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WO2013146453A1 - 燃料電池用電極触媒の製造方法、燃料電池用電極触媒およびその用途 - Google Patents

燃料電池用電極触媒の製造方法、燃料電池用電極触媒およびその用途 Download PDF

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WO2013146453A1
WO2013146453A1 PCT/JP2013/057777 JP2013057777W WO2013146453A1 WO 2013146453 A1 WO2013146453 A1 WO 2013146453A1 JP 2013057777 W JP2013057777 W JP 2013057777W WO 2013146453 A1 WO2013146453 A1 WO 2013146453A1
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WO
WIPO (PCT)
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fuel cell
catalyst
electrode catalyst
gas
electrode
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2013/057777
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English (en)
French (fr)
Inventor
門田　隆二
卓也 今井
祐司 伊藤
建燦 李
佐藤　孝志
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Resonac Holdings Corp
Original Assignee
Showa Denko KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to US14/385,574 priority patent/US20150044595A1/en
Priority to EP13767578.1A priority patent/EP2833451B1/en
Priority to JP2014507746A priority patent/JP5635212B2/ja
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a fuel cell electrode catalyst, a fuel cell electrode catalyst, and use thereof.
  • a polymer electrolyte fuel cell In a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), a polymer solid electrolyte is sandwiched between an anode and a cathode, fuel is supplied to the anode, oxygen or air is supplied to the cathode, and oxygen is reduced at the cathode to extract electricity. It is a type of fuel cell. Hydrogen or methanol is mainly used as the fuel.
  • a layer containing a catalyst (hereinafter referred to as “for fuel cell”) is provided on the cathode (air electrode) surface or anode (fuel electrode) surface of the fuel cell. Also referred to as an “electrode catalyst layer”).
  • a noble metal is generally used, and noble metals such as platinum and palladium, which are stable at a high potential and have high activity, have been mainly used.
  • noble metals are expensive and have limited resources, various catalysts that can be replaced (for example, metal atoms, carbon atoms, Development of fuel cell electrode catalysts containing nitrogen and oxygen atoms is underway.
  • water repellency particles such as polytetrafluoroethylene (PTFE) particles are dispersed in the catalyst layer, thereby imparting water repellency to the catalyst layer and improving the dissipation of generated water. ing.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-276746 discloses that the water repellent particles for imparting water repellency to the catalyst layer prevent an increase in electrode resistance due to non-conductivity, and in particular an IR drop during high current operation.
  • the cathode catalyst is a carbon carrying a metal catalyst, a proton conducting polymer, and an electrolyte and a material having water repellency (such as graphite fluoride)
  • a polymer electrolyte fuel cell comprising:
  • Patent Document 4 International Publication WO2006 / 104123 pamphlet discloses that a platinum catalyst for an anode is obtained by performing a treatment of bringing a platinum black material into contact with a fluorine gas or a mixed gas of a fluorine gas and an inert gas.
  • a technique for preventing poisoning and deactivation by carbon monoxide in gas is disclosed, and it is described that fluorine is adsorbed on the surface of platinum black by this treatment (paragraph [0031]).
  • Patent Document 3 in which a water-repellent material is added to the catalyst layer and the technique of Patent Document 4 in which fluorine is adsorbed on the platinum black surface, a portion that is not water-repellent remains on the catalyst surface. Water may not be removed from the surface and flooding may occur.
  • the present invention has been made in view of such problems in the prior art, and an object thereof is to suppress a flooding phenomenon in a fuel cell electrode catalyst containing a specific metal atom, carbon atom, nitrogen atom and oxygen atom.
  • the present invention relates to the following [1] to [15], for example.
  • a method for producing an electrode catalyst for a fuel cell comprising a fluorination step in which fluorine is brought into contact with a catalyst main body containing M atoms, carbon atoms, nitrogen atoms and oxygen atoms.
  • An electrode catalyst for a fuel cell which contains a fluorine atom, a carbon atom, a nitrogen atom and an oxygen atom.
  • a fuel cell electrode catalyst layer comprising the fuel cell electrode catalyst according to any one of [7] to [9] above.
  • a membrane electrode assembly having a cathode, an anode, and an electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode, wherein the cathode and / or the anode is an electrode according to the above [12] Electrode assembly.
  • a fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to [13].
  • a fuel cell electrode catalyst in which a flooding phenomenon is suppressed in which a flooding phenomenon is suppressed and a method for producing the same.
  • FIG. 1 shows current-voltage characteristics of the single cell (c1) of Comparative Example 1 and the single cell (7) of Example 7.
  • FIG. 2 shows current-voltage characteristics of the single cell (c2) of Comparative Example 2 and the single cell (9) of Example 9.
  • Electrode catalyst for fuel cell and method for producing the same fluorine is used for a fuel cell electrode catalyst (hereinafter also referred to as “catalyst main body”) containing a specific metal element M atom, carbon atom, nitrogen atom and oxygen atom. It is characterized by including a fluorination step for contact.
  • a fuel cell electrode catalyst hereinafter also referred to as “catalyst main body” containing a specific metal element M atom, carbon atom, nitrogen atom and oxygen atom. It is characterized by including a fluorination step for contact.
  • Catalyst body As the catalyst main body, a conventionally known fuel cell electrode catalyst containing metal element M atom, carbon atom, nitrogen atom and oxygen atom can be used.
  • composition of this fuel cell electrode catalyst is expressed as MC x N y O z (where M represents a metal element M and the total amount of M is 1)
  • M represents a metal element M and the total amount of M is 1
  • the range of x, y, z is usually 0. ⁇ X ⁇ 7, 0 ⁇ y ⁇ 2, and 0 ⁇ z ⁇ 3.
  • the metal element M is at least one selected from the group consisting of zinc, titanium, niobium, zirconium, aluminum, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, strontium, yttrium, tin, tungsten, cerium, samarium and lanthanum. Seeds, preferably titanium, iron, cobalt, niobium, zirconium, samarium and lanthanum, more preferably titanium, niobium, zirconium, iron and lanthanum.
  • Such an electrode catalyst for a fuel cell generally has a raw material containing the metal element M (for example, a raw material containing the metal element M, carbon, and nitrogen), while supplying any element that is deficient. Manufactured through a process of heat treatment at about ° C.
  • the catalyst body is not particularly limited.
  • the fuel cell electrode catalyst described in Patent Document 1 (hereinafter also referred to as “catalyst P1”) and the fuel described in Patent Document 2 are described below. Examples thereof include an electrode catalyst for a battery (hereinafter also referred to as “catalyst P2”).
  • the catalyst P1 is an electrode catalyst for a fuel cell containing at least a titanium element as the metal element M, and includes an atom of the metal element, a carbon atom, a nitrogen atom, and an oxygen atom, and the metal element is silver, calcium, strontium, yttrium,
  • the metal element M1 selected from the group consisting of ruthenium, lanthanum, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium and lutetium and titanium Electrocatalyst.
