、以下、Pt前駆体(Pt(acac)2)と記載する場合がある。
The porous carbon, the noble metal precursor compound, and the electronically conductive oxide used are as follows.
<Porous carbon>
As the porous carbon, the following mesoporous carbon (MC) (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., "Porous Carbon CNovel MJ(4)010 (grade name)") was used.
Design pore diameter: 10nm
Specific surface area: 1100m 2 /g
Total pore volume: 2.0 mL/g
Micropore volume: 0.4 mL/g
Particle size: 100 mesh pass (used after crushing)
<Ta raw material compound>
Tantalum ethoxide (Ta(OC 2 H 5 ) 4 , Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.) was used as the Ta raw material compound.
<Precious metal precursor compound>
As a precious metal precursor compound, Pt acetylacetonate (Pt( C5H7O2 ) 2 , Platinum(II) acetylacetonate, 97%, Sigma Aldrich) was used. Hereinafter, Pt acetylacetonate may be referred to as Pt precursor (Pt( acac ) 2 ).

<実施例1~3>
図5に示すフローチャートの通り、水蒸気加水分解法によって実施例の電極材料(電極触媒未担持)を作製した。
まず、担体骨格材である上記メソポーラスカーボン(MC)50mgを、ボールミルで、1μm程度の粒径になるまで粉砕を施した後、有機溶媒(容積比2:1のアセチルアセトンとトルエンの混合液)に分散させて、MCを含む分散液を得た。次いで、タンタルエトキシド試薬を有機溶媒(エタノール)に溶解し、Taが35wt%となるよう調製した金属エトキシド溶液を準備し、この金属エトキシド溶液を、MCを含む分散液に加え、溶媒総量50mLになるよう調製してから、超音波撹拌をしながら減圧し、有機溶媒を蒸発させることで、MC表面(細孔内表面及び外表面)に金属エトキシド試薬を均一に吸着させた乾燥粉末を得た。
得られた乾燥粉末を粉砕後、30℃の水蒸気窒素雰囲気(3%加湿N雰囲気)中で1時間保持することで金属エトキシド試薬の水蒸気加水分解を進行させたのち、窒素雰囲気中で400℃に昇温して2時間保持し、更に窒素雰囲気中で800℃まで昇温して30分間保持した。その後、水素雰囲気中において所定温度で所定時間保持し還元処理することで、実施例1~3の電極材料(Ta/MC、電極触媒未担持)を作製した。
実施例1~3の電極材料(Ta/MC)の作製時の水素雰囲気中の条件を表1に示す。
<Examples 1 to 3>
As shown in the flow chart of FIG. 5, an electrode material of the example (without supporting an electrode catalyst) was produced by a steam hydrolysis method.
First, 50 mg of the above mesoporous carbon (MC) as the support skeleton was pulverized in a ball mill to a particle size of about 1 μm, and then dispersed in an organic solvent (a mixture of acetylacetone and toluene in a volume ratio of 2:1) to obtain a dispersion containing MC. Next, a tantalum ethoxide reagent was dissolved in an organic solvent (ethanol) to prepare a metal ethoxide solution containing 35 wt % Ta. This metal ethoxide solution was added to the dispersion containing MC, and the total amount of solvent was adjusted to 50 mL. The pressure was reduced while ultrasonic stirring was performed, and the organic solvent was evaporated to obtain a dry powder in which the metal ethoxide reagent was uniformly adsorbed on the MC surface (the inner and outer surfaces of the pores).
The obtained dried powder was pulverized and then held for 1 hour in a water vapor nitrogen atmosphere (3% humidified N2 atmosphere) at 30°C to allow steam hydrolysis of the metal ethoxide reagent to proceed, and then heated to 400°C in a nitrogen atmosphere and held for 2 hours, and further heated to 800°C in a nitrogen atmosphere and held for 30 minutes. After that, the electrode materials (Ta/MC, no electrode catalyst supported) of Examples 1 to 3 were produced by holding the material at a predetermined temperature for a predetermined time in a hydrogen atmosphere for reduction treatment.
Table 1 shows the conditions in the hydrogen atmosphere during the preparation of the electrode materials (Ta/MC) of Examples 1 to 3.

