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JP7511245B2 - Electrode material, electrode, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Electrode material, electrode, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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Description

特許法第30条第2項適用 1.令和3年1月8日 第6回 NEXT-FC基盤研究報告会の配布資料「第6回 NEXT-FC基盤研究報告会のご案内」、発表資料(該当部分)に発表Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applies. 1. January 8, 2021, 6th NEXT-FC Basic Research Reporting Session Handout "Notice for the 6th NEXT-FC Basic Research Reporting Session" Announced in the presentation materials (relevant part)

本発明は、固体高分子形燃料電池や固体高分子形水電解装置の電極用に適した電極材料、当該電極材料を使用した電極及び膜電極接合体に関する。 The present invention relates to an electrode material suitable for use as an electrode in a polymer electrolyte fuel cell or a polymer electrolyte water electrolysis device, and to an electrode and a membrane electrode assembly using the electrode material.

固体高分子形燃料電池(PEFC)は、電解質膜と前記電解質膜の両面に積層された電極(アノード及びカソード)とを含む膜電極接合体(MEA)と、前記膜電極接合体の両面に積層されたガス拡散層(GDL)と、からなる発電モジュールを2つのセパレータで挟んだ構造のセルを基本単位として構成されている。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。 A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is composed of a basic unit, a cell having a structure in which a power generation module consisting of a membrane electrode assembly (MEA) including an electrolyte membrane and electrodes (anode and cathode) laminated on both sides of the electrolyte membrane, and gas diffusion layers (GDLs) laminated on both sides of the membrane electrode assembly is sandwiched between two separators. Fuel cell electrodes (particularly PEFC electrodes) generally consist of an electrode catalyst layer made of an electrode material having electrocatalytic activity and a polymer electrolyte, and a gas diffusion layer that combines gas permeability and electronic conductivity.

第一世代のPEFCの電極触媒層(アノード及びカソード)は、炭素系担体の表面に微細な白金系微粒子を担持した電極材料と電解質材料とを混合して、電極触媒層として使用される。このような炭素系担体を使用した電極触媒層は、PEFCの運転条件下では、炭素系担体上の白金系微粒子の凝集が生じたり、炭素系担体の酸化によって白金系微粒子の欠落が生じるため、電池性能が劣化してしまうことが課題となっていた。 The electrode catalyst layers (anode and cathode) of first-generation PEFCs are made by mixing an electrode material with fine platinum-based particles supported on the surface of a carbon-based support with an electrolyte material. Under the operating conditions of a PEFC, electrode catalyst layers using such carbon-based supports have the problem that the platinum-based particles on the carbon-based support tend to aggregate, and the platinum-based particles tend to fall off due to oxidation of the carbon-based support, resulting in degradation of cell performance.

より優れた電極性能を与えることができる電極触媒として、これまでに、炭素系担体に代えて、酸化スズ(SnO2)等の「電子導電性酸化物担体」を使用した燃料電池用電極材料を開発している(特許文献1参照)。この電極材料において、酸化物担体がPEFC作動条件(強酸性、高電位)で熱力学的に安定であるため酸化腐食されることなく長期間安定である。
そして、より電極性能に優れた電極触媒層を与える電極材料として、カーボンナノチューブ(CNT)等の繊維状炭素材料の表面上に酸化スズ(SnO2)や酸化チタン(TiO2)等の電子伝導性酸化物担体を担持し、さらに電子伝導性酸化物担体の上に白金(Pt)粒子を高分散させた燃料電池用電極触媒材料を開発している(特許文献2,3参照)。この燃料電池用電極触媒材料は、繊維状炭素材料表面上に電子伝導性酸化物担体を微粒子として高分散に担持することで、電子伝導性酸化物担体に起因する電気抵抗を低減させ、耐久性、電気化学的触媒活性を向上させ、燃料電池自動車寿命に相当する6万回の電位サイクルに耐える電極触媒材料を開発している。
As an electrode catalyst capable of providing superior electrode performance, a fuel cell electrode material has been developed that uses an "electronically conductive oxide support" such as tin oxide ( SnO2 ) instead of a carbon-based support (see Patent Document 1). In this electrode material, the oxide support is thermodynamically stable under PEFC operating conditions (strong acidity, high potential), and therefore is stable for a long period of time without being oxidized and corroded.
As an electrode material that provides an electrode catalyst layer with better electrode performance, an electrode catalyst material for fuel cells has been developed in which an electronically conductive oxide support such as tin oxide ( SnO2 ) or titanium oxide ( TiO2 ) is supported on the surface of a fibrous carbon material such as carbon nanotubes (CNT), and platinum (Pt) particles are further highly dispersed on the electronically conductive oxide support (see Patent Documents 2 and 3). This electrode catalyst material for fuel cells reduces the electrical resistance caused by the electronically conductive oxide support by supporting the electronically conductive oxide support as fine particles in a highly dispersed manner on the surface of the fibrous carbon material, and improves durability and electrochemical catalytic activity, resulting in an electrode catalyst material that can withstand 60,000 potential cycles, which corresponds to the lifespan of a fuel cell vehicle.

特許第5322110号公報Japanese Patent No. 5322110 特許第6598159号公報Patent No. 6598159 特許第6624711号公報Patent No. 6624711

燃料電池において発電性能に影響する最も重要な部材として電極触媒、電極触媒を担持する担体からなる電極材料があり、通常、電極触媒と電解質材料(イオノマー材料)を混合して電極を構成する。
一般的には、担体として導電性の炭素材料(カーボンブラック等)の表面に、電極触媒として微細な白金系微粒子を担持した材料を作製し、これにイオノマーを混合して、触媒層として使用される。現在、この触媒層材料の課題は、カーボン担体の酸化による白金粒子の脱離、白金の溶出・凝集、イオノマー量とガス供給・水排出のバランスが課題となっている。
PEFCの電極反応は、Pt等の電極触媒、電解質、反応物質(酸素又は水素)が共存するいわゆる三相界面で進行する。電極反応場である三相界面を増やすために、電極触媒層(アノード及びカソード)には電極触媒材料と共に、電解質材料であるイオノマー(ionomer)を含有する。イオノマーには、プロトン伝導性に優れると共に、三相界面に酸素又は水素ガス供給を阻害されないことが望ましい。
The most important components that affect the power generation performance of a fuel cell are the electrode catalyst and the electrode material, which consists of a carrier that supports the electrode catalyst. Usually, the electrode is composed of a mixture of the electrode catalyst and an electrolyte material (ionomer material).
In general, a material is prepared in which fine platinum-based particles are supported as an electrode catalyst on the surface of a conductive carbon material (carbon black, etc.) as a carrier, and then an ionomer is mixed into this to be used as a catalyst layer.Currently, issues with this catalyst layer material include the detachment of platinum particles due to oxidation of the carbon carrier, the elution and aggregation of platinum, and the balance between the amount of ionomer and the gas supply and water discharge.
The electrode reaction of a PEFC proceeds at a so-called three-phase interface where an electrode catalyst such as Pt, an electrolyte, and a reactant (oxygen or hydrogen) coexist. In order to increase the three-phase interface, which is the electrode reaction field, the electrode catalyst layer (anode and cathode) contains an ionomer, which is an electrolyte material, in addition to the electrode catalyst material. It is desirable for the ionomer to have excellent proton conductivity and not hinder the supply of oxygen or hydrogen gas to the three-phase interface.

しかしながら、電極触媒層を構築する材料のうち、電極触媒や触媒担体については、改善が図られているが、電極触媒層に含まれる電解質材料についてはほとんど注目されず、抜本的な課題解決はなされていないのが実情である。従来の電極触媒層の製造においては、長年使用されているフッ素系高分子イオノマーであるNafionやAquivionを電解質材料として、電極材料と混合させて、電極触媒層表面に物理的にコーティングする形で吸着させているのがほとんどであるが、この方法では電極に含まれる電解質材料が過剰量になって、電極触媒へのガス供給を阻害されるという問題が生じていた。 However, while improvements have been made to the electrode catalyst and catalyst carrier, which are the materials that make up the electrode catalyst layer, little attention has been paid to the electrolyte material contained in the electrode catalyst layer, and the reality is that no fundamental solutions have been made. In conventional electrode catalyst layer manufacturing, the electrolyte material is usually mixed with the electrode material using fluorine-based polymer ionomers such as Nafion and Aquivion, which have been used for many years, and is then physically coated and adsorbed onto the surface of the electrode catalyst layer. However, this method causes an excess of electrolyte material to be contained in the electrode, which can hinder the supply of gas to the electrode catalyst.

かかる状況下、本発明は、電極内に電解質材料を含ませなくとも発電可能な電極を与えることができる電極材料を提供することを目的とする。さらには、当該電極材料を含む電極及び膜電極複合体を提供することを目的とする。 In this situation, the present invention aims to provide an electrode material that can provide an electrode capable of generating electricity without including an electrolyte material in the electrode. It also aims to provide an electrode and a membrane electrode assembly that include the electrode material.