  • the metal element M1 calcium and strontium are preferable because they are relatively inexpensive. Moreover, yttrium, lanthanum and samarium are preferable in that the catalyst performance to be exhibited is particularly high.
  • Method for producing catalyst P1 Although it does not specifically limit as a manufacturing method of the catalyst P1, for example, the method including the process (manufacturing process of the catalyst P1) of obtaining the catalyst P1 from the metal carbonitride containing the metal element M1 and titanium is mentioned.
  • the metal carbonitride (heat treated product) is obtained by heat-treating a mixture containing the compound containing the metal element M1 and the compound containing titanium.
  • the manufacturing method (step 1) is mentioned.
  • the temperature of the heat treatment for producing the metal carbonitride is usually in the range of 500 to 2200 ° C.
  • a mixed gas containing nitrogen or a nitrogen compound By supplying a mixed gas containing nitrogen or a nitrogen compound at the time of heat treatment, it is possible to supply nitrogen in the synthesized carbonitride.
  • Examples of the “compound containing the metal element M1” as a raw material include oxides, carbides, nitrides, carbonates, nitrates, acetates, oxalates, citrates, etc. Examples include salt.
  • the compound containing the metal element M1 may be used alone or in combination of two or more.
  • titanium-containing compound examples include titanium oxide, carbide, nitride, carbonate, nitrate, acetate, oxalate, citrate, carboxylate, phosphate, oxychloride, and the like. Can be mentioned.
  • the compounds containing titanium may be used alone or in combination of two or more.
  • a plurality of phases may be contained in a single particle of the titanium-containing compound.
  • the said mixture used as a raw material at the process 1 may contain carbon.
  • nitrogen gas or nitrogen compound gas may be used, or nitrogen gas and nitrogen compound gas may be mixed and used.
  • an inert gas may be mixed with nitrogen gas and / or nitrogen compound gas.
  • the oxygen-containing mixed gas contains an inert gas in addition to the oxygen gas.
  • the inert gas include nitrogen gas, helium gas, neon gas, argon gas, krypton gas, xenon gas, and radon gas.
  • the oxygen-containing mixed gas may further contain hydrogen gas.
  • the oxygen concentration in the oxygen-containing mixed gas in this step depends on the heat treatment time and the heat treatment temperature, but is preferably 0.005 to 10% by volume.
  • the hydrogen concentration depends on the heat treatment time and the heat treatment temperature, but is preferably 0.01 to 10% by volume.
  • the temperature of the heat treatment in this step is usually 400-1500 ° C.
  • the heat treatment time is usually about 0.2 seconds to 10 hours.
  • the heat-treated product obtained by the above-described production method or the like may be used as it is as the catalyst P1, or may be further crushed and then used as the catalyst P1.
  • Catalyst P2 is Step 1 of mixing at least a transition metal-containing compound, a nitrogen-containing organic compound and a solvent to obtain a catalyst precursor solution; Step 2 for removing the solvent from the catalyst precursor solution, and Step 3 for obtaining an electrode catalyst by heat-treating the solid residue obtained in Step 2 at a temperature of 500 to 1100 ° C.,
  • the electrode catalyst for a fuel cell wherein a part or all of the transition metal-containing compound is a compound containing at least one transition metal element M2 selected from Group 4 and Group 5 elements of the periodic table as the metal element M It is an electrode catalyst for fuel cells obtained by the manufacturing method.
  • step 1 At least a transition metal-containing compound, a nitrogen-containing organic compound, and a solvent are mixed to obtain a catalyst precursor solution.
  • a part or all of the transition metal-containing compound is a compound containing at least one transition metal element M2 selected from Group 4 and Group 5 elements of the periodic table as the metal element M.
  • Specific examples of the transition metal element M2 include titanium, zirconium, hafnium, vanadium, and niobium. These may be used alone or in combination of two or more.
  • the transition metal-containing compound preferably has at least one selected from an oxygen atom and a halogen atom, and specific examples thereof include a metal phosphate, a metal sulfate, a metal nitrate, a metal organic acid salt, Examples thereof include metal acid halides (intermediate hydrolysates of metal halides), metal alkoxides, metal halides, metal halides and metal hypohalites, and metal complexes. These may be used alone or in combination of two or more.
  • transition metal-containing compound together with a transition metal-containing compound containing a transition metal element M1 of Group 4 or Group 5 of the periodic table as a transition metal element (hereinafter also referred to as “first transition metal-containing compound”),
  • first transition metal-containing compound a transition metal-containing compound containing a transition metal element M1 of Group 4 or Group 5 of the periodic table as a transition metal element
  • second metal a transition metal-containing compound which is an element different from the transition metal element M1 and includes at least one transition metal element M2 selected from iron, nickel, chromium, cobalt, vanadium and manganese. May also be used in combination. Use of the second transition metal-containing compound improves the performance of the resulting catalyst.
  • transition metal element M2 in the second transition metal-containing compound iron and chromium are preferable from the viewpoint of the balance between the cost and the performance of the obtained catalyst.
  • the nitrogen-containing organic compound is preferably a compound (preferably a compound capable of forming a mononuclear complex) that can be a ligand capable of coordinating to a metal atom in the transition metal-containing compound. More preferred are compounds that can be (preferably bidentate or tridentate) (can form chelates).
  • the nitrogen-containing organic compounds may be used alone or in combination of two or more.
  • solvent examples include water, alcohols and acids. These may be used alone or in combination of two or more.
  • the transition metal-containing compound contains a halogen atom
  • the acid is hydrochloric acid, the acid is added so that the concentration of hydrogen chloride in the solution is 5% by weight or more, more preferably 10% by weight or more.
  • step 2 the solvent is removed from the catalyst precursor solution obtained in step 1.
  • the removal of the solvent may be performed in the atmosphere or in an inert gas (for example, nitrogen, argon, helium) atmosphere.
  • an inert gas for example, nitrogen, argon, helium
  • Step 3 the solid residue obtained in Step 2 is heat-treated to obtain an electrode catalyst.
  • the temperature during this heat treatment is 500 to 1100 ° C.
  • the heat treatment time is usually about 0.2 seconds to 10 hours.
  • an atmosphere whose main component is an inert gas is preferable.
  • fluorine gas F 2 molecule
  • the surface of the catalyst body is fluorinated.
  • the fluorine is preferably supplied as a mixed gas containing fluorine gas and dilution gas.
  • the dilution gas examples include nitrogen gas, helium gas, argon gas, neon gas, krypton gas, xenon gas, and radon gas, and nitrogen gas and argon gas are preferable from the viewpoint of availability. These may be used alone or in combination of two or more.
  • the ratio of fluorine gas in the mixed gas is preferably 0.01 to 50% by volume, more preferably 1 to 20% by volume, and still more preferably 0.5 to 2% by volume.
  • proportion of the fluorine gas is in the above range, a fuel cell electrode catalyst that suppresses flooding without significantly impairing the oxygen reducing ability of the catalyst body can be obtained.
  • the fluorination step is preferably performed for 1 to 120 minutes, more preferably 1 to 60 minutes.