次いで、図6に示すフローチャートの通り、実施例2の電極材料(電極触媒未担持)に、白金アセチルアセトナート法により、電極触媒粒子であるPt触媒粒子を担持した。Pt前駆体(Pt(acac)2)の量は、Ptが32wt%になるようにした。
ナスフラスコに、タンタルを担持したMCからなる実施例2の電極材料(電極触媒未担持)およびPt前駆体を加え、さらにアセトンを加え溶解させた。次いで、ナスフラスコを氷冷しながら、超音波撹拌装置にて、溶媒が全て揮発するまで撹拌して、乾燥粉末を得た。次いで、得られた乾燥粉末をN2雰囲気下で、210℃で3時間、240℃で3時間還元処理を施すことで、実施例2の電極材料(Pt/Ta/MC)を得た。
Next, as shown in the flow chart of Fig. 6, Pt catalyst particles, which are electrode catalyst particles, were supported on the electrode material (not supporting an electrode catalyst) of Example 2 by a platinum acetylacetonate method. The amount of Pt precursor (Pt(acac) 2 ) was adjusted so that Pt was 32 wt%.
The electrode material of Example 2 (electrode catalyst not supported) consisting of tantalum-supported MC and Pt precursor were added to the eggplant flask, and acetone was further added to dissolve. Next, while cooling the eggplant flask on ice, the mixture was stirred with an ultrasonic stirrer until all the solvent was evaporated to obtain a dry powder. Next, the obtained dry powder was subjected to reduction treatment in a N2 atmosphere at 210°C for 3 hours and at 240°C for 3 hours to obtain the electrode material of Example 2 (Pt/Ta/MC).

<比較例>
比較例として、金属エトキシド溶液を使用しないこと以外は、実施例1と同様にして比較例の電極材料(Pt/MC)を得た。
Comparative Example
As a comparative example, a comparative electrode material (Pt/MC) was obtained in the same manner as in Example 1, except that the metal ethoxide solution was not used.

<参考例>
参考例として、市販の白金担持カーボンブラック触媒(Pt/C、(田中貴金属工業社製、TEC10E50E)を使用した。
<Reference Example>
As a reference example, a commercially available platinum-supported carbon black catalyst (Pt/C, (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10E50E) was used.

2.物性評価(微細構造観察)
(1)電極材料(電極触媒未担持)
図7に実施例1の電極材料(電極触媒未担持)のFESEM像及びSTEM像、図8に実施例2の電極材料(電極触媒未担持)のFESEM像及びSTEM像、図9に実施例3の電極材料(電極触媒未担持)のSTEM像を示す。なお、以下の残留酸素はエネルギー分散型X線分光法(EDS)で測定された値である。
図7~9の通り、実施例1~3のいずれの電極材料(電極触媒未担持)においても、Ta粒子が均一に担持されていることが確認された。また、実施例1(水素雰囲気下300℃、4時間)は残留酸素が8~10%であり、実施例2(水素雰囲気下500℃、2時間)及び、実施例3(水素雰囲気下600℃、2時間)は残留酸素が4~5%であったことから、水素雰囲気下500℃以上の熱処理で、Ta前駆体からTaへの還元がより進行したと判断した。また、図9から実施例3(水素雰囲気下600℃、2時間)は細孔の中にTaの単原子の部分と10個程度の原子層の部分がそれぞれ存在していると判断した。
2. Physical property evaluation (microstructure observation)
(1) Electrode material (without electrode catalyst)
Fig. 7 shows an FESEM image and an STEM image of the electrode material (electrode catalyst not supported) of Example 1, Fig. 8 shows an FESEM image and an STEM image of the electrode material (electrode catalyst not supported) of Example 2, and Fig. 9 shows an STEM image of the electrode material (electrode catalyst not supported) of Example 3. Note that the residual oxygen values below are values measured by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS).
As shown in Figures 7 to 9, it was confirmed that Ta particles were uniformly supported in all of the electrode materials (electrode catalyst not supported) of Examples 1 to 3. In addition, the residual oxygen was 8 to 10% in Example 1 (under hydrogen atmosphere at 300°C for 4 hours), and the residual oxygen was 4 to 5% in Example 2 (under hydrogen atmosphere at 500°C for 2 hours) and Example 3 (under hydrogen atmosphere at 600°C for 2 hours). Therefore, it was determined that the reduction of the Ta precursor to Ta was more advanced by heat treatment at 500°C or higher under a hydrogen atmosphere. In addition, it was determined from Figure 9 that Example 3 (under hydrogen atmosphere at 600°C for 2 hours) had a Ta monoatomic portion and a portion of about 10 atomic layers in the pores.