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。 As a result of extensive research into solving the above problems, the inventors discovered that the following invention meets the above objectives, and thus arrived at 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> 電子伝導性酸化物からなる酸化物担体と、前記酸化物担体の表面に固定された、イオン伝導性官能基を有するイオノマー分子からなる単分子層と、前記酸化物担体の表面に担持された電極触媒粒子と、を有する電極材料。
<2> 前記単分子層が、前記酸化物担体の表面と前記イオン伝導性官能基を有するイオノマー分子とが共有結合によって固定化されて形成されてなる<1>に記載の電極材料。
<3> 前記イオン伝導性官能基を有するイオノマー分子が、スルホン酸基を有する<1>または<2>に記載の電極材料。
<4> 前記イオン伝導性官能基を有するイオノマー分子が、分岐してもよい炭素数2以上50以下の炭化水素鎖又はフルオロカーボン鎖を有する<3>に記載の電極材料。
<5> 前記電子伝導性酸化物が、酸化スズ又は酸化スズを主体とする電子伝導性酸化物である<1>から<4>のいずれかに記載の電極材料。
<6> 前記電子伝導性酸化物が、ニオブドープ酸化スズである<5>に記載の電極材料。
<7> 前記電子伝導性酸化物が、導電補助材に固定化された<1>から<6>のいずれかに記載の電極材料。
<8> <1>から<7>のいずれかに記載の電極材料を含む電極。
<9> 固体高分子形燃料電池用又は固体高分子形水電解装置用である<8>に記載の電極。
That is, the present invention relates to the following inventions.
<1> An electrode material comprising: an oxide support made of an electronically conductive oxide; a monomolecular layer made of ionomer molecules having an ion-conductive functional group fixed to a surface of the oxide support; and electrode catalyst particles supported on the surface of the oxide support.
<2> The electrode material according to <1>, wherein the monomolecular layer is formed by fixing the ionomer molecule having the ion-conducting functional group to the surface of the oxide support by a covalent bond.
<3> The electrode material according to <1> or <2>, wherein the ionomer molecule having an ion-conducting functional group has a sulfonic acid group.
<4> The electrode material according to <3>, wherein the ionomer molecule having an ion-conductive functional group has a hydrocarbon chain or a fluorocarbon chain having 2 to 50 carbon atoms which may be branched.
<5> The electrode material according to any one of <1> to <4>, wherein the electronically conductive oxide is tin oxide or an electronically conductive oxide mainly composed of tin oxide.
<6> The electrode material according to <5>, wherein the electronic conductive oxide is niobium-doped tin oxide.
<7> The electrode material according to any one of <1> to <6>, wherein the electronically conductive oxide is fixed to a conductive auxiliary material.
<8> An electrode comprising the electrode material according to any one of <1> to <7>.
<9> The electrode according to <8>, which is for a polymer electrolyte fuel cell or a polymer electrolyte water electrolysis device.

<10> 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、前記カソード及びアノードの少なくとも一方が、<8>または<9>に記載の電極である膜電極接合体。
<11> <10>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。
<12> <10>に記載の膜電極接合体を備えてなる固体高分子形水電解装置。
<10> 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 at least one of the cathode and the anode is the electrode according to <8> or <9>.
<11> A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to <10>.
<12> A polymer electrolyte water electrolysis device comprising the membrane electrode assembly according to <10>.

本発明によれば、電極内に電解質材料を含ませなくとも発電可能な電極を与えることができる電極材料が提供される。 The present invention provides an electrode material that can generate electricity without including an electrolyte material in the electrode.

本発明の電極材料の模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of an electrode material of the present invention. 従来の電極材料と本発明の電極材料とのイオノマー分子の状態を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing the state of ionomer molecules in a conventional electrode material and the electrode material of the present invention. 電極材料の酸化物担体の表面にイオノマー分子単分子層を形成する反応の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a reaction for forming an ionomer molecule monolayer on the surface of an oxide support of an electrode material. 実施例1の電極材料(イオノマー分子修飾)の微細構造評価であり、(a)FE-SEM像、(b)EDX、である。1 shows microstructural evaluation of the electrode material (ionomer molecule modified) of Example 1, (a) FE-SEM image, (b) EDX. 起動停止模擬電位サイクルの説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a start-stop simulated potential cycle. 実施例1のMEAを用いた単セルのIV特性評価である。1 shows an evaluation of IV characteristics of a single cell using the MEA of Example 1.

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.

本発明は、電子伝導性酸化物からなる酸化物担体と、前記酸化物担体の表面に固定された、イオン伝導性官能基を有するイオノマー分子からなる単分子層と、前記酸化物担体の表面に担持された電極触媒粒子と、を有する電極材料(以下、「本発明の電極材料」と記載する。)に関する。 The present invention relates to an electrode material (hereinafter referred to as the "electrode material of the present invention") that has an oxide support made of an electronically conductive oxide, a monolayer made of ionomer molecules having ion-conductive functional groups fixed to the surface of the oxide support, and electrode catalyst particles supported on the surface of the oxide support.

図1に本発明の電極材料の模式図、図2に従来の電極材料と本発明の電極材料とのイオノマーの状態を示す説明図を示す。
本発明の電極材料は、炭素担体と比較して電気化学的安定性の高い電子伝導性酸化物からなる酸化物担体に電極触媒粒子が直接担持され、当該酸化物担体の表面(電極触媒粒子が担持されていない部分)に、イオン伝導性官能基を有するイオノマー分子が薄膜状(単分子層)に修飾している構成を有する。これにより、イオン伝導性官能基を有するイオノマー分子を電極材料内に有するため、電極を製造するに当たり、電極内に電解質材料を含ませなくとも、電極反応場(三相界面)にイオンを供給することができる。イオン伝導性官能基(典型的にはスルホン酸基)を有する低分子量のイオノマー分子を酸化物担体の表面全面(電極触媒粒子が担持している部分を除く)に単分子層(厚み3nm以下)で配列させるため、電極内のイオノマー分子が少量(1wt%未満)でも電極としてのイオン伝導を担えるという利点がある。
FIG. 1 is a schematic diagram of the electrode material of the present invention, and FIG. 2 is an explanatory diagram showing the ionomer state of a conventional electrode material and the electrode material of the present invention.
The electrode material of the present invention has a configuration in which electrode catalyst particles are directly supported on an oxide support made of an electronically conductive oxide having higher electrochemical stability than a carbon support, and the surface of the oxide support (parts on which the electrode catalyst particles are not supported) is modified with ionomer molecules having ion-conductive functional groups in the form of a thin film (monolayer). As a result, since the electrode material contains ionomer molecules having ion-conductive functional groups, ions can be supplied to the electrode reaction field (three-phase interface) without including an electrolyte material in the electrode when manufacturing the electrode. Since low-molecular-weight ionomer molecules having ion-conductive functional groups (typically sulfonic acid groups) are arranged in a monolayer (thickness of 3 nm or less) on the entire surface of the oxide support (excluding the part supported by the electrode catalyst particles), there is an advantage that even a small amount (less than 1 wt%) of ionomer molecules in the electrode can carry out ion conduction as an electrode.

図2左図に示すように、従来の電解質材料(イオノマー)を混合させるPEFC電極では、十分なイオン伝導性(プロトン伝導性)を発現させるため、触媒層表面に物理的に電解質材料(高分子量のイオノマー)をコーティングする形で吸着させている。そのため、電子伝導性酸化物からなる酸化物担体の場合、材料の10wt%程度の電解質材料(イオノマー分子)を必要としている。図2左に示すように、従来の電極材料では、電解質材料(イオノマー)によって電極触媒粒子を被覆されているため、電極反応場に酸素等の反応ガスの供給されることが阻害される。一方、図2右に示すように、本発明の電極材料では、酸化物担体の表面のみをイオノマー分子で薄膜状(単分子層)に修飾しているため、電極触媒粒子がイオノマー分子によって被覆されず、電極触媒粒子が露出しているため、電極反応場(いわゆる三相界面)へのガス供給が阻害されることを回避できる。このため、電極触媒粒子の触媒活性を落とさず、さらに燃料となる酸素などのガスの供給をスムーズに行うことが可能である。 As shown in the left diagram of FIG. 2, in PEFC electrodes in which a conventional electrolyte material (ionomer) is mixed, in order to develop sufficient ion conductivity (proton conductivity), the electrolyte material (high molecular weight ionomer) is physically coated and adsorbed onto the catalyst layer surface. Therefore, in the case of an oxide carrier made of an electronically conductive oxide, about 10 wt % of the material is required as the electrolyte material (ionomer molecules). As shown in the left diagram of FIG. 2, in the conventional electrode material, the electrode catalyst particles are covered with the electrolyte material (ionomer), which inhibits the supply of reactive gases such as oxygen to the electrode reaction field. On the other hand, as shown in the right diagram of FIG. 2, in the electrode material of the present invention, only the surface of the oxide carrier is modified with ionomer molecules in a thin film (monolayer), so that the electrode catalyst particles are not covered with ionomer molecules and are exposed, which prevents the gas supply to the electrode reaction field (so-called three-phase interface) from being inhibited. Therefore, it is possible to smoothly supply gases such as oxygen, which serves as fuel, without reducing the catalytic activity of the electrode catalyst particles.

本発明の電解質材料は、PEFC用のカソード電極材料やアノード電極材料として好適に使用することができる。また、固体高分子形水電解装置の電極材料としても好適である。 The electrolyte material of the present invention can be suitably used as a cathode electrode material or an anode electrode material for PEFCs. It is also suitable as an electrode material for solid polymer water electrolysis devices.

以下、本発明の電極材料における電子伝導性酸化物、イオノマー分子、及び電極触媒粒子についてより詳細に説明する。 The electronically conductive oxide, ionomer molecules, and electrode catalyst particles in the electrode material of the present invention are described in more detail below.

なお、本明細書において、「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℃、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、「PEFCのアノード条件」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℃、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。なお、以下、「PEFCのカソード条件及びアノード条件の少なくとも一方の条件」を「燃料電池使用条件」と記載する場合がある。 In this specification, "PEFC cathode conditions" refers to the conditions at the cathode during normal operation of the PEFC, where the temperature is between room temperature and 150°C and an oxygen-containing gas such as air is supplied (oxidizing atmosphere), and "PEFC anode conditions" refers to the conditions at the anode during normal operation of the PEFC, where the temperature is between room temperature and 150°C and an oxygen-containing fuel gas is supplied (reducing atmosphere). Hereinafter, "at least one of the PEFC cathode conditions and anode conditions" may be referred to as "fuel cell use conditions."

(電子伝導性酸化物)
本発明の電極材料における電子伝導性酸化物は、PEFCのカソード条件及びアノード条件の少なくとも一方の条件で安定な電子伝導性酸化物からなることが好ましい。
(Electron-conducting oxide)
The electronically conductive oxide in the electrode material of the present invention is preferably an electronically conductive oxide that is stable under at least one of the cathode conditions and the anode conditions of a PEFC.