  • the fluorination step is preferably performed at 20 to 300 ° C, more preferably 50 to 250 ° C.
  • time and temperature are within the above ranges, it is possible to obtain a fuel cell electrode catalyst that suppresses flooding without significantly impairing the oxygen reducing ability of the catalyst body.
  • the electrode catalyst for a fuel cell according to the present invention is characterized in that it contains an atom, a carbon atom, a nitrogen atom and an oxygen atom of a specific metal element M, and at least a part of the surface is fluorinated.
  • the fuel cell electrode catalyst according to the present invention can be produced by the above-described method for producing a fuel cell electrode catalyst according to the present invention.
  • the ratio of atoms of metal element M: fluorine atoms is preferably 1: It is 0.005 to 0.2, more preferably 1: 0.01 to 0.15, still more preferably 0.01 to 0.1.
  • the fuel cell electrode catalyst in which the ratio of metal element M atoms to fluorine atoms is within the above range suppresses flooding without impairing the oxygen reducing ability of the catalyst body.
  • the ratio of fluorine gas, the temperature, or the time may be increased.
  • the electrode catalyst for a fuel cell is preferably a powder in order to enhance catalytic performance.
  • the contact angle of the fuel cell electrode catalyst of the present invention is preferably 25 ° or more, more preferably 30 ° or more, and further preferably 35 ° or more.
  • the upper limit value may be 90 °, for example.
  • the contact angle value was measured using a DropMaster contact angle measuring device (Kyowa Interface Science Co., Ltd.) using a tablet produced by allowing 0.2 g of catalyst to pressurize to 37 MPa with a tablet molding machine for 30 minutes. And measured by the perfect circle fitting method.
  • the specific surface area calculated by the BET method of the fuel cell electrode catalyst of the present invention is preferably 5 m 2 / g or more, more preferably 10 m 2 / g or more, and even more preferably 50 m 2 / g or more.
  • the upper limit value may be, for example, 1000 m 2 / g.
  • the oxygen reduction starting potential (potential measured by the method employed in the examples described later) of the fuel cell electrode catalyst of the present invention is preferably 0.80 V (vs. NHE) or more, more preferably based on the reversible hydrogen electrode. Is 0.84 V (vs. NHE) or more, more preferably 0.90 V (vs. NHE) or more.
  • the upper limit value may be, for example, 1.2 V (vs. NHE).
  • the fuel cell electrode catalyst layer according to the present invention includes the fuel cell electrode catalyst.
  • the fuel cell electrode catalyst layer preferably further contains an electron conductive powder.
  • the reduction current can be further increased.
  • the electron conductive powder is considered to increase the reduction current because it causes an electrical contact for inducing an electrochemical reaction in the catalyst.
  • the electron conductive powder is not particularly limited as long as it is generally used in a fuel cell electrode catalyst layer.
  • the electron conductive particles are usually used as a catalyst carrier.
  • the fuel cell electrode catalyst layer preferably further includes a polymer electrolyte.
  • the polymer electrolyte is not particularly limited as long as it is generally used in a fuel cell electrode catalyst layer.
  • the fuel cell electrode catalyst layer can be used as either an anode catalyst layer or a cathode catalyst layer.
  • the fuel cell electrode catalyst layer is provided at the cathode of the fuel cell because it contains a catalyst that hardly causes a flooding phenomenon, has a high oxygen reduction ability, and is not easily corroded even in a high potential in an acidic electrolyte. It is useful as a catalyst layer (catalyst layer for cathode), and is particularly useful as a catalyst layer provided on the cathode of the membrane electrode assembly provided in the polymer electrolyte fuel cell.
  • the electrode according to the present invention is characterized by having the fuel cell electrode catalyst layer and a porous support layer.
  • the electrode can be used as either a cathode or an anode. Since the electrode is excellent in durability and has a large catalytic ability, it is more effective when used as a cathode.
  • the membrane electrode assembly according to the present invention is a membrane electrode assembly having a cathode, an anode, and an electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode, wherein the cathode and / or the anode is the present invention. It is an electrode concerning.
  • an electrolyte membrane using a perfluorosulfonic acid system or a hydrocarbon electrolyte membrane is generally used.
  • a membrane or porous body in which a polymer microporous membrane is impregnated with a liquid electrolyte is used.
  • a membrane filled with a polymer electrolyte may be used.
  • the fuel cell according to the present invention includes the membrane electrode assembly.
  • Fuel cell electrode reactions occur at the so-called three-phase interface (electrolyte-electrode catalyst-reaction gas). Fuel cells are classified into several types depending on the electrolyte used, etc., and include molten carbonate type (MCFC), phosphoric acid type (PAFC), solid oxide type (SOFC), and solid polymer type (PEFC). . As the fuel cell according to the present invention, a polymer electrolyte fuel cell is preferable.
  • Combustion decomposition conditions Sample combustion apparatus: AQF-100 (Mitsubishi Chemical Analytech Co., Ltd.) Combustion tube temperature: 950 ° C (temperature decomposition by moving the sample board) Ion chromatography measurement conditions Measuring device: DIONEX DX-500 Eluent: 1.8 mM Na 2 CO 3 +1.7 mM NaHCO 3 Column (temperature): ShodexSI-90 (room temperature) Flow rate: 1.0 ml / min Injection volume: 25 ⁇ l Detector: Electrical conductivity detector Suppressor: DIONEX ASRS-300 2. Powder X-ray diffraction; The sample was subjected to powder X-ray diffraction using a rotor flex made by Rigaku Corporation.
  • the number of diffraction line peaks in powder X-ray diffraction of each sample was counted by regarding a signal that can be detected with a ratio (S / N) of signal (S) to noise (N) of 2 or more as one peak.
  • the noise (N) is the width of the baseline.
  • BET specific surface area measurement The BET specific surface area was measured using Micromeritics Gemini 2360 manufactured by Shimadzu Corporation.
  • the pretreatment time and pretreatment temperature were set at 30 ° C. and 200 ° C., respectively.
  • the soaked product was dried at room temperature and heated at 350 ° C. for 1 hour to obtain a gas diffusion layer (hereinafter also referred to as “GDL”) having PTFE dispersed in the carbon paper and having water repellency.
  • GDL gas diffusion layer
  • the anode ink was applied to the surface of the GDL having a size of 5 cm ⁇ 5 cm at 80 ° C. by an automatic spray coating apparatus (manufactured by Sanei Tech Co., Ltd.). By repeatedly performing spray coating, an electrode having an anode catalyst layer with an amount of platinum (Pt) per unit area of 1 mg / cm 2 was produced.
  • NAFION registered trademark
  • aqueous solution 5% NAFION (registered trademark) aqueous solution, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.
  • the cathode ink was applied to the surface of the GDL having a size of 5 cm ⁇ 5 cm at 80 ° C. by an automatic spray coating apparatus (manufactured by Sanei Tech Co., Ltd.). By repeating spray coating, an electrode having a cathode catalyst layer with a total amount of catalyst and carbon black of 5 mg / cm 2 per unit area on the GDL surface (hereinafter also simply referred to as “cathode”) was produced. Further, the mass of the catalyst per unit area in the cathode catalyst layer was 3.3 mg / cm 2 .