3.電気化学的評価(ハーフセル)
3-1.サイクリックボルタンメトリー(CV)の評価
実施例2(Pt/Ta/MC)及び参考例(Pt/C)の電極材料について、サイクリックボルタンメトリー(CV)による評価を行った。CVから求めた水素吸着量から電気化学的表面積(ECSA)を算出した。なお、ECSAは、電極材料に含まれるPtの有効表面積に相当する。
3. Electrochemical evaluation (half cell)
3-1. Evaluation by cyclic voltammetry (CV) The electrode materials of Example 2 (Pt/Ta/MC) and Reference Example (Pt/C) were evaluated by cyclic voltammetry (CV). The electrochemical surface area (ECSA) was calculated from the amount of hydrogen adsorption determined by CV. The ECSA corresponds to the effective surface area of Pt contained in the electrode material.

評価用の燃料電池電極は、以下の手順で作製した。
まず、超純水19mLと2-プロパノール6mLの混合溶液を、電極材料粉末の入ったサンプル瓶に加え、続けて5%Nafion分散液100μLを加えた後、氷水にサンプル瓶を浸した状態で超音波撹拌を30分間行って電極材料分散液とした。なお、電極材料粉末の量は、電極上に電極材料の分散液10μLを滴下した際に、電極上の単位面積当たりのPt質量が17.3μg-Pt/cm2となるようにした。調製した電極材料分散液10μLを、マイクロピペットを用いてAuディスク電極上に滴下し、恒温器に入れて60℃で約15分間乾燥を行うことで、Nafion膜を形成させて電極材料をAu電極上に固定し、評価用の燃料電池電極(作用極)を得た。
The fuel cell electrodes for evaluation were prepared in the following manner.
First, a mixed solution of 19 mL of ultrapure water and 6 mL of 2-propanol was added to a sample bottle containing an electrode material powder, followed by adding 100 μL of 5% Nafion dispersion, and then ultrasonic stirring was performed for 30 minutes while the sample bottle was immersed in ice water to obtain an electrode material dispersion. The amount of electrode material powder was such that when 10 μL of the electrode material dispersion was dropped onto the electrode, the Pt mass per unit area on the electrode was 17.3 μg -Pt / cm 2. 10 μL of the prepared electrode material dispersion was dropped onto an Au disk electrode using a micropipette, and the electrode material was dried in a thermostatic chamber at 60 ° C. for about 15 minutes to form a Nafion film and fix the electrode material on the Au electrode, thereby obtaining a fuel cell electrode (working electrode) for evaluation.