電子伝導性酸化物として、具体的には、酸化スズ、酸化モリブデン、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化チタン及び酸化タングステンから選択される1種を主体とする電子伝導性酸化物が挙げられる。ここで、本発明において「主体とする電子伝導性酸化物」とは、(A)母体酸化物のみからなるもの、及び(B)他元素をドープされた酸化物であって、母体酸化物が50mol%以上含まれる複合酸化物を意味する。 Specific examples of electronically conductive oxides include those that are primarily made of one selected from tin oxide, molybdenum oxide, niobium oxide, tantalum oxide, titanium oxide, and tungsten oxide. In this specification, "electronically conductive oxide primarily made of" refers to (A) a composite oxide that is made of only a parent oxide, and (B) an oxide that is doped with another element and contains 50 mol % or more of the parent oxide.

ドープされる元素として、具体的には、Sn,Ti,Sb,Nb,Ta,W,In,V,Cr,Mn,Moなどが挙げられる(但し、母体酸化物と異なる元素である。)。ドープされる元素は、母体酸化物より価数が高い元素であり、例えば、母体酸化物が酸化スズの場合で例示すると、上記ドープ種元素のうち、Sn以外の元素(例えば、Nb)が選択される。 Specific examples of doped elements include Sn, Ti, Sb, Nb, Ta, W, In, V, Cr, Mn, and Mo (but these elements are different from the parent oxide). The doped element is an element with a higher valence than the parent oxide. For example, when the parent oxide is tin oxide, an element other than Sn (e.g., Nb) is selected from the above doping element types.

本発明の電極材料をPEFCのカソード用として使用する場合における電子伝導性酸化物の好適な一例は、酸化スズを主体とする酸化物である。ここで、「酸化スズを主体とする酸化物」とは、対象となる酸化スズを50mol%以上含む複合酸化物である。
元素としてスズ(Sn)は、PEFCのカソード条件で、酸化物であるSnO2が熱力学的に安定であり酸化分解が起こらない。また、酸化スズは、十分な電子伝導性を有し、電極触媒粒子(特には貴金属粒子)を高分散で担持が可能な担体となる。
なお、アノード用として使用する場合には、酸化スズを主体とする酸化物はPEFCのアノード条件で還元され金属Snとなるため好ましくない。
A suitable example of the electronically conductive oxide when the electrode material of the present invention is used for the cathode of a PEFC is an oxide mainly composed of tin oxide. Here, the term "oxide mainly composed of tin oxide" refers to a composite oxide containing 50 mol % or more of the target tin oxide.
As an element, tin (Sn) has an oxide, SnO2 , which is thermodynamically stable under the cathode conditions of a PEFC and does not undergo oxidative decomposition. In addition, tin oxide has sufficient electronic conductivity and can serve as a support capable of supporting electrode catalyst particles (especially precious metal particles) in a highly dispersed state.
When used for the anode, an oxide mainly composed of tin oxide is not preferable because it is reduced to metallic Sn under the anode conditions of the PEFC.

酸化スズを主体とする酸化物の中でも、より優れた電極性能を有する燃料電池用電極が形成できる点で、ニオブ(Nb)を0.1~20mol%ドープしたニオブドープ酸化スズが特に好ましい。 Among oxides mainly composed of tin oxide, niobium-doped tin oxide doped with 0.1 to 20 mol% niobium (Nb) is particularly preferred because it can form fuel cell electrodes with superior electrode performance.

本発明の電極材料の電子伝導性酸化物の他の好適な一例は、酸化チタンを主体とする酸化物である。元素としてチタン(Ti)は、PEFCのアノード条件で、酸化物であるTiO2が熱力学的に安定であり還元が起こらない。さらに酸化チタンを主体とする酸化物は、PEFCのアノード条件のみならず、カソード条件でも、酸化物であるTiO2が熱力学的に安定であるため、カソードとしても好適に使用できる。 Another suitable example of the electronically conductive oxide of the electrode material of the present invention is an oxide mainly made of titanium oxide. Titanium (Ti) as an element is thermodynamically stable as an oxide TiO2 under the anode conditions of PEFC, and reduction does not occur. Furthermore, an oxide mainly made of titanium oxide can be suitably used as a cathode, since the oxide TiO2 is thermodynamically stable not only under the anode conditions of PEFC, but also under the cathode conditions.

また、本発明の電極材料の電子伝導性酸化物の他の好適な一例は、スキン層がTiリッチ酸化物からなり、コア粒子がTi含有複合酸化物からなる態様である。
Tiリッチ酸化物層は、PEFCのカソード条件及びアノード条件の両方において安定であり、かつ、若干の電子導電性を有するため、スキン層として好適である。
Another preferable example of the electronically conductive oxide of the electrode material of the present invention is an embodiment in which the skin layer is made of a Ti-rich oxide and the core particle is made of a Ti-containing composite oxide.
A Ti-rich oxide layer is preferred as a skin layer because it is stable under both the cathode and anode conditions of a PEFC and has some electronic conductivity.

コア粒子のTi含有複合酸化物としては、例えば、Tiを含有するペロブスカイト型酸化物やスピネル型酸化物などが挙げられる。スキン層とコア粒子表面とが共にTiを含むため、結晶格子のマッチングがよい。
特にTi含有複合酸化物が、組成式がABO3で表されるペロブスカイト型酸化物であって、AサイトがCa、Sr、Ba、Laの群から選ばれる少なくとも1種であり、BサイトがTiである、Ti含有ペロブスカイト型酸化物であることが好ましい。
特に好適なTi含有ペロブスカイト型酸化物として、AサイトがSr、BサイトがTiであるSrTiO3である。なお、AサイトのSrの一部が他の原子に置換されてもよい。
Examples of the Ti-containing composite oxide of the core particle include Ti-containing perovskite-type oxides and spinel-type oxides, etc. Since both the skin layer and the core particle surface contain Ti, there is good matching of the crystal lattices.
In particular, the Ti-containing composite oxide is preferably a perovskite-type oxide having a composition formula of ABO3 , in which the A site is at least one element selected from the group consisting of Ca, Sr, Ba, and La, and the B site is Ti.
A particularly suitable Ti-containing perovskite oxide is SrTiO3 , in which the A site is Sr and the B site is Ti. Note that a part of the Sr in the A site may be substituted with other atoms.

また、Ti含有ペロブスカイト型酸化物において、BサイトのTiの一部がSb,Nb,Ta,W,Co,V,Cr,Mn,Moの群から選ばれる少なくとも1種で置換されていてもよい。 In addition, in the Ti-containing perovskite oxide, a portion of the Ti in the B site may be replaced with at least one element selected from the group consisting of Sb, Nb, Ta, W, Co, V, Cr, Mn, and Mo.

本発明の電極材料において、電子伝導性酸化物は、電極触媒粒子を担持する担体としての役割を有する。なお、以下の説明において、電子伝導性酸化物を「本発明の酸化物担体」と称する場合がある。 In the electrode material of the present invention, the electronically conductive oxide serves as a support that supports the electrode catalyst particles. In the following description, the electronically conductive oxide may be referred to as the "oxide support of the present invention."

電子伝導性酸化物の形状は特に制限はないが、典型的には粒子状や薄膜状である。
粒子状の電子伝導性酸化物の場合、好適には平均粒径3~200nmである。なお、「粒子状の電子伝導性酸化物の平均粒径」は、電子顕微鏡像より調べられる任意の粒子(20個)の粒子径の平均値により得ることができる。
薄膜状の電子伝導性酸化物の場合、好適には平均膜厚2~50nmである。なお、「薄膜状の電子伝導性酸化物の平均膜厚」は、薄膜の電子伝導性酸化物の厚み方向の断面電子顕微鏡像より調べられる任意位置の厚み(5点)の平均値により得ることができる。
The shape of the electronically conductive oxide is not particularly limited, but is typically in the form of particles or a thin film.
In the case of a particulate electronically conductive oxide, the average particle size is preferably 3 to 200 nm. The "average particle size of the particulate electronically conductive oxide" can be obtained by averaging the particle sizes of any particles (20 particles) examined from an electron microscope image.
In the case of a thin film of an electronically conductive oxide, the average thickness is preferably 2 to 50 nm. The "average thickness of a thin film of an electronically conductive oxide" can be obtained by averaging thicknesses (five points) at arbitrary positions obtained by examining a cross-sectional electron microscope image of the thin film of an electronically conductive oxide in the thickness direction.

電子伝導性酸化物は、電極触媒の担持量を高めるために、機械的強度が保てる範囲で、表面性が大きい方が好ましい。具体的にはBET比表面積が70m/g以上が好適であり、より好適には100m/g以上、さらに好適には150m/g以上である。 In order to increase the amount of the electrode catalyst supported, the electronic conductive oxide preferably has a large surface area within a range where mechanical strength can be maintained. Specifically, the BET specific surface area is preferably 70 m2 /g or more, more preferably 100 m2 /g or more, and even more preferably 150 m2 /g or more.

また、本発明の電極材料における電子伝導性酸化物の量は、電子伝導性酸化物の粒径(薄膜状の場合は膜厚)や表面積等の電子伝導性酸化物の物性、電子伝導性酸化物の製造方法によっても最適値がかわるため、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。電子伝導性酸化物が少なすぎると、電極材料として十分な量の電極触媒粒子が担持できなくなる。電子伝導性酸化物が多すぎると電子伝導性酸化物の粒径(薄膜状の場合は膜厚)が大きくなりすぎて電極材料の電気抵抗が大きくなる場合がある。 The amount of electronically conductive oxide in the electrode material of the present invention is appropriately determined within a range that can support a sufficient amount of electrode catalyst particles, since the optimal value varies depending on the particle size (film thickness in the case of a thin film) and physical properties of the electronically conductive oxide, such as surface area, and the manufacturing method of the electronically conductive oxide. If the amount of electronically conductive oxide is too small, a sufficient amount of electrode catalyst particles cannot be supported as an electrode material. If the amount of electronically conductive oxide is too large, the particle size (film thickness in the case of a thin film) of the electronically conductive oxide may become too large, resulting in high electrical resistance of the electrode material.