  • a fuel cell membrane electrode assembly for fuel cell A NAFION (registered trademark) membrane (N-117, manufactured by DuPont) as an electrolyte membrane, the cathode, and the anode were prepared, and the cathode and the anode were prepared.
  • a fuel cell membrane electrode assembly (hereinafter also referred to as “MEA”) in which the electrolyte membrane was disposed between the two was prepared as follows.
  • the electrolyte membrane was heated in 3% hydrogen peroxide water at 80 ° C. for 1 hour, and then heated in pure water at 80 ° C. for 1 hour. Then, it heated at 80 degreeC for 1 hour in 1M sulfuric acid aqueous solution, and was then heated at 80 degreeC for 1 hour in pure water.
  • the electrolyte membrane from which moisture has been removed in this manner is sandwiched between the cathode and the anode, and a temperature of 140 ° C. is used using a hot press machine so that the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer are in close contact with the electrolyte membrane. These were thermocompression bonded at a pressure of 3 MPa over 6 minutes to prepare an MEA.
  • a phenomenon that could hardly be confirmed was evaluated as A (for example, FIG. 1), a phenomenon that was remarkably suppressed was evaluated as B (for example, FIG. 2), and a phenomenon that could be confirmed to be suppressed to some extent was evaluated as C.
  • Example 1 of Patent Document 1 The operation of Example 1 of International Publication WO2010 / 131634 (Patent Document 1) was performed, and 1.27 g of catalyst (c1) containing titanium, lanthanum, carbon, nitrogen, and oxygen (“Example 1 of Patent Document 1” Catalyst (1) ").
  • Example 1 A catalyst (c1) was produced in the same manner as in Comparative Example 1, 600 mg of the catalyst (c1) was charged into an atmospheric pressure gas flow reactor, and left under reduced pressure at 110 ° C. for 1 hour. Next, the reactor internal temperature is cooled to 20 ° C., nitrogen gas containing 20% by volume (volume%) of fluorine gas (hereinafter also referred to as “fluorine-containing gas”) is supplied into the reactor for 30 minutes, and then the reactor The atmosphere inside was replaced with nitrogen gas to obtain 639 mg of powder (hereinafter referred to as “catalyst (1)”).
  • fluorine-containing gas nitrogen gas containing 20% by volume (volume%) of fluorine gas
  • Example 2 702 mg of powder (hereinafter referred to as “catalyst (2)”) was obtained by performing the same operation as in Example 1 except that the temperature when supplying the fluorine gas-containing gas was changed from 20 ° C. to 110 ° C. .
  • the evaluation results of the catalyst (2) are shown in Table 1. Further, in the powder X-ray diffraction spectrum (not shown) of the catalyst (2), diffraction line peaks (23.39 °, 33.37 °, 47.88 °) attributed to TiOF 2 were observed.
  • Example 3 Except that the temperature at the time of supplying the fluorine gas-containing gas was changed from 20 ° C. to 200 ° C., the same operation as in Example 1 was performed to obtain 666 mg of powder (hereinafter referred to as “catalyst (3)”). .
  • the evaluation results of the catalyst (3) are shown in Table 1.
  • a diffraction line peak attributed to TiOF 2 was observed in the powder X-ray diffraction spectrum (not shown) of the catalyst (3).
  • Example 4 Except that the temperature when supplying the fluorine gas-containing gas was changed from 20 ° C. to 300 ° C., the same operation as in Example 1 was performed to obtain 525 mg of powder (hereinafter referred to as “catalyst (4)”). .
  • the evaluation results of the catalyst (4) are shown in Table 1. Further, a diffraction line peak attributed to TiOF 2 was observed in the powder X-ray diffraction spectrum (not shown) of the catalyst (4).
  • Example 5 Except that the fluorine gas concentration in the fluorine gas-containing gas was changed from 20% by volume to 1% by volume, the same operation as in Example 1 was performed to obtain 612 mg of powder (hereinafter referred to as “catalyst (5)”). It was.
  • Example 6 Except that the fluorine gas concentration in the fluorine gas-containing gas was changed from 20% by volume to 1% by volume, the same operation as in Example 2 was performed to obtain 606 mg of powder (hereinafter referred to as “catalyst (6)”). It was.
  • Example 7 Except that the fluorine gas concentration in the fluorine gas-containing gas was changed from 20% by volume to 1% by volume, the same operation as in Example 3 was performed to obtain 597 mg of powder (hereinafter referred to as “catalyst (7)”). It was.
  • Example 8 Except that the fluorine gas concentration in the fluorine gas-containing gas was changed from 20% by volume to 1% by volume, the same operation as in Example 4 was performed to obtain 597 mg of powder (hereinafter referred to as “catalyst (8)”). It was.
  • Example 2 The operation of Example 1-8 of International Publication WO2011 / 99493 (Patent Document 2) was carried out to prepare a catalyst (c2) containing titanium, iron, carbon, nitrogen and oxygen (see “Example 1-8 of Patent Document 2”). Catalyst (8) ").
  • Example 9 The same operation as in Example 6 was performed except that the catalyst (c1) was changed to 200 mg of the catalyst (c2) to obtain 612 mg of powder (hereinafter referred to as “catalyst (9)”).