CVの測定条件は以下の通りである。なお、1原子のPtに付き1原子のHが吸着すると仮定すると210μC/cm2の電気量となる。

測定:三電極式セル(作用極:評価用の燃料電池電極、対極:Pt、参照極:Ag/AgCl)
電解液:0.1M HClO4(pH:約1)
測定電位範囲:0.05~1.2V(可逆水素電極基準)
走査速度 :50 mV/s
水素吸着量:0.05~0.4Vの水素吸着を示すピーク面積から算出
電気化学的表面積(ECSA):下記式より算出

ECSA=(水素吸着量)[μC] / 210[μC/cm2]
The CV measurement conditions are as follows: If it is assumed that one atom of H is adsorbed per one atom of Pt, the electrical charge is 210 μC/cm 2 .

Measurement: Three-electrode cell (working electrode: fuel cell electrode for evaluation, counter electrode: Pt, reference electrode: Ag/AgCl)
Electrolyte: 0.1M HClO 4 (pH: approx. 1)
Measurement potential range: 0.05 to 1.2 V (based on reversible hydrogen electrode)
Scanning speed: 50 mV/s
Hydrogen adsorption amount: Calculated from the peak area showing hydrogen adsorption at 0.05 to 0.4 V Electrochemical surface area (ECSA): Calculated from the following formula

ECSA = (hydrogen adsorption amount) [μC] / 210 [μC/cm 2 ]

図10に実施例2及び参考例の電極材料のサイクリックボルタモグラムを示す。図10の通り、実施例2の電極材料(Pt/Ta/MC)を使用した電極は、Ptに由来する水素の吸脱着に由来するピーク(0.05~0.4V)が観察され、燃料電池用電極として機能することが確認された。
さらに、実施例2の電極材料(Pt/Ta/MC)は、参考例の電極材料(Pt/C,TEC10E50E)と比較して同程度であり、図11に示す通り、電気化学的表面積(ECSA)が同等であることが確認された(ECSA 実施例2:78.5m2/g、参考例:73.8m2/g)。
Fig. 10 shows cyclic voltammograms of the electrode materials of Example 2 and Reference Example. As shown in Fig. 10, in the electrode using the electrode material of Example 2 (Pt/Ta/MC), a peak (0.05 to 0.4 V) due to the adsorption and desorption of hydrogen originating from Pt was observed, and it was confirmed that the electrode functions as an electrode for a fuel cell.
Furthermore, the electrode material of Example 2 (Pt/Ta/MC) was comparable to the electrode material of the reference example (Pt/C, TEC10E50E), and as shown in Figure 11, it was confirmed that the electrochemical surface areas (ECSA) were equivalent (ECSA Example 2: 78.5 m2 /g, Reference Example: 73.8 m2 /g).

3-2.ORR活性の評価
実施例2及び参考例の電極材料について、ORR活性を評価した。
ORR活性は、回転ディスク電極法(RDE法)でリニアスイープボルタンメトリー(LSV)を行い、得られる活性化支配電流(ik)を基に算出するMass activity(単位Pt重量当たりの活性)を指標とした。

Mass activity = i / 電極上のPt質量

活性化支配電流(ik)は、回転電極測定によって得られた電流-電位曲線について、任意の電位においてi-1とω-1/2でプロットして得られるKoutecky-Levichプロットを作成し、得られた直線を外挿することによって切片から求めた。
具体的な手順として、まず、O2を50mL/分で30分間バブリングした後、0.2VRHEから貴な方向に向けて10mV/sで1.20VRHEまで電位を走査し、測定を行った。なお、測定中は常にO2を50mL/分でパージした。なお、VRHEは可逆水素電極(RHE)基準の電位である。
3-2. Evaluation of ORR Activity The ORR activity of the electrode materials of Example 2 and Reference Example was evaluated.
The ORR activity was measured by linear sweep voltammetry (LSV) using the rotating disk electrode method (RDE method), and the mass activity (activity per unit Pt weight) calculated based on the activation current ( ik ) obtained was used as an index.