電子伝導性酸化物は、そのまま電極触媒の担体として使用することもできるし、これを導電補助材と複合化させて使用することもできる。なお、本明細書において、「導電補助材」とは、電極材料に含まれ、電極を形成した際に電子伝導性を向上させる役割を有するものを意味する。 The electronically conductive oxide can be used as it is as a support for the electrode catalyst, or it can be used in combination with a conductive auxiliary material. In this specification, the term "conductive auxiliary material" refers to a material that is included in the electrode material and has the role of improving the electronic conductivity when the electrode is formed.

電子伝導性酸化物を、そのまま電極触媒の担体として使用する場合、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確保できる大きさ、形状であればよい。具体的には、平均粒径が1~500nm(好ましくは1~100nm)の一次粒子が凝集した平均粒径0.1~5μm(好ましくは0.3~1μm)の二次粒子が挙げられる。 When the electronically conductive oxide is used as it is as a carrier for an electrode catalyst, it is sufficient that the size and shape are such that continuous contact is possible and sufficient space is secured to allow smooth diffusion of gases such as hydrogen and oxygen and discharge of water (vapor) in the fuel cell electrode. Specifically, examples include secondary particles with an average particle size of 0.1 to 5 μm (preferably 0.3 to 1 μm) formed by agglomeration of primary particles with an average particle size of 1 to 500 nm (preferably 1 to 100 nm).

また、一次粒子(5nm~100nmの平均一次粒子径)の電子伝導性酸化物を融着させて形成した連鎖状または房状の構造の融着体であってもよい。 It may also be a fused body with a chain-like or bunch-like structure formed by fusing primary particles (average primary particle size of 5 nm to 100 nm) of an electronically conductive oxide.

本発明の電極材料は導電補助材に固定化されていてもよい。本発明の電極材料と導電補助材との固定化の態様の制限はないが、例えば、好適な態様として、電極材料が、導電補助材の表面上に分散担持された態様が挙げられる。この場合、電極材料の平均粒径が、1~200nmが好適であり、平均粒径1~40nmがより好適である。また、導電補助材を薄膜状の電子伝導性酸化物が被覆する形態であってもよい。薄膜状電子伝導性酸化物は、例えば、蒸着などの乾式法で導電補助材に対し、電子伝導性酸化物を被覆することで形成できる。 The electrode material of the present invention may be fixed to a conductive auxiliary material. There are no limitations on the manner in which the electrode material of the present invention and the conductive auxiliary material are fixed, but for example, a preferred embodiment is one in which the electrode material is dispersed and supported on the surface of the conductive auxiliary material. In this case, the average particle size of the electrode material is preferably 1 to 200 nm, and more preferably 1 to 40 nm. The conductive auxiliary material may also be coated with a thin film of electronically conductive oxide. The thin film of electronically conductive oxide can be formed, for example, by coating the conductive auxiliary material with electronically conductive oxide using a dry method such as vapor deposition.

導電補助材は特に制限はないが、導電性の高い、炭素系導電補助材や金属系導電補助材を使用できる。 There are no particular limitations on the conductive auxiliary material, but highly conductive carbon-based conductive auxiliary materials or metal-based conductive auxiliary materials can be used.

炭素系導電補助材は、粒状、繊維状等の任意の形状、大きさの炭素材料が使用できる。
例えば、繊維状炭素は相互接触性がよく、電子伝導性に優れ、電極を形成した際に導電パスが形成されるため、好適な炭素系材料の一つである。
繊維状炭素は、中空状あるいは繊維状の炭素材料であり、具体的にはカーボンナノチューブ(CNT)やカーボンナノファイバーが挙げられる。なお、本発明において、「カーボンナノチューブ」とは、単層CNT、2層CNT、複層CNT及びこれらの混合物を含む。
The carbon-based conductive auxiliary material may be a carbon material of any shape and size, such as granular or fibrous.
For example, fibrous carbon has good mutual contact and excellent electronic conductivity, and forms a conductive path when an electrode is formed, and therefore is one of the preferred carbon-based materials.
The fibrous carbon is a hollow or fibrous carbon material, and specific examples thereof include carbon nanotubes (CNTs) and carbon nanofibers. In the present invention, the term "carbon nanotubes" includes single-walled CNTs, double-walled CNTs, multi-walled CNTs, and mixtures thereof.

ここで、電極を形成した際の電極内の電気伝導性とガス拡散性を両立させるためには、繊維状炭素は直径2nm~10μm、全長0.03~500μmであることが好適である。なお、中空状あるいは繊維状の炭素材料のうち、カーボンナノチューブに代表されるように、直径が100nm以下のもの、または、気相成長炭素繊維(Vaper Grown Carbon Fiber,VGCF)のような直径が100~1000nm程度のもの、活性炭素繊維のような直径が1μm~20μmのものを指すことが多いが、これらの炭素材料の長さと呼称についての明確な規定はないため、本明細書内ではこれらを合わせて繊維状炭素と称する。 Here, in order to achieve both electrical conductivity and gas diffusion within the electrode when it is formed, it is preferable that the fibrous carbon has a diameter of 2 nm to 10 μm and a total length of 0.03 to 500 μm. Note that, among hollow or fibrous carbon materials, the term often refers to those with a diameter of 100 nm or less, such as carbon nanotubes, those with a diameter of about 100 to 1000 nm, such as vapor grown carbon fiber (VGCF), and those with a diameter of 1 μm to 20 μm, such as activated carbon fiber, but since there are no clear regulations regarding the length and names of these carbon materials, they are collectively referred to as fibrous carbon in this specification.

繊維状炭素として表面がグラファイト構造であるものを好適に用いることができる。表面がグラファイト構造である繊維状炭素としては、カーボンナノチューブ(単層CNT、2層CNT、複層CNTの何れも含む)、気相成長炭素繊維(VGCF)が挙げられ、高結晶性、高純度のものが好ましい。 As the fibrous carbon, one having a graphite structure on the surface can be preferably used. Examples of fibrous carbon having a graphite structure on the surface include carbon nanotubes (including single-walled CNT, double-walled CNT, and multi-walled CNT) and vapor-grown carbon fibers (VGCF), and those with high crystallinity and high purity are preferred.

また、金属系導電補助材として、チタンやチタン合金からなる導電補助材が挙げられ、特に繊維状のものが好ましく用いられる。なお、「チタン合金」とは「Tiを40モル%以上含む合金」を意味する。Tiと合金化させる金属は、本発明の目的を損なわない限り、特に限定されない。 Metal-based conductive auxiliary materials include conductive auxiliary materials made of titanium or titanium alloys, and fibrous materials are particularly preferred. Note that "titanium alloy" means "an alloy containing 40 mol % or more of Ti." There are no particular limitations on the metal to be alloyed with Ti, as long as it does not impair the objective of the present invention.

(イオン伝導性官能基を有するイオノマー分子)
単分子層は、イオン伝導性官能基を有するイオノマー分子を酸化物担体表面に導入して形成される。イオノマー分子は、炭化水素系有機分子に、イオン伝導性官能基を導入した構造を有している。官能基を有する部分は有機分子末端や有機分子主鎖や分岐など、どの部分であってもよい。イオン伝導性官能基の固定化量は、酸化物担体の種類や表面積等、イオノマー分子を考慮して官能基の量や種類を制御することができる。
(Ionomer molecules having ion-conducting functional groups)
The monolayer is formed by introducing an ionomer molecule having an ion-conductive functional group onto the surface of the oxide support. The ionomer molecule has a structure in which an ion-conductive functional group is introduced into a hydrocarbon-based organic molecule. The part having the functional group may be any part, such as the end of the organic molecule, the main chain of the organic molecule, or a branch. The amount of the ion-conductive functional group immobilized can be controlled by controlling the amount and type of the functional group in consideration of the type and surface area of the oxide support, etc., of the ionomer molecule.

イオノマー分子におけるフルオロカーボン系や炭化水素系のモノマーの長さ、分岐数などは、本発明の目的を損なわない限り特に制限はなく、電極触媒粒子の粒径等を考慮して選定されるが、通常、炭素数2~50(特には炭素数2~18)の分岐を有してもよい炭化水素鎖又はフルオロカーボン鎖が選択される。 There are no particular limitations on the length or number of branches of the fluorocarbon or hydrocarbon monomer in the ionomer molecule as long as the object of the present invention is not impaired, and the selection is made taking into consideration the particle size of the electrode catalyst particles, etc., but typically, a hydrocarbon chain or fluorocarbon chain with 2 to 50 carbon atoms (particularly 2 to 18 carbon atoms) that may have branches is selected.

酸化物担体の表面へ導入するイオン伝導性官能基は、好適にはプロトン伝導性官能基であり、例えば、スルホン酸基、リン酸基及びカルボン酸基からなる群から選択される少なくとも1種の官能基を有するイオノマー分子(有機分子)が好適に用いられる。
この中でも、プロトン導電性の向上に優れるスルホン酸基を有するイオノマー分子が好適である。
The ion-conducting functional group to be introduced onto the surface of the oxide support is preferably a proton-conducting functional group, and for example, an ionomer molecule (organic molecule) having at least one functional group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, and a carboxylic acid group is preferably used.
Among these, ionomer molecules having sulfonic acid groups, which are excellent in improving proton conductivity, are preferred.

官能基を有する部分は、本発明の目的を損なわない限り、イオノマー分子(炭化水素鎖またはフルオロカーボン鎖)の末端や分岐など、どの部分であってもよい。 The portion having the functional group may be any portion, such as the end or branch, of the ionomer molecule (hydrocarbon chain or fluorocarbon chain), as long as it does not impair the objective of the present invention.

酸化物担体の表面へイオノマー分子の単分子層を形成する方法は、例えば、イオン伝導性官能基を有するカップリング剤を用いる方法が好適である。この方法では、イオン伝導性官能基を有するカップリング剤と酸化物担体とが共有結合(シロキサン結合)した単分子層を形成できる。 A suitable method for forming a monolayer of ionomer molecules on the surface of an oxide support is, for example, a method using a coupling agent having an ion-conductive functional group. This method can form a monolayer in which the coupling agent having an ion-conductive functional group is covalently bonded (siloxane bonded) to the oxide support.