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Description

燃料電池用電極触媒の製造方法、燃料電池用電極触媒およびその用途
　本発明は、燃料電池用電極触媒の製造方法、燃料電池用電極触媒およびその用途に関する。
　固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、高分子固体電解質をアノードとカソードとで挟み、アノードに燃料を供給し、カソードに酸素または空気を供給して、カソードで酸素が還元されて電気を取り出す形式の燃料電池である。燃料には水素またはメタノールなどが主として用いられる。
　従来、燃料電池の反応速度を高め、燃料電池のエネルギー変換効率を高めるために、燃料電池のカソード（空気極）表面やアノード（燃料極）表面には、触媒を含む層（以下「燃料電池用電極触媒層」とも記す。）が設けられている。
　この触媒として、一般的に貴金属が用いられており、貴金属の中でも高い電位で安定であり、活性が高い白金、パラジウムなどの貴金属が主として従来用いられてきた。しかし、これらの貴金属は価格が高く、また資源量が限られていることから、代替可能な種々の触媒（たとえば、特許文献１、２などに開示されているような、金属原子、炭素原子、窒素原子および酸素原子を含む燃料電池用電極触媒）の開発が行われている。
　ところで、燃料電池のカソードでは、
　　　　　　Ｏ2　＋　４Ｈ+　＋　４ｅ-　→　２Ｈ2Ｏ
で表される反応により水が生成するところ、カソード触媒層の表面や孔内にこの水が滞留する、いわゆるフラッディング現象が起こり、反応に必要な気体の拡散経路を阻害してしまい、燃料電池の出力が著しく低下してしまう場合があった。
　このフラッディング現象を防ぐため、一般には、触媒層内に撥水性粒子、たとえばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子を分散させることにより、触媒層に撥水性を与えて生成水の逸散性を向上させている。
　特許文献３（特開２００５－２７６７４６号公報）には、触媒層に撥水性を与えるための撥水性粒子が導電性を有さないことによる電極の抵抗増大を防ぎ、特に高電流運転時にＩＲドロップを低減させて、出力を高めた燃料電池を提供することを目的として、カソード触媒が、金属触媒を担持した炭素、プロトン伝導性高分子、ならびに電解質および撥水性を持つ材料（フッ化グラファイト等）から構成される固体高分子型燃料電池が開示されている。
　なお、特許文献４（国際公開ＷＯ２００６／１０４１２３号パンフレット）には、白金ブラック材にフッ素ガスまたはフッ素ガスと不活性ガスとの混合ガスを接触させる処理を行うことにより、アノードの白金触媒が、燃料ガス中の一酸化炭素により吸着被毒され失活するのを防ぐ技術が開示されており、この処理によって、白金ブラック表面にフッ素が吸着されること（段落［００３１］）が記載されている。
国際公開ＷＯ２０１０／１３１６３４号パンフレット 国際公開ＷＯ２０１１／９９４９３号パンフレット 特開２００５－２７６７４６号公報 国際公開ＷＯ２００６／１０４１２３号パンフレット
　しかしながら、触媒層に撥水性材料を添加する特許文献３の技術や、白金ブラック表面にフッ素を吸着させる特許文献４の技術では、触媒表面に撥水化されない部分が残ってしまい、その結果、触媒表面から水が除去されずフラッディング現象が生じる可能性がある。
　本発明は、このような従来技術における問題点に鑑み、特定の金属原子、炭素原子、窒素原子および酸素原子を含む燃料電池用電極触媒においてフラッディング現象を抑制することを目的としている。
　本発明は、例えば、以下の［１］～［１５］に関する。
　［１］亜鉛、チタン、ニオブ、ジルコニウム、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ストロンチウム、イットリウム、スズ、タングステン、セリウム、サマリウムおよびランタンからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素Ｍの原子、炭素原子、窒素原子および酸素原子を含む触媒本体にフッ素を接触させるフッ素化工程を含む燃料電池用電極触媒の製造方法。
　［２］前記フッ素化工程において、前記触媒本体に、フッ素ガスと希釈ガスとの混合ガスを接触させる上記［１］に記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。
　［３］前記混合ガス中のフッ素ガス濃度が０．１～５０体積％である上記［２］に記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。
　［４］前記フッ素化工程を０～５００℃で行う上記［１］～［３］のいずれかに記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。
　［５］前記フッ素化工程を１～１２０分間行う上記［１］～［４］のいずれかに記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。
　［６］前記触媒本体の組成をＭＣxＮyＯz（ただし、Ｍは前記金属元素Ｍを表し、Ｍの総量を１とする。）と表すと、ｘ、ｙ、ｚの範囲が、０＜ｘ≦７、０＜ｙ≦２、０＜ｚ≦３である上記［１］～［５］のいずれかに記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。
　［７］亜鉛、チタン、ニオブ、ジルコニウム、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ストロンチウム、イットリウム、スズ、タングステン、セリウム、サマリウムおよびランタンからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素の原子、炭素原子、窒素原子および酸素原子を含み、表面がフッ素化されている燃料電池用電極触媒。
　［８］上記［１］～［６］のいずれかに記載の製造方法によって得られる上記［７］記載の燃料電池用電極触媒。
　［９］フッ素原子を前記金属元素の原子１モルに対して０．００５～０．２モル含有する上記［７］または［８］に記載の燃料電池用電極触媒。
　［１０］上記［７］～［９］のいずれかに記載の燃料電池用電極触媒を含む燃料電池用電極触媒層。
　［１１］電子伝導性粒子をさらに含む上記［１０］に記載の燃料電池用電極触媒層。
　［１２］燃料電池用電極触媒層と多孔質支持層とを有する電極であって、前記燃料電池用電極触媒層が上記［１０］または［１１］に記載の燃料電池用電極触媒層である電極。
　［１３］カソードとアノードと前記カソードおよび前記アノードの間に配置された電解質膜とを有する膜電極接合体であって、前記カソードおよび／または前記アノードが上記［１２］に記載の電極である膜電極接合体。
　［１４］上記［１３］に記載の膜電極接合体を備える燃料電池。
　［１５］固体高分子型燃料電池である上記［１４］に記載の燃料電池。
　本発明によれば、フラッディング現象が抑制された燃料電池用電極触媒およびその製造方法が提供される。
図１は、比較例１の単セル（ｃ１）および実施例７の単セル（７）の電流－電圧特性を示す。 図２は、比較例２の単セル（ｃ２）および実施例９の単セル（９）の電流－電圧特性を示す。