Mass activity = i k / Pt mass on electrode

The activation current (i k ) was determined from the intercept by extrapolating the straight line obtained by plotting the current-potential curve obtained by rotating electrode measurement at i -1 and ω -1/2 at an arbitrary potential to create a Koutecky-Levich plot.
Specifically, O2 was bubbled at 50 mL/min for 30 minutes, and then the potential was scanned from 0.2 V RHE to 1.20 V RHE at 10 mV/s in the noble direction and the measurement was performed. Note that O2 was constantly purged at 50 mL/min during the measurement. Note that V RHE is the potential based on the reversible hydrogen electrode (RHE).

図12に実施例2及び参考例の電極材料のリニアスイープボルタモグラム(1600rpm)、図13にORR測定で得られた実施例2の電極材料の0.9VRHE時のMass activityは179.2A/g_Ptであり、参考例には及ばないものの比較的高い初期活性を示した。金属Taが持つ導電性によって導電パスが確保され、高い活性となったことと判断した。 Figure 12 shows linear sweep voltammograms (1600 rpm) of the electrode materials of Example 2 and Reference Example, and Figure 13 shows the mass activity of the electrode material of Example 2 at 0.9 V RHE obtained by ORR measurement, which was 179.2 A/ g_Pt , and showed a relatively high initial activity, although it was not as high as that of the Reference Example. It was determined that the conductive path was secured by the conductivity of the metal Ta, resulting in high activity.

3-3.起動停止サイクル試験
実施例2及び比較例の電極材料について燃料電池実用化推進協議会(FCCJ)が推奨する方法(固体高分子形燃料電池の目標・研究開発課題と評価方法の提案、平成23年1月発行)で起動停止サイクル試験を行った。起動停止サイクル試験は、カーボン腐食を促進させるサイクル試験であり、具体的には図14に示す1.0~1.5VRHEの短形波を、1サイクル当たり2秒印加することを繰り返し、サイクル試験後の電極触媒の劣化挙動をECSA変化として評価する。
3-3. Start-stop cycle test A start-stop cycle test was conducted for the electrode materials of Example 2 and Comparative Example by the method recommended by the Fuel Cell Commercialization Council of Japan (FCCJ) (Proposal of goals, research and development issues and evaluation methods for polymer electrolyte fuel cells, published in January 2011). The start-stop cycle test is a cycle test that promotes carbon corrosion, and specifically, a rectangular wave of 1.0 to 1.5 V RHE shown in Figure 14 is repeatedly applied for 2 seconds per cycle, and the deterioration behavior of the electrode catalyst after the cycle test is evaluated as an ECSA change.

図15に起動停止サイクル試験(2万サイクル迄)における実施例2及び比較例の電極材料を使用した電極のECSA変化を示す。
図15の通り、実施例2(Pt/Ta/MC)のECSAは、5000サイクルまでは比較例(Pt/MC)より若干小さかったが、5000サイクルを超えると逆転し、実施例2の方が、比較例より大きくなった。
FIG. 15 shows the change in ECSA of the electrodes using the electrode materials of Example 2 and the comparative example during a start-stop cycle test (up to 20,000 cycles).
As shown in FIG. 15, the ECSA of Example 2 (Pt/Ta/MC) was slightly smaller than that of the Comparative Example (Pt/MC) up to 5000 cycles, but after 5000 cycles, the relationship was reversed and Example 2 became larger than the Comparative Example.