カップリング剤としては、シランカップリング剤、アルミネートカップリング剤、チタネートカップリング剤、及びジルコネートカップリング剤から成る群から選択されたカップリング剤等が挙げられる。 Examples of coupling agents include coupling agents selected from the group consisting of silane coupling agents, aluminate coupling agents, titanate coupling agents, and zirconate coupling agents.

カップリング剤は、一つの分子中に有機物との反応や相互作用が期待できる官能基と加水分解性基を持つ分子である。例えば、シランカップリング剤の場合、水により加水分解されて活性なシラノールとなり、酸化物担体表面の水酸基と反応し脱水縮合反応して強固な共有結合となる。 A coupling agent is a molecule that contains functional groups and hydrolyzable groups that are expected to react or interact with organic substances. For example, in the case of a silane coupling agent, it is hydrolyzed by water to become active silanols, which react with hydroxyl groups on the surface of the oxide support and undergo a dehydration condensation reaction to form a strong covalent bond.

官能基の導入において、例えばスルホン酸基を有するシランカップリング剤を使用する場合、スルホン酸基は酸性度が高く、シランカップリング剤の加水分解反応を促進させてしまう。このため、スルホン酸基を持ったシランカップリング剤は、比較的安定に合成することができない。そこで、まずスルホン酸基を生ずる別の官能基を有するシランカップリング剤を用いて、酸化物担体の表面に官能基を導入した後に、その官能基を化学反応によりスルホン酸基に変換させることにより、酸化物担体の表面のスルホン酸基を導入する。 When introducing functional groups, for example, if a silane coupling agent having a sulfonic acid group is used, the sulfonic acid group has high acidity and promotes the hydrolysis reaction of the silane coupling agent. For this reason, silane coupling agents having sulfonic acid groups cannot be synthesized in a relatively stable manner. Therefore, a functional group is first introduced onto the surface of the oxide carrier using a silane coupling agent having another functional group that generates a sulfonic acid group, and then the functional group is converted into a sulfonic acid group by a chemical reaction, thereby introducing sulfonic acid groups onto the surface of the oxide carrier.

具体的には、例えば、スルホン酸エステル基を持ったシランカップリング剤を合成し、酸化物担体の表面処理を行った後に、スルホン酸エステル基を熱分解によりスルホン酸基に変換させる方法を採用すれば良い。チオール基もしくはスルフィド基を有するシランカップリング剤を合成し、表面処理を行った後に、酸化条件下にさらして、チオール基もしくはスルフィド基をスルホン酸基に変換させても良い。 Specifically, for example, a method may be adopted in which a silane coupling agent having a sulfonate ester group is synthesized, the oxide carrier is surface-treated, and then the sulfonate ester group is converted to a sulfonic acid group by thermal decomposition. A silane coupling agent having a thiol group or a sulfide group may be synthesized, the surface treated, and then exposed to oxidizing conditions to convert the thiol group or the sulfide group to a sulfonic acid group.

スルホン酸エステル基を有するシランカップリング剤は、特に限定されるものではないが、スルホン酸プロピル基やスルホン酸イソプロピル基を有するアルコキシシラン化合物が、スルホン酸エステル基の熱分解性が高いので好ましい。上記シランカップリングとしては、例えば、3-メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、3-メルカプトプロピルトリメトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3-グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、p-スチリルトリメトキシシラン、3-メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3-メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、3-メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、3-アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、N-2-(アミノエチル)-3-アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N-2-(アミノエチル)-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-2-(アミノエチル)-3-アミノプロピルトリエトキシシラン、3-アミノプロピルトリメトキシシラン、3-アミノプロピルトリエトキシシラン、N-フェニル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-フェニル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-(ビニルベンジル)-2-アミノエチル-3-アミノプロピルトリメトキシシランの塩酸塩、3-ウレイドプロピルトリエトキシシラン、3-クロロプロピルトリメトキシシラン、ビス(トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィド、3-イソシアネートプロピルトリエトキシシランなどが挙げられる。 The silane coupling agent having a sulfonate ester group is not particularly limited, but an alkoxysilane compound having a propyl sulfonate group or an isopropyl sulfonate group is preferred because the sulfonate ester group has high thermal decomposition properties. Examples of the silane coupling agent include 3-mercaptopropylmethyldimethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, 2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldiethoxysilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, p-styryltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropylmethyldimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropylmethyldiethoxysilane, 3-methacryloxypropyltriethoxysilane, 3-acryloxypropyl Examples of such compounds include trimethoxysilane, N-2-(aminoethyl)-3-aminopropylmethyldimethoxysilane, N-2-(aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane, N-2-(aminoethyl)-3-aminopropyltriethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, N-phenyl-3-aminopropyltrimethoxysilane, N-phenyl-3-aminopropyltrimethoxysilane, N-(vinylbenzyl)-2-aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilane hydrochloride, 3-ureidopropyltriethoxysilane, 3-chloropropyltrimethoxysilane, bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide, and 3-isocyanatopropyltriethoxysilane.

シランカップリング剤での表面処理方法としては、(1)湿式法(2)乾式法のどちらを用いても構わない。ただし、(2)乾式法は均一処理が難しいという欠点があるため、(1)湿式法にて行うことが望ましい。 Either (1) the wet method or (2) the dry method can be used as the surface treatment method with a silane coupling agent. However, (2) the dry method has the disadvantage that it is difficult to achieve a uniform treatment, so (1) the wet method is preferable.

スルホン酸基を導入する方法として、例えば、硫酸ガス、発煙硫酸、硫酸等で処理してスルホン酸基を導入する公知の方法を用いることも可能である。 As a method for introducing sulfonic acid groups, it is possible to use a known method for introducing sulfonic acid groups by treating with, for example, sulfuric acid gas, fuming sulfuric acid, sulfuric acid, etc.

(電極触媒粒子)
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、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,Ti,W,Ta,Nb,Sn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、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。
(Electrode catalyst particles)
The electrode catalyst particles 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, Ag, and alloys containing these precious metals. The term "alloy containing a precious metal" includes "alloys consisting of only 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, Ni, Ti, W, Ta, Nb, and Sn, and one or more of these may be used. In addition, two or more of the above-mentioned precious metals and alloys containing the precious metals in a phase-separated state may be used. The above-mentioned precious metals and alloys containing these precious metals may be referred to as "electrode catalyst metals" hereinafter.

非貴金属系触媒としては、例えば、Ta,Zr,Ti,Wの酸化物(TaOx、ZrOx、TiOx、WOx)、窒化物(TaNx、ZrNx、TiNx)、酸窒化物(TaOxNy、ZrOxNy、TiOxNy)等が挙げられる(式中、x、yは任意の数)。 Non-precious metal catalysts include, for example, oxides (TaOx, ZrOx, TiOx, WOx), nitrides (TaNx, ZrNx, TiNx), and oxynitrides (TaOxNy, ZrOxNy, TiOxNy) of Ta, Zr, Ti, and W (where x and y are any numbers).

電極触媒金属の中でも、本発明の電極材料を固体高分子形燃料電池(PEFC)の電極材料として使用する場合には、Pt及びPtを含む合金は、PEFC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。 Among the electrode catalyst metals, when the electrode material of the present invention is used as an electrode material for a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), Pt and alloys containing Pt 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 the PEFC.

また、本発明の電極材料を固体高分子形水電解装置の電極材料として使用する場合には電極触媒金属として水の電解活性に優れるIrやIr合金、PtやPt合金が好適である。この場合、IrやIr合金、PtやPt合金は熱処理等によりIr酸化物やPt酸化物として用いてもよい。 When the electrode material of the present invention is used as an electrode material for a solid polymer water electrolysis device, Ir, Ir alloys, Pt, and Pt alloys, which have excellent water electrolysis activity, are suitable as electrode catalyst metals. In this case, Ir, Ir alloys, Pt, and Pt alloys may be used as Ir oxides or Pt oxides by heat treatment or the like.

電極触媒粒子の形状は、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 is not particularly limited, and any shape similar to that of known electrode catalyst particles can be used. Specific shapes include spherical, elliptical, polyhedral, and core-shell structures. In addition, the structure of the electrode catalyst particles is not limited to crystalline, and may be amorphous, or may be a mixture of crystalline and amorphous.

電極触媒粒子の大きさは、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、電極触媒粒子の大きさは、平均粒径として、0.3~30nm、より好ましくは1~10nmである。
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。すなわち、本発明の電極材料における電極触媒粒子の好適な態様の一つは、前記電極触媒粒子が、平均粒子径0.3~30nmのPt及びPtを含む合金からなる電極触媒粒子である。
The smaller the size of the electrode catalyst particles, 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, the size of the electrode catalyst particles is 0.3 to 30 nm, more preferably 1 to 10 nm, in terms of average particle size.
In the present invention, the "average particle size of electrode catalyst particles" can be obtained by averaging the particle sizes of electrode catalyst particles (20 particles) examined from an electron microscope image. When calculating the average particle size from an electron microscope image, 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. In other words, one suitable embodiment of the electrode catalyst particles in the electrode material of the present invention is electrode catalyst particles made of Pt and alloys containing Pt, with an average particle size of 0.3 to 30 nm.

なお、酸化物担体に固定化されたイオノマー分子単分子層の厚みは、酸化物担体に担持された電極触媒粒子の粒径より薄くなるような炭素数(及び分岐)のイオノマー分子が選択される。イオノマー分子単分子層の厚みは、通常、10nm以下(特には3nm以下、1nm以下)であり、電極触媒粒子はイオノマー分子単分子層に被覆されない。 The ionomer molecule is selected so that the thickness of the ionomer molecule monolayer fixed to the oxide support is thinner than the particle size of the electrode catalyst particles supported on the oxide support. The thickness of the ionomer molecule monolayer is usually 10 nm or less (particularly 3 nm or less, 1 nm or less), and the electrode catalyst particles are not covered with the ionomer molecule monolayer.