　　　　　　　［燃料電池用電極触媒およびその製造方法］
　本発明に係る燃料電池用電極触媒の製造方法は、特定の金属元素Ｍの原子、炭素原子、窒素原子および酸素原子を含む燃料電池用電極触媒（以下「触媒本体」ともいう。）にフッ素を接触させるフッ素化工程を含むことを特徴としている。
　＜触媒本体＞
　前記触媒本体としては、従来公知の、金属元素Ｍの原子、炭素原子、窒素原子および酸素原子を含む燃料電池用電極触媒を用いることができる。
　この燃料電池用電極触媒の組成をＭＣxＮyＯz（ただし、Ｍは金属元素Ｍを表し、Ｍの総量を１とする。）と表すと、ｘ、ｙ、ｚの範囲は通常、０＜ｘ≦７、０＜ｙ≦２、０＜ｚ≦３程度である。
　前記金属元素Ｍは、亜鉛、チタン、ニオブ、ジルコニウム、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ストロンチウム、イットリウム、スズ、タングステン、セリウム、サマリウムおよびランタンからなる群から選択される少なくとも１種であり、好ましくはチタン、鉄、コバルト、ニオブ、ジルコニウム、サマリウムおよびランタン、より好ましくはチタン、ニオブ、ジルコニウム、鉄およびランタンである。高い酸素還元能の触媒を得る観点からは、特に好ましくは、チタン、ならびに鉄およびランタンから選ばれる金属元素Ｍ'が、チタン：Ｍ'＝（１－α）：α（ただし、０≦α≦０．２０である。）の割合で用いられる。
　このような燃料電池用電極触媒は、一般に、前記金属元素Ｍを含む原料（たとえば、金属元素Ｍ、炭素および窒素を含む原料）を、不足する元素があればそれを供給しながら、４００～１５００℃程度で熱処理する工程を経て製造される。
　前記触媒本体としては、特に限定はされないが、たとえば以下に記載するような特許文献１に記載された燃料電池用電極触媒（以下「触媒Ｐ１」ともいう。）および特許文献２に記載された燃料電池用電極触媒（以下「触媒Ｐ２」ともいう。）が挙げられる。
　〔触媒Ｐ１〕
　触媒Ｐ１は、金属元素Ｍとして少なくともチタン元素を含む燃料電池用電極触媒であって、金属元素の原子、炭素原子、窒素原子および酸素原子を含み、該金属元素が銀、カルシウム、ストロンチウム、イットリウム、ルテニウム、ランタン、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウムおよびルテチウムからなる群より選択された少なくとも１種の金属元素Ｍ１ならびにチタンである燃料電池用電極触媒である。
　金属元素Ｍ１としては、比較的安価である点ではカルシウムおよびストロンチウムが好ましい。また、発揮される触媒性能が特に高い点でイットリウム、ランタンおよびサマリウムが好ましい。
　（触媒Ｐ１の製造方法）
　触媒Ｐ１の製造方法としては、特に限定されないが、たとえば金属元素Ｍ１およびチタンを含有する金属炭窒化物から触媒Ｐ１を得る工程（触媒Ｐ１の製造工程）を含む方法が挙げられる。
　（金属炭窒化物の製造工程）
　上記触媒Ｐ１の製造工程に用いる前記金属炭窒化物を得る方法としては、前記金属元素Ｍ１を含有する化合物及びチタンを含有する化合物を含む混合物を熱処理することにより金属炭窒化物（熱処理物）を製造する方法（工程１）が挙げられる。
　（工程１）
　金属炭窒化物を製造する際の熱処理の温度は通常５００℃～２２００℃の範囲である。熱処理時には窒素または窒素化合物を含有する混合ガスを供給することにより、合成される炭窒化物のうちの窒素を供給することが可能である。
　原料である"金属元素Ｍ１を含有する化合物"としては、金属元素Ｍ１の酸化物、炭化物、窒化物、炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、クエン酸塩等のカルボン酸塩、リン酸塩などが挙げられる。
　前記金属元素Ｍ１を含有する化合物は、１種単独で用いてもよく、２種類以上を併用してもよい。
　前記"チタンを含有する化合物"としては、チタンの酸化物、炭化物、窒化物、炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、クエン酸塩、カルボン酸塩、リン酸塩、オキシ塩化物等が挙げられる。
　前記チタンを含有する化合物は、１種単独で用いてもよく、２種類以上を併用してもよい。また、前記チタンを含有する化合物の単一粒子中に複数の相が含まれていてもよい。
　工程１で原料として用いられる前記混合物は、炭素を含有してもよい。
　前記混合ガスとしては、窒素ガスまたは窒素化合物のガスのみを用いても、窒素ガスおよび窒素化合物のガスを混合して用いてもよい。さらに、窒素ガスおよび／または窒素化合物のガスとともに、不活性ガスを混合して用いてもよい。
　（触媒Ｐ１の製造工程）
　次に、触媒Ｐ１の製造工程、具体的には工程（１）で得られた金属炭窒化物を、酸素含有混合ガス中で熱処理することにより、触媒Ｐ１を得る工程について説明する。
　前記酸素含有混合ガスは、酸素ガスの他に不活性ガスを含む。前記不活性ガスとしては、窒素ガス、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、クリプトンガス、キセノンガスおよびラドンガスが挙げられる。
　また、酸素含有混合ガスは、さらに水素ガスを含んでいてもよい。
　この工程における酸素含有混合ガス中の酸素濃度は、熱処理時間および熱処理温度に依存するが、好ましくは０．００５～１０容量％である。
　前記酸素含有混合ガスが水素ガスを含む場合、その水素濃度は、熱処理時間と熱処理温度に依存するが、好ましくは０．０１～１０容量％である。
　この工程における熱処理の温度は、通常は４００～１５００℃である。また、熱処理の時間は、通常、０．２秒～１０時間程度である。
　上述の製造方法等により得られた熱処理物は、そのまま触媒Ｐ１として使用してもよく、さらに解砕してから触媒Ｐ１として用いてもよい。
　〔触媒Ｐ２〕
　触媒Ｐ２は、
　少なくとも遷移金属含有化合物、窒素含有有機化合物および溶媒を混合して触媒前駆体溶液を得る工程１、
　前記触媒前駆体溶液から溶媒を除去する工程２、および
　工程２で得られた固形分残渣を５００～１１００℃の温度で熱処理して電極触媒を得る工程３を含み、
　前記遷移金属含有化合物の一部または全部が、前記金属元素Ｍとして周期表第４族および第５族の元素から選ばれる少なくとも１種の遷移金属元素Ｍ２を含有する化合物である燃料電池用電極触媒の製造方法によって得られる燃料電池用電極触媒である。
　（工程１）
　工程１では、少なくとも遷移金属含有化合物、窒素含有有機化合物および溶媒を混合して触媒前駆体溶液を得る。
　前記混合の手順としては、たとえば、
　手順（i）：１つの容器に溶媒を準備し、そこへ前記遷移金属含有化合物および前記窒素含有有機化合物を添加し、溶解させて、これらを混合する、
　手順（ii）：前記遷移金属含有化合物の溶液、および前記窒素含有有機化合物の溶液を準備し、これらを混合する
が挙げられる。
　前記遷移金属含有化合物として後述する第１の遷移金属含有化合物および第２の遷移金属含有化合物を用いる場合の、前記手順（ii）における好ましい手順としては、
　手順（ii'）：前記第１の遷移金属含有化合物の溶液、ならびに前記第２の遷移金属含有化合物および前記窒素含有有機化合物の溶液を準備し、これらを混合する