3-4.負荷変動サイクル試験
実施例2及び比較例の電極材料について、負荷変動サイクル耐久性試験を行った。負荷変動サイクル試験は、燃料電池実用化推進協議会(FCCJ)が推奨する方法(固体高分子形燃料電池の目標・研究開発課題と評価方法の提案、平成23年1月発行)にて、負荷変動を模擬した電位サイクルを印加することによって行った。図16に示す負荷変動サイクルは,触媒自体の溶解・再析出などを伴う劣化を促進させるサイクルであり、0.6~1.0 VRHEの短形波を用いて1サイクル当たり3秒ずつの6秒印加することで実験を行い、負荷変動サイクル試験前後のECSA変化、LSV変化を測定した。
3-4. Load change cycle test A load change cycle durability test was conducted on the electrode materials of Example 2 and Comparative Example. The load change cycle test was conducted by applying a potential cycle simulating a load change according to the method recommended by the Fuel Cell Commercialization Promotion Council of Japan (FCCJ) (Proposal of the Goals, Research and Development Issues and Evaluation Methods of Polymer Electrolyte Fuel Cells, published in January 2011). The load change cycle shown in FIG. 16 is a cycle that promotes deterioration accompanied by dissolution and reprecipitation of the catalyst itself, and an experiment was conducted by applying a rectangular wave of 0.6 to 1.0 V RHE for 6 seconds, 3 seconds per cycle, and measuring the ECSA change and LSV change before and after the load change cycle test.

負荷変動サイクル試験後(40万サイクル)のECSA保持率を図17に示す。負荷変動サイクル試験後(40万サイクル)のECSA保持率は、実施例2の電極材料(Pt/Ta/MC)が43%であった。
負荷変動サイクル試験前後(40万サイクル)における実施例2の電極材料のLSV変化を図18に示す。LSV曲線のネガティブシフトがある程度抑えられており、40万サイクル後も活性を維持できていることが分かる。
The ECSA retention rate after the load change cycle test (400,000 cycles) is shown in Fig. 17. The ECSA retention rate after the load change cycle test (400,000 cycles) was 43% for the electrode material of Example 2 (Pt/Ta/MC).
The LSV change of the electrode material of Example 2 before and after the load change cycle test (400,000 cycles) is shown in Figure 18. It can be seen that the negative shift of the LSV curve is suppressed to some extent, and activity is maintained even after 400,000 cycles.

本発明の電極材料によれば、優れた電極触媒活性、電子伝導性、ガス拡散性、及び優れた耐久性を有する燃料電池用電極を供することができ、自動車、電力、ガス、家電業界で使用される固体高分子形燃料電池の電極構成部材として有望である。特に、負荷変動が激しい燃料電池自動車(乗用車及び商用車)向けに使用されることが期待される The electrode material of the present invention can provide a fuel cell electrode with excellent electrocatalytic activity, electronic conductivity, gas diffusion, and excellent durability, and is promising as an electrode component of solid polymer fuel cells used in the automobile, electric power, gas, and home appliance industries. It is particularly expected to be used for fuel cell vehicles (passenger cars and commercial vehicles) that are subject to large load fluctuations.

1A,1B 電極材料
2 メソポーラスカーボン
2a 細孔内表面
2b 外表面
3 電極触媒複合体
3a 担体金属
3b 電極触媒粒子
4 燃料電池用電極(カソード)
4a 電極触媒層(カソード)
4b ガス拡散層
5 燃料電池用電極(アノード)
5a 電極触媒層(アノード)
5b ガス拡散層
6 固体高分子電解質膜
10 膜電極接合体(MEA)
20 固体高分子形燃料電池
21 外部回路
P 細孔(メソ孔)
1A, 1B Electrode material 2 Mesoporous carbon 2a Pore inner surface 2b Outer surface 3 Electrode catalyst composite 3a Support metal 3b Electrode catalyst particle 4 Fuel cell electrode (cathode)
4a Electrode catalyst layer (cathode)
4b Gas diffusion layer 5 Fuel cell electrode (anode)
5a Electrode catalyst layer (anode)
5b Gas diffusion layer 6 Solid polymer electrolyte membrane 10 Membrane electrode assembly (MEA)
20 Solid polymer fuel cell 21 External circuit P Pore (mesopore)

Claims (10)