電極触媒粒子の担持量は、触媒の種類、酸化物担体(電子伝導性酸化物)の形状、大きさ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。 The amount of electrode catalyst particles supported is determined appropriately taking into consideration the type of catalyst, the shape and size of the oxide support (electronically conductive oxide), 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, resulting in reduced performance.

電極触媒粒子の担持量は、電極材料の全重量に対して、好ましくは1~60質量%、より好ましくは10~50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。 When the amount of electrode catalyst particles supported is preferably 1 to 60 mass %, more preferably 10 to 50 mass %, of the total weight of the electrode material, excellent catalytic activity per unit mass can be achieved, and the desired electrode reaction activity can be obtained according to the amount supported.

また、電極触媒粒子の担持量は、酸化物担体(電子伝導性酸化物)に対して、通常、10~50質量%である。このような範囲であれば、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気化学的触媒活性を得ることができる。
前記担持量が少なすぎる場合は、電極反応活性が不十分であり、多すぎる場合は電極触媒粒子の凝集が起こりやすく、酸素や水素の電気化学反応に対する有効表面積が低下するという問題がある。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 the electrode catalyst particles supported is usually 10 to 50 mass % relative to the oxide support (electronically conductive oxide). Within this range, excellent catalytic activity per unit mass can be obtained, and a desired electrochemical catalytic activity according to the supported amount can be obtained.
If the amount of the electrode catalyst particles is too small, the electrode reaction activity is insufficient, and if the amount is too large, the electrode catalyst particles are likely to aggregate, resulting in a problem of a decrease in the effective surface area for the electrochemical reaction of oxygen and hydrogen. The amount of the electrode catalyst particles supported can be examined, for example, by inductively coupled plasma emission spectrometry (ICP).

酸化物担体(電子伝導性酸化物)に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。
電極触媒前駆体としては、上述した説明した電極触媒の前駆体を担持した後に還元され、0価の電極触媒金属となるものであればよい。
電極触媒粒子が白金(Pt)である場合で電極触媒前駆体を具体的に例示すると、塩化白金、臭化白金、ヨウ化白金等のハロゲン化白金;クロロ白金酸、テトラクロロ白金酸アンモニウム、ヘキサクロロ白金酸カリウム等の白金の無機酸塩;白金アセチルアセトナート、白金ヘキサフルオロアセチルアセトナート、ジクロロ(1,5-シクロオクタジエン)白金、シアン化白金等の白金の有機酸塩などが挙げられる。電極触媒粒子がPt以外の金属である場合には、それに対応する前駆体を使用すればよい。
As a method for supporting the electrode catalyst precursor or electrode catalyst particles on the oxide support (electronically conductive oxide), a known metal supporting method can be adopted.
The electrode catalyst precursor may be any that supports the above-described electrode catalyst precursor and is then reduced to become a zero-valent electrode catalyst metal.
Specific examples of the electrode catalyst precursor when the electrode catalyst particles are platinum (Pt) include platinum halides such as platinum chloride, platinum bromide, platinum iodide, etc.; inorganic acid salts of platinum such as chloroplatinic acid, ammonium tetrachloroplatinate, potassium hexachloroplatinate, etc.; organic acid salts of platinum such as platinum acetylacetonate, platinum hexafluoroacetylacetonate, dichloro(1,5-cyclooctadiene)platinum, platinum cyanide, etc. When the electrode catalyst particles are a metal other than Pt, a corresponding precursor may be used.

担持方法として、高分散で粒径の小さい電極触媒粒子を得ることが可能な好適な方法として、貴金属アセチルアセトナートを使用する貴金属アセチルアセトナート法と、貴金属コロイドを使用するコロイド法が挙げられる。 As a support method, suitable methods that can obtain highly dispersed and small particle size electrode catalyst particles include the noble metal acetylacetonate method, which uses noble metal acetylacetonate, and the colloid method, which uses noble metal colloid.

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)は、電極触媒前駆体である貴金属アセチルアセトナートを担体に担持した後に、電極触媒前駆体を電極触媒粒子へ直接的に変換する方法である。この方法では、貴金属前駆体に残留不純物を含まないため、触媒活性の向上が見込まれる。 The method of using a precious metal acetylacetonate as an electrode catalyst precursor (the precious metal acetylacetonate method) involves supporting the electrode catalyst precursor, a precious metal acetylacetonate, on a carrier, and then directly converting the electrode catalyst precursor into electrode catalyst particles. With this method, the precious metal precursor does not contain residual impurities, so improved catalytic activity is expected.

貴金属アセチルアセトナートとしては、Pt,Ru,Ir,Pd,Rh,Os,Au,Ag等の貴金属のアセチルアセトナートが挙げられ、これらを1種又は2種以上を使用することができる。溶媒は、貴金属アセチルアセトナートを分散できる有機溶媒であればよく、例えば、アセトン、ジクロロメタンが挙げられる。 Examples of precious metal acetylacetonates include acetylacetonates of precious metals such as Pt, Ru, Ir, Pd, Rh, Os, Au, and Ag, and one or more of these can be used. The solvent may be any organic solvent capable of dispersing the precious metal acetylacetonate, such as acetone or dichloromethane.

コロイド法は、電極触媒前駆体のコロイド(特に貴金属コロイド)を含む溶液に、担体を分散し、電極触媒前駆体のコロイドを還元して担体に電極触媒粒子として担持する方法である。コロイド法では界面活性剤、有機溶媒を用いることなく、ナノサイズの粒径分布の揃った電極金属粒子を生成できる。 The colloidal method involves dispersing a support in a solution containing colloids of electrode catalyst precursors (especially precious metal colloids), reducing the colloids of the electrode catalyst precursors, and supporting them on the support as electrode catalyst particles. The colloidal method can produce electrode metal particles with a uniform nano-sized particle size distribution without using surfactants or organic solvents.

酸化物担体(電子伝導性酸化物)に担持された前記電極触媒粒子又は電極触媒前駆体は、不定比の金属酸化物を含むことがあり、そのままでは活性が低いため、窒素やアルゴン等の不活性雰囲気、あるいは水素を含有する還元性雰囲気中で熱処理することで電極触媒となる金属の有する電気化学触媒作用を活性化する。 The electrode catalyst particles or electrode catalyst precursor supported on an oxide support (electronically conductive oxide) may contain non-stoichiometric metal oxides and have low activity as is. Therefore, the electrochemical catalytic action of the metal that becomes the electrode catalyst is activated by heat treatment in an inert atmosphere such as nitrogen or argon, or in a reducing atmosphere containing hydrogen.

熱処理条件は、電子伝導性酸化物の組成、電極触媒となる金属や前駆体の種類にもよって、適宜選択される。 The heat treatment conditions are appropriately selected depending on the composition of the electronically conductive oxide and the type of metal or precursor that serves as the electrode catalyst.

本発明の電極材料を用いて形成した電極について説明する。なお、本発明の電極材料を含む電極は、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。 We will now explain electrodes formed using the electrode material of the present invention. Electrodes containing the electrode material of the present invention have excellent electrochemical catalytic activity for the reduction of oxygen and the oxidation of hydrogen, and therefore can be used as cathodes and anodes.

本発明の電極は、上述の電極材料のみから構成されていてもよいが、本発明の目的を損なわない限り、上述の電極材料以外の成分を含んでいてもよい。例えば、導電補助材、電解質材料、バインダーなどが挙げられる。 The electrode of the present invention may be composed only of the above-mentioned electrode materials, but may also contain components other than the above-mentioned electrode materials as long as the purpose of the present invention is not impaired. Examples of such components include conductive auxiliary materials, electrolyte materials, binders, etc.

本発明の電極材料を含む電極は、PEFC用電極として好適に使用することができる。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。 An electrode containing the electrode material of the present invention can be suitably used as an electrode for a PEFC. It can also be suitably used as an electrode for a water electrolysis device that uses a polymer electrolyte membrane similar to that of a PEFC.

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少なくとも一方が、上記本発明の電極であることを特徴とする。 The membrane electrode assembly of the present invention is 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, characterized in that at least one of the cathode and anode is the electrode of the present invention.

本発明の膜電極接合体(MEA)は、固体高分子形燃料電池や固体高分子形水電解装置の用途に好適に使用できる。本発明の膜電極接合体において、本発明の電極以外の構成要素は、公知の固体高分子形燃料電池用又は固体高分子形水電解装置用の膜電極接合体と同様であるため(例えば、特許第6598159号公報、特許第6779470号公報参照)、詳細な説明を省略する。 The membrane electrode assembly (MEA) of the present invention can be suitably used in applications such as polymer electrolyte fuel cells and polymer electrolyte water electrolysis devices. In the membrane electrode assembly of the present invention, the components other than the electrodes of the present invention are similar to those of known membrane electrode assemblies for polymer electrolyte fuel cells or polymer electrolyte water electrolysis devices (see, for example, Japanese Patent No. 6,598,159 and Japanese Patent No. 6,779,470), and therefore detailed description thereof will be omitted.

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。典型的には、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。 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 detailed description will be omitted. Typically, a fuel cell stack is formed in which the polymer electrolyte fuel cells (single cells) of the present invention are stacked in a number according to the power generation performance, and the fuel cell is used by assembling other associated devices such as a gas supply device and a cooling device.

また、本発明の固体高分子形水電解装置において、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水電解装置同様であるため、詳細な説明を省略する。 In addition, in the solid polymer water electrolysis device of the present invention, the components other than the membrane electrode assembly of the present invention are similar to those of known solid polymer water electrolysis devices, so detailed description will be omitted.

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.