が挙げられる。
　＜遷移金属含有化合物＞
　前記遷移金属含有化合物の一部または全部は、前記金属元素Ｍとして周期表第４族および第５族の元素から選ばれる少なくとも１種の遷移金属元素Ｍ２を含有する化合物である。前記遷移金属元素Ｍ２としては、具体的にはチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウムおよびニオブが挙げられる。これらは、１種単独で用いてもよく２種以上を併用してもよい。
　前記遷移金属含有化合物は、好ましくは、酸素原子およびハロゲン原子から選ばれる少なくとも１種を有しており、その具体例としては、金属リン酸塩、金属硫酸塩、金属硝酸塩、金属有機酸塩、金属酸ハロゲン化物（金属ハロゲン化物の中途加水分解物）、金属アルコキシド、金属ハロゲン化物、金属ハロゲン酸塩および金属次亜ハロゲン酸塩、金属錯体が挙げられる。これらは、１種単独で用いてもよく２種以上を併用してもよい。
　また、前記遷移金属含有化合物として、遷移金属元素として周期表第４族または第５族の遷移金属元素Ｍ１を含む遷移金属含有化合物（以下「第１の遷移金属含有化合物」ともいう。）と共に、遷移金属元素として、遷移金属元素Ｍ１とは異なる元素であって、鉄、ニッケル、クロム、コバルト、バナジウムおよびマンガンから選ばれる少なくとも１種の遷移金属元素Ｍ２を含む遷移金属含有化合物（以下「第２の遷移金属含有化合物」ともいう。）が併用されてもよい。第２の遷移金属含有化合物を用いると、得られる触媒の性能が向上する。
　第２の遷移金属含有化合物中の遷移金属元素Ｍ２としては、コストと得られる触媒の性能とのバランスの観点から、鉄およびクロムが好ましい。
　＜窒素含有有機化合物＞
　前記窒素含有有機化合物としては、前記遷移金属含有化合物中の金属原子に配位可能な配位子となり得る化合物（好ましくは、単核の錯体を形成し得る化合物）が好ましく、多座配位子（好ましくは、２座配位子または３座配位子）となり得る（キレートを形成し得る）化合物がさらに好ましい。
　前記窒素含有有機化合物は、１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
　＜溶媒＞
　前記溶媒としては、たとえば水、アルコール類および酸類が挙げられる。これらは、１種単独で用いてもよく２種以上を併用してもよい。
　＜沈殿抑制剤＞
　前記遷移金属含有化合物がハロゲン原子を含む場合には、強酸を１重量％以上添加することが好ましい。たとえば酸が塩酸であれば、溶液中の塩化水素の濃度が５重量％以上、より好ましくは１０重量％以上となるように酸を添加する。
　（工程２）
　工程２では、工程１で得られた前記触媒前駆体溶液から溶媒を除去する。
　溶媒の除去は大気下で行ってもよく、不活性ガス（例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム）雰囲気下で行ってもよい。
　（工程３）
　工程３では、工程２で得られた固形分残渣を熱処理して電極触媒を得る。
　この熱処理の際の温度は、５００～１１００℃である。また、熱処理の時間は、通常、０．２秒～１０時間程度である。
　前記熱処理を行う際の雰囲気としては、その主成分が不活性ガスである雰囲気が好ましい。
　＜フッ素化工程＞
　本発明に係る燃料電池用電極触媒の製造方法におけるフッ素化工程では、前記触媒本体にフッ素ガス（Ｆ2分子）を接触させる。このフッ素化工程により、前記触媒本体の表面がフッ素化される。
　前記フッ素は、好ましくは、フッ素ガスおよび希釈ガスを含む混合ガスとして供給される。
　前記希釈ガスとしては、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス、ネオンガス、クリプトンガス、キセノンガスまたはラドンガスなどが挙げられ、入手容易性等の観点からは窒素ガスおよびアルゴンガスが好ましい。これらは１種単独で用いてもよく２種以上を併用してもよい。
　混合ガス中のフッ素ガスの割合は、好ましくは０．０１～５０体積％、より好ましくは１～２０体積％、さらに好ましくは０．５～２体積％である。フッ素ガスの割合が上記範囲にあると、前記触媒本体の酸素還元能を大きく損ねることなくフラッディングを抑制する燃料電池用電極触媒を得ることができる。
　前記フッ素化工程は、好ましくは１～１２０分間、より好ましくは１～６０分行われる。また前記フッ素化工程は、好ましくは２０～３００℃で、より好ましくは５０～２５０℃で行われる。時間や温度が上記範囲にあると、前記触媒本体の酸素還元能を大きく損ねることなくフラッディングを抑制する燃料電池用電極触媒を得ることができる。
　また、前記触媒本体よりもさらに優れた酸素還元能（高い酸素還元開始電位）を有する燃料電池用電極触媒を得る観点からは、触媒本体表面の水分を完全に除去し、前記フッ素化工程を実施することが好ましい。
　　　　　　　　　　　［燃料電池用電極触媒］
　本発明に係る燃料電池用電極触媒は、特定の金属元素Ｍの原子、炭素原子、窒素原子および酸素原子を含み、表面の少なくとも一部がフッ素化されていることを特徴としている。
　本発明に係る燃料電池用電極触媒は、上述した本発明に係る燃料電池用電極触媒の製造方法により製造することができる。
　フッ素化の程度を燃料電池用電極触媒中のすべての金属元素Ｍの原子とフッ素原子との原子数の比（モル比）に換算すると、金属元素Ｍの原子：フッ素原子は、好ましくは１：０．００５～０．２、より好ましくは１：０．０１～０．１５、さらに好ましくは０．０１～０．１である。
　金属元素Ｍの原子とフッ素原子との割合が上記範囲にある燃料電池用電極触媒は、前記触媒本体の酸素還元能を損ねることなくフラッディングを抑制する。
　フッ素化の程度を高めるには、たとえば上述したフッ素化工程において、フッ素ガスの割合を高めたり、温度を高めたり、時間を長くするなどすればよい。
　前記燃料電池用電極触媒は、触媒能を高めるため、粉末であることが好ましい。
　本発明の燃料電池用電極触媒の接触角は、フラッディングを抑制するために、好ましくは２５°以上、より好ましくは３０°以上、さらに好ましくは３５°以上である。上限値はたとえば９０°であってもよい。なお、この接触角の値は、０．２ｇの触媒を錠剤成型器で３７ＭＰａに加圧しながら３０分間放置して製造された錠剤を測定対象として、ＤｒｏｐＭａｓｔｅｒ接触角測定装置（協和界面科学（株）製）を用い、真円フィッティング法により測定した場合の値である。
　本発明の燃料電池用電極触媒のＢＥＴ法で算出される比表面積は、好ましくは５ｍ2／ｇ以上、より好ましくは１０ｍ2／ｇ以上、さらに好ましくは５０ｍ2／ｇ以上である。上限値はたとえば１０００ｍ2／ｇであってもよい。
　本発明の燃料電池用電極触媒の酸素還元開始電位（後述する実施例で採用した方法で測定される電位）は、可逆水素電極を基準として好ましくは０．８０Ｖ（ｖｓ．ＮＨＥ）以上、より好ましくは０．８４Ｖ（ｖｓ．ＮＨＥ）以上、さらに好ましくは０．９０Ｖ（ｖｓ．ＮＨＥ）以上である。上限値はたとえば１．２Ｖ（ｖｓ．ＮＨＥ）であってもよい。
　　　　　　　　　　　　　　　［用途］
　本発明に係る燃料電池用電極触媒層は、前記燃料電池用電極触媒を含む。