以下の電極材料(A)である電極材料。
電極材料(A):
メソポーラスカーボンからなる担体骨格と、前記メソポーラスカーボンの細孔内表面及び細孔外表面のうち少なくとも細孔内表面に固着した担体金属とからなる多孔質複合担体と、前記担体金属に担持された電極触媒粒子と、を含み、
前記電極触媒粒子の一部又は全部が、前記メソポーラスカーボンの細孔内に、前記担体金属を介して担持されてなることを特徴とする電極材料。
An electrode material which is the following electrode material (A).
Electrode material (A):
The present invention comprises a porous composite support comprising a support skeleton made of mesoporous carbon and a support metal fixed to at least the inner pore surface of the inner pore surface and the outer pore surface of the mesoporous carbon, and electrode catalyst particles supported on the support metal ,
An electrode material, characterized in that a part or all of the electrode catalyst particles are supported within the pores of the mesoporous carbon via the support metal.
以下の電極材料(B)である電極材料。An electrode material which is the following electrode material (B).
電極材料(B):Electrode material (B):
メソポーラスカーボンからなる担体骨格と、前記メソポーラスカーボンの細孔内表面及び細孔外表面のうち少なくとも細孔内表面に固着した電極触媒複合体とを含み、The support includes a support skeleton made of mesoporous carbon and an electrode catalyst composite fixed to at least the inner pore surface of the mesoporous carbon,
前記電極触媒複合体は、電極触媒粒子と担体金属とを含み、前記担体金属は、前記電極触媒粒子の間を埋めるように存在することを特徴とする電極材料。The electrode material, wherein the electrode catalyst composite comprises electrode catalyst particles and a support metal, the support metal being present so as to fill spaces between the electrode catalyst particles.
前記担体金属が、タンタル(Ta)、タングステン(W)、ニオブ(Nb)及びスズ(Sn)から選択されるいずれかの金属、及びこれらの金属を主成分として含む合金である請求項1または2に記載の電極材料。 3. The electrode material according to claim 1, wherein the support metal is any metal selected from the group consisting of tantalum (Ta), tungsten (W), niobium (Nb) and tin (Sn), or an alloy containing any of these metals as a main component. 前記担体金属が、タンタル(Ta)またはタンタル合金である請求項に記載の電極材料。 4. The electrode material according to claim 3 , wherein the support metal is tantalum (Ta) or a tantalum alloy. 前記メソポーラスカーボンが、メソ孔領域の細孔の一部又は全部が隣接するメソ孔領域の細孔と相互に連通している連通孔を有する請求項1または2に記載の電極材料。 3. The electrode material according to claim 1, wherein the mesoporous carbon has interconnected pores in which some or all of the pores in a mesopore region are interconnected with the pores in an adjacent mesopore region. 前記メソポーラスカーボンの細孔径が3nm以上40nm以下である請求項1または2に記載の電極材料。 3. The electrode material according to claim 1, wherein the mesoporous carbon has a pore size of 3 nm or more and 40 nm or less. 前記電極触媒粒子が、PtまたはPtを含む合金からなる粒子である請求項1または2に記載の電極材料。 3. The electrode material according to claim 1, wherein the electrode catalyst particles are particles made of Pt or an alloy containing Pt. 請求項1または2に記載の電極材料とプロトン伝導性電解質材料とを含むことを特徴とする電極。 An electrode comprising the electrode material according to claim 1 or 2 and a proton-conducting electrolyte material. 固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方面に接合されたカソードと、前記固体高分子電解質膜の他方面に接合されたアノードと、を有する膜電極接合体であって、前記アノードまたはカソードのいずれか一方又は両方が、請求項に記載の電極である膜電極接合体。 9. A membrane electrode assembly comprising a solid polymer electrolyte membrane, a cathode bonded to one side of the solid polymer electrolyte membrane, and an anode bonded to the other side of the solid polymer electrolyte membrane, wherein either or both of the anode and the cathode are the electrodes according to claim 8 . 請求項に記載の膜電極接合体を備えてなる固体高分子形燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 9 .
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