<実施例1>
以下に説明する実施例1の電極材料(イオノマー分子未修飾)は、特許第6598159号公報、特許第6779470号公報で開示した方法に準じる方法で行った。電極触媒粒子、酸化物担体の担持量の算出、評価方法も同様である。
また、導電補助材として、以下の物性を有する繊維状炭素であるカーボンナノチューブ(CNT)(株式会社名城ナノカーボン製、MW-1、ナノチューブ直径:15nm)を使用した。
Example 1
The electrode material (ionomer molecule unmodified) of Example 1 described below was prepared according to the method disclosed in Japanese Patent No. 6598159 and Japanese Patent No. 6779470. The calculation and evaluation methods of the amounts of electrode catalyst particles and oxide carriers supported were also similar.
In addition, carbon nanotubes (CNTs) (manufactured by Meijo Nano Carbon Co., Ltd., MW-1, nanotube diameter: 15 nm), which are fibrous carbon having the following physical properties, were used as the conductive auxiliary material.

まず、所定量の上記繊維状炭素に超純水を加え、超音波ホモジナイザーで攪拌し、繊維状炭素の分散液を得た。この分散液に塩化スズ水和物(SnCl2・2H2O)を入れ、さらに塩化ニオブ(NbCl5)を、Sn:Nb=98:2(mol比)の割合で添加し、ホットスターラーで50℃に保持して、攪拌しながらアンモニア水をビュレットで滴下した。アンモニア水の滴下後、1時間攪拌を続けたのちに、分散液の濾過、洗浄を行い、さらに乾燥させた後に、大気雰囲気下、600℃で2時間の熱処理を行い、ニオブドープ酸化スズ粒子を担持した繊維状炭素を得た。
得られた酸化スズ粒子を担持した繊維状炭素に、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(C5722)の量は、Ptが17.3wt%になるようにした。ナスフラスコに、酸化スズ粒子を担持した繊維状炭素および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、超音波攪拌装置にて、溶媒が全て揮発するまで攪拌した。得られた粉末を、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、電極材料(Pt/Nb-SnO2/CNT、イオノマー分子未修飾)を得た。
First, a predetermined amount of the fibrous carbon was added with ultrapure water and stirred with an ultrasonic homogenizer to obtain a dispersion of fibrous carbon. Tin chloride hydrate ( SnCl2.2H2O ) was added to this dispersion, and niobium chloride ( NbCl5 ) was added in a ratio of Sn:Nb=98:2 (molar ratio). The mixture was kept at 50°C with a hot stirrer, and ammonia water was added dropwise with a burette while stirring. After the addition of ammonia water, stirring was continued for 1 hour, and then the dispersion was filtered, washed, and dried, and then heat-treated at 600°C for 2 hours in an air atmosphere to obtain fibrous carbon carrying niobium-doped tin oxide particles.
The fibrous carbon carrying the obtained tin oxide particles was loaded with Pt catalyst particles, which are electrode catalyst particles, by the platinum acetylacetonate method. The amount of Pt precursor (Pt( C5H7O2 ) 2 ) was set so that Pt was 17.3 wt %. The fibrous carbon carrying the tin oxide particles and the Pt precursor were added to an eggplant flask, and acetone was added to dissolve them. Next, while cooling the eggplant flask with ice, the mixture was stirred with an ultrasonic stirrer until all the solvent was evaporated. The obtained powder was reduced in an N2 atmosphere at 210°C for 3 hours and at 240°C for 3 hours to obtain an electrode material (Pt/Nb- SnO2 /CNT, ionomer molecule unmodified).

電極材料(イオノマー分子未修飾)における割合は、電極触媒粒子(Pt)17.3wt%、酸化物担体(Nb-SnO)57.9wt%、繊維状炭素24.8wt%、酸化物担体:繊維状炭素=70:30(重量比)であった。
電極材料(イオノマー分子未修飾)の微細構造観察を行ったところ、繊維状炭素の表面に粒径状の酸化スズ粒子が担持され、Pt触媒粒子は繊維状炭素の表面にはなく、酸化スズ粒子に選択的に分散担持されていることが分かった。酸化スズ粒子のほとんどが粒径40nm以下であり、粒子20nm以下の粒子も多数認められた。観察されたPt触媒粒子の粒径は、すべて5nm以下であった。
The electrode materials (unmodified with ionomer molecules) consisted of 17.3 wt % electrode catalyst particles (Pt), 57.9 wt % oxide support (Nb- SnO2 ), and 24.8 wt % fibrous carbon, with the oxide support:fibrous carbon ratio being 70:30 (weight ratio).
Observation of the microstructure of the electrode material (unmodified with ionomer molecules) revealed that tin oxide particles of a particle size were supported on the surface of the fibrous carbon, and that Pt catalyst particles were not present on the surface of the fibrous carbon but were selectively dispersed and supported on the tin oxide particles. Most of the tin oxide particles had a particle size of 40 nm or less, and many particles with a particle size of 20 nm or less were also observed. The particle size of all of the observed Pt catalyst particles was 5 nm or less.

電極材料(イオノマー分子未修飾)に、イオノマー分子前駆体としてプロピルクロロ基を持つジエトキシシランをエタノール:水=1:1(vol)の混合溶液中で、室温、24時間撹拌することで、酸化物担体(Nb-SnO)の表面の水酸基と、プロピルクロロ基を持つジエトキシシランのエトキシ基とを加水分解によって縮合させることで、酸化物担体の表面に共有結合(シロキサン結合)で固定化された、イオノマー分子前駆体の単分子層を形成した(図3上図参照)。
得られた生成物を分画分子量1000の透析膜中に加え、超純水を用いて低分子量の不純物を取り除いた。透析後の凍結乾燥し、120℃で24時間熱処理した。
この試料をエタノール:水=1:3 (vol)の溶液に分散させ、硫酸ナトリウムNa2SO3を加え、48時間、還流することによってイオノマー分子前駆体の末端の塩素(Cl)をスルホン酸基にした(図3下図参照)。得られた生成物を分画分子量1000の透析膜中に加え、超純水を用いて低分子量の不純物を取り除いた。その後、スルホン酸基をプロトン化するために透析膜中に濃塩酸を加え、さらに超純水を用いて透析を行った。試料の溶液が中性になるまで透析を行い、試料を凍結乾燥で回収することで、実施例1の電極材料(イオノマー分子修飾)を得た。
The electrode material (unmodified with ionomer molecules) was stirred at room temperature for 24 hours in a mixed solution of ethanol:water = 1:1 (vol) with diethoxysilane having a propyl chloro group as an ionomer molecule precursor, thereby condensing the hydroxyl groups on the surface of the oxide support (Nb-SnO 2 ) with the ethoxy groups of the diethoxysilane having a propyl chloro group through hydrolysis, forming a monolayer of the ionomer molecule precursor immobilized by covalent bonds (siloxane bonds) on the surface of the oxide support (see the top diagram in Figure 3).
The obtained product was placed in a dialysis membrane with a molecular weight cutoff of 1000, and low molecular weight impurities were removed using ultrapure water. After dialysis, the product was freeze-dried and heat-treated at 120° C. for 24 hours.
This sample was dispersed in a solution of ethanol:water = 1:3 (vol), sodium sulfate Na2SO3 was added, and the mixture was refluxed for 48 hours to convert the chlorine (Cl) at the end of the ionomer molecule precursor into a sulfonic acid group (see the lower diagram in Figure 3). The resulting product was added to a dialysis membrane with a molecular weight cutoff of 1000, and low molecular weight impurities were removed using ultrapure water. After that, concentrated hydrochloric acid was added to the dialysis membrane to protonate the sulfonic acid group, and dialysis was further performed using ultrapure water. The sample solution was dialyzed until it became neutral, and the sample was recovered by freeze-drying to obtain the electrode material (ionomer molecule modified) of Example 1.

なお、実施例1の電極材料(イオノマー分子修飾)への有機官能基の導入量の評価は、TG(熱天秤)により測定を行い、電極材料(Pt/Nb-SnO2/CNT、イオノマー分子未修飾)に対して0.34wt%に相当するイオノマー分子が導入されていることが確認された。また、イオノマー分子の分布はSEM-EDXにより評価を行ったところ、電極材料の表面に硫黄元素が分布していることを確認されたことから(図4参照)、スルホン酸基が表面に固定化されていることが確認された。
以上から、実施例1の電極材料(イオノマー分子修飾)は、電極材料(酸化物担体)の表面にスルホン酸基を有するイオノマー分子が固定化されていると判断した。
The amount of organic functional groups introduced into the electrode material (modified with ionomer molecules) of Example 1 was evaluated by measuring with a TG (thermobalance) and it was confirmed that 0.34 wt% of ionomer molecules were introduced into the electrode material (Pt/Nb- SnO2 /CNT, unmodified with ionomer molecules). The distribution of the ionomer molecules was evaluated by SEM-EDX and it was confirmed that sulfur elements were distributed on the surface of the electrode material (see Figure 4), confirming that sulfonic acid groups were fixed on the surface.
From the above, it was determined that the electrode material of Example 1 (modified with ionomer molecules) had ionomer molecules having sulfonic acid groups immobilized on the surface of the electrode material (oxide support).

<電気化学的評価(単セル、発電、耐久性評価)>
実施例1の電極材料から形成されるカソードを有するMEAを用いて、電気化学的評価を行った。
<Electrochemical evaluation (single cell, power generation, durability evaluation)>
An MEA having a cathode formed from the electrode material of Example 1 was used to carry out electrochemical evaluation.

(実施例1)
まず、電解質膜として、ナフィオン膜(厚み:50μm)に、46wt%Pt/C(田中貴金属工業株式会社、TEC10E50E)を、ナフィオン溶液を含む所定の有機溶媒に分散させて、アノード形成用の分散溶液を調合した。得られた分散溶液をナフィオン膜上にスプレー印刷して、所定の厚みのアノード(電極触媒層)をナフィオン膜上に作製した。アノード(電極触媒層)の上には、ガス拡散層として撥水性カーボンペーパー(東レ社製,型番:EC-TP1-060T)を配置した。なお、アノードの形成において、Pt量が0.3mg/cm2になるように調整した。
次いで、実施例1の電極材料(イオノマー分子修飾)を、(ナフィオン溶液を含んでいない)所定の有機溶媒に分散させて、カソード形成用の分散溶液を調合した。電極材料をナフィオン膜に固定化するためのバインダーとして、AedotronTM C3-NM, C12-PEG-block-PEDOT-block-PEG-C12, PEDOT:PEG(シグマーアルドリッチ製)を固形成分に対して5wt%となるように加えた。得られた分散液を、アノードを形成したナフィオン膜の反対面に、スプレー印刷して、ナフィオン膜上に所定の厚みのカソード(電極触媒層)を作製した。アノード、カソードそれぞれの上にカーボンペーパーを配置して、所定の条件(0.3kN、130℃)で圧着して、実施例1のMEAを得た。なお、実施例1のMEAのカソードにおけるPt量は0.27mg/cm2である。
Example 1
First, 46 wt% Pt/C (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10E50E) was dispersed in a predetermined organic solvent containing a Nafion solution on a Nafion membrane (thickness: 50 μm) as an electrolyte membrane to prepare a dispersion solution for forming an anode. The obtained dispersion solution was spray-printed on the Nafion membrane to prepare an anode (electrode catalyst layer) of a predetermined thickness on the Nafion membrane. On the anode (electrode catalyst layer), water-repellent carbon paper (manufactured by Toray Industries, Inc., model number: EC-TP1-060T) was placed as a gas diffusion layer. In addition, the amount of Pt was adjusted to 0.3 mg/cm 2 in the formation of the anode.
Next, the electrode material (ionomer molecular modification) of Example 1 was dispersed in a predetermined organic solvent (not containing Nafion solution) to prepare a dispersion solution for forming a cathode. As a binder for fixing the electrode material to the Nafion membrane, Aedotron TM C3-NM, C12-PEG-block-PEDOT-block-PEG-C12, PEDOT:PEG (manufactured by Sigma-Aldrich) was added to 5 wt% of the solid component. The obtained dispersion was spray-printed on the opposite side of the Nafion membrane on which the anode was formed, to prepare a cathode (electrode catalyst layer) of a predetermined thickness on the Nafion membrane. Carbon paper was placed on each of the anode and cathode, and pressed under predetermined conditions (0.3 kN, 130 ° C.) to obtain the MEA of Example 1. The amount of Pt in the cathode of the MEA of Example 1 was 0.27 mg / cm 2 .

(参考例1)
参考例として、固定化していないナフィオンを含むカソードに含む従来型のMEAを作製した。カソード形成用の分散溶液として、実施例1の電極材料(イオノマー分子修飾)に代えて、イオノマー分子を固定化していない電極材料(Pt/Nb-SnO2/CNT、イオノマー分子未修飾)を使用し、ナフィオン溶液を含む所定の有機溶媒に分散させて調合した分散溶液を使用した以外は、実施例1と同様の方法にて、参考例1のMEAを得た(カソード構成:電極材料92wt%、Nafion8wt%)。
(Reference Example 1)
As a reference example, a conventional MEA was produced that contains a cathode containing unimmobilized Nafion. The MEA of Reference Example 1 was produced in the same manner as in Example 1, except that, instead of the electrode material (ionomer molecule modified) of Example 1, an electrode material not containing immobilized ionomer molecules (Pt/Nb- SnO2 /CNT, unmodified ionomer molecules) was used as a dispersion solution for forming the cathode, and the dispersion solution was prepared by dispersing the electrode material in a predetermined organic solvent containing a Nafion solution. (Cathode composition: electrode material 92 wt%, Nafion 8 wt%)

実施例1および参考例1のMEAを用いて、燃料電池実用化推進審議会「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年度改訂版)」における「III-3-3 試験名:電位サイクル試験法1/2」(起動停止模擬電位サイクル)に準じる方法でサイクル耐久性試験評価を行った。図5に起動停止模擬電位サイクルの説明図を示す。
まず、実実施例1および参考例1のMEAを使用して初期IV特性を測定した。次いで、起動停止模擬電位サイクルとして、電位を1.0Vから1.5Vまで0.5V/secで走査させて、三角波で加速試験を行い、所定回数サイクル後、IV測定を行うことを繰り返す。
評価装置には、燃料電池評価装置(東陽テクニカ社製、型番:PE-8900K)およびポテンショ/ガルバノスタット(Solatron社製、型番:SI1287)を用いた。
(アノード条件)
電極面積:1cm2
供給ガス種 :100% H2
ガス供給速度 :77mL/min
(カソード条件)
電極面積:1cm2
供給ガス種 : N2
ガス供給速度 :166mL/min
Using the MEAs of Example 1 and Reference Example 1, cycle durability tests were performed according to the method described in "III-3-3 Test name: Potential cycle test method 1/2" (start-stop simulated potential cycle) in the Fuel Cell Commercialization Promotion Council's "Proposal of goals, research and development issues and evaluation methods for polymer electrolyte fuel cells (revised in 2011)." Figure 5 shows an explanatory diagram of the start-stop simulated potential cycle.
First, the initial IV characteristics were measured using the MEAs of Example 1 and Reference Example 1. Next, as a start-stop simulated potential cycle, the potential was scanned from 1.0 V to 1.5 V at 0.5 V/sec to perform an accelerated test with a triangular wave, and after a predetermined number of cycles, the IV measurement was performed.
The evaluation devices used were a fuel cell evaluation device (manufactured by Toyo Corporation, model number: PE-8900K) and a potentio/galvanostat (manufactured by Solatron, model number: SI1287).
(Anode Conditions)
Electrode area: 1cm2
Supply gas type: 100% H2
Gas supply rate: 77 mL / min
(Cathode conditions)
Electrode area: 1cm2
Supply gas type: N2
Gas supply rate: 166 mL / min

図6に実施例1のMEAを用いた単セルの電流-電圧(IV)特性の評価結果を示す。図6に示すように、実施例1の電極材料をカソードとして用いた実施例のMEAでは、IV特性が0サイクルよりも2000サイクルで性能が向上した。実施例1の電極材料はスルホン酸基を有するイオノマー分子量は0.34wt%であったのにも関わらず、IV特性は、参考例1(Nafion8wt%)に匹敵する性能を示した。本発明で開発した材料は、Nafionを使用せず、わずか0.34wt%のイオノマー分子で発電できることが明らかとなった。また、5000サイクルまでは2000サイクルに準じる高い性能を示した。 Figure 6 shows the evaluation results of the current-voltage (IV) characteristics of a single cell using the MEA of Example 1. As shown in Figure 6, in the MEA of the example using the electrode material of Example 1 as the cathode, the IV characteristics showed improved performance at 2000 cycles compared to 0 cycles. Although the electrode material of Example 1 had an ionomer molecular weight of 0.34 wt% having sulfonic acid groups, the IV characteristics showed performance comparable to that of Reference Example 1 (Nafion 8 wt%). It was revealed that the material developed in this invention can generate electricity with only 0.34 wt% ionomer molecules without using Nafion. In addition, it showed high performance equivalent to that of 2000 cycles up to 5000 cycles.

本発明の電極材料は、長期運転が必要である燃料電池用の電極(特にはPEFC用電極)や水電解装置用電極に好適である。 The electrode material of the present invention is suitable for use as electrodes for fuel cells (particularly electrodes for PEFCs) that require long-term operation, and electrodes for water electrolysis devices.

Claims (10)

電子伝導性酸化物からなる酸化物担体と、前記酸化物担体の表面に固定された、イオン伝導性官能基を有するイオノマー分子からなる単分子層と、前記酸化物担体の表面に担持された電極触媒粒子と、を有し、
前記単分子層が、前記酸化物担体の表面と前記イオン伝導性官能基を有するイオノマー分子とが共有結合によって固定化されて形成されてなることを特徴とする電極材料。
The present invention comprises an oxide support made of an electronically conductive oxide, a monolayer made of ionomer molecules having an ion-conductive functional group fixed to a surface of the oxide support, and electrode catalyst particles supported on the surface of the oxide support,
13. An electrode material, comprising: a monolayer formed by immobilizing an ionomer molecule having an ion-conducting functional group on a surface of the oxide support through a covalent bond;
前記イオン伝導性官能基を有するイオノマー分子が、スルホン酸基を有する請求項1に記載の電極材料。 The electrode material according to claim 1 , wherein the ionomer molecule having an ion-conducting functional group has a sulfonic acid group. 前記イオン伝導性官能基を有するイオノマー分子が、分岐してもよい炭素数2以上50以下の炭化水素鎖又はフルオロカーボン鎖を有する請求項に記載の電極材料。 3. The electrode material according to claim 2 , wherein the ionomer molecule having the ion-conducting functional group has a hydrocarbon chain or a fluorocarbon chain having 2 to 50 carbon atoms which may be branched. 前記電子伝導性酸化物が、酸化スズ又は酸化スズを主体とする電子伝導性酸化物である請求項1からのいずれかに記載の電極材料。 4. The electrode material according to claim 1, wherein the electronically conductive oxide is tin oxide or an electronically conductive oxide mainly composed of tin oxide. 前記電子伝導性酸化物が、ニオブドープ酸化スズである請求項に記載の電極材料。 5. The electrode material according to claim 4 , wherein the electronically conductive oxide is niobium-doped tin oxide. 前記電子伝導性酸化物が、導電補助材に固定化された請求項1からのいずれかに記載の電極材料。 6. The electrode material according to claim 1, wherein the electronically conductive oxide is fixed to a conductive auxiliary material. 請求項1からのいずれかに記載の電極材料を含む電極。 An electrode comprising the electrode material according to any one of claims 1 to 6 . 固体高分子形燃料電池用又は固体高分子形水電解装置用である請求項に記載の電極。 8. The electrode according to claim 7 , which is for a polymer electrolyte fuel cell or a polymer electrolyte water electrolysis device. 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、前記カソード及びアノードの少なくとも一方が、請求項または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 surface of the solid polymer electrolyte membrane, and an anode bonded to the other surface of the solid polymer electrolyte membrane, wherein at least one of the cathode and the anode is the electrode according to claim 7 or 8 . 請求項9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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