　前記燃料電池用電極触媒層は、好ましくは電子伝導性粉末をさらに含む。電子伝導性粉末が含まれることによって、還元電流をより高めることができる。電子伝導性粉末は、前記触媒に、電気化学的反応を誘起させるための電気的接点を生じさせるため、還元電流を高めると考えられる。前記電子伝導性粉末は、燃料電池用電極触媒層において一般的に用いられているものであれば特に限定されない。
　前記電子伝導性粒子は通常、触媒の担体として用いられる。
　また前記燃料電池用電極触媒層は、好ましくは、高分子電解質をさらに含む。前記高分子電解質としては、燃料電池用電極触媒層において一般的に用いられているものであれば特に限定されない。
　前記燃料電池用電極触媒層は、アノード触媒層またはカソード触媒層のいずれにも用いることができる。前記燃料電池用電極触媒層は、フラッディング現象を生じさせ難く、高い酸素還元能を有し、酸性電解質中において高電位であっても腐蝕しがたい触媒を含むため、燃料電池のカソードに設けられる触媒層（カソード用触媒層）として有用であり、固体高分子型燃料電池が備える膜電極接合体のカソードに設けられる触媒層として特に有用である。
　本発明に係る電極は、前記燃料電池用電極触媒層と多孔質支持層とを有することを特徴としている。
　前記電極はカソードまたはアノードのいずれの電極にも用いることができる。前記電極は、耐久性に優れ、触媒能が大きいので、カソードとして用いると、より効果を発揮する。
　本発明に係る膜電極接合体は、カソードとアノードと前記カソードおよび前記アノードの間に配置された電解質膜とを有する膜電極接合体であって、前記カソードおよび／または前記アノードは前記の本発明に係る電極である。
　電解質膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系を用いた電解質膜または炭化水素系電解質膜などが一般的に用いられるが、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜または多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。
　本発明に係る燃料電池は、前記膜電極接合体を備える。
　燃料電池の電極反応はいわゆる３相界面（電解質‐電極触媒‐反応ガス）で起こる。燃料電池は、使用される電解質などの違いにより数種類に分類され、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、固体高分子型（ＰＥＦＣ）等がある。本発明に係る燃料電池としては、固体高分子型燃料電池が好ましい。
　以下に、本発明を実施例等により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
　各種測定は、下記の方法により行なった。
　１．元素分析；
　＜金属＞
　試料約０．１ｇを石英ビーカーに量り取り、硫酸，硝酸およびフッ酸を用いて試料を完全に加熱分解した。冷却後、この溶液を１００ｍｌに定容し、さらに適宜希釈し、ＩＣＰ－ＯＥＳ（ＳＩＩ社製ＶＩＳＴＡ－ＰＲＯ）またはＩＣＰ－ＭＳ（Ａｇｉｌｅｎｔ社製ＨＰ７５００）を用いて定量を行った。
　＜炭素＞
　試料約０．０１ｇを量り取り、炭素硫黄分析装置（堀場製作所製ＥＭＩＡ－９２０Ｖ）にて測定を行った。
　＜窒素、酸素＞
　試料約０．０１ｇを量り取り、Ｎｉカプセルに試料を封入して、酸素窒素分析装置（ＬＥＣＯ製ＴＣ６００）にて測定を行った。
　＜フッ素＞
　試料数ｍｇを、酸素気流下、水蒸気を通気しながら燃焼分解した。発生したガスを１０ｍＭ Ｎａ2ＣＯ3（過酸化水素を含む。補正用標準Ｂｒ‐：５ｐｐｍ）に吸収させ、イオンクロマトグラフィーでフッ素の量を測定した。
　燃焼分解条件：
　　試料燃焼装置：ＡＱＦ－１００（（株）三菱化学アナリテック社製）
　　燃焼管温度：９５０℃（試料ボード移動による昇温分解）
　イオンクロマトグラフィー測定条件
　　測定装置：ＤＩＯＮＥＸ　ＤＸ－５００
　　溶離液：１．８ｍＭ Ｎａ2ＣＯ3＋１．７ｍＭ ＮａＨＣＯ3
　　カラム（温度）：ＳｈｏｄｅｘＳＩ－９０（室温）
　　流速：１．０ｍｌ／分
　　注入量：２５μｌ
　　検出器：電気伝導度検出器
　　サプレッサー：ＤＩＯＮＥＸ　ＡＳＲＳ－３００
　２．粉末Ｘ線回折；
　理学電機株式会社製　ロータフレックスを用いて、試料の粉末Ｘ線回折を行った。
　各試料の粉末Ｘ線回折における回折線ピークの本数は、信号（Ｓ）とノイズ（Ｎ）の比（Ｓ／Ｎ）が２以上で検出できるシグナルを１つのピークとしてみなして数えた。
　なお、ノイズ（Ｎ）は、ベースラインの幅とした。
　３．ＢＥＴ比表面積測定；
　島津製作所株式会社製　マイクロメリティクス　ジェミニ２３６０を用いてＢＥＴ比表面積を測定した。前処理時間、前処理温度は、それぞれ３０分、２００℃に設定した。
　４．接触角の測定；
　実施例または比較例で製造された約２００ｍｇの触媒を、錠剤成形器で３７ＭＰａに加圧しながら３０分間放置した。成形器から錠剤を取り出し、その接触角を、ＤｒｏｐＭａｓｔｅｒ接触角測定装置（協和界面科学（株）製）を用い、真円フィッティング法により測定した。
　５．酸素還元能の評価；
　（１）燃料電池用電極の製造
　実施例または比較例で製造された触媒９５ｍｇとカーボン（キャボット社製　ＶＵＬＣＡＮ（登録商標）　ＸＣ７２）５ｍｇとを、イソプロピルアルコール：純水＝２：１の質量比で混合した溶液１０ｇに入れ、超音波で撹拌、懸濁して混合した。この混合物３０μｌをグラッシーカーボン電極（東海カーボン社製、直径：６ｍｍ）に塗布し、１２０℃で５分間乾燥して、カーボン電極表面に１．０ｍｇ以上の燃料電池用電極触媒層が形成した。さらに、燃料電池用電極触媒層の上に５％ナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ（登録商標））溶液（ＤＥ－５２１、デュポン社）を１０倍にイソプロピルアルコールで希釈したもの１０μｌを塗布し、１２０℃で１時間乾燥し、燃料電池用電極を得た。
　（２）酸素還元能の評価
　作製した燃料電池用電極を、酸素雰囲気および窒素雰囲気で、０．５ｍｏｌ／Ｌの硫酸水溶液中、３０℃、５ｍＶ／秒の電位走査速度で分極し、それぞれ電流－電位曲線を測定した。その際、同濃度の硫酸水溶液中での可逆水素電極を参照電極とした。
　上記測定結果から、酸素雰囲気での還元電流と窒素雰囲気での還元電流とに０．２μＡ／ｃｍ2以上差が現れ始める電位を酸素還元開始電位とした。
　６．フラッディング現象の評価；
　（１）アノード用インクの調製
　純水５０ｍｌに、白金担持カーボン（ＴＥＣ１０Ｅ６０Ｅ、田中貴金属工業製）０．６ｇと、プロトン伝導性材料（ＮＡＦＩＯＮ（登録商標））０．２５ｇを含有する水溶液（５％ナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）水溶液、和光純薬工業（株）製）５ｇとを入れて、超音波分散機（ＵＴ－１０６Ｈ型シャープマニファクチャリングシステム社製）で１時間混合することにより、アノード用インクを調製した。
　（２）アノード触媒層を有する電極の作製
　ガス拡散層（カーボンペーパー（ＴＧＰ－Ｈ－０６０、東レ（株）製））を、アセトンに３０秒間浸漬して脱脂した後、乾燥させ、次いで１０％のポリテトラフルオロエチレン（以下「ＰＴＦＥ」とも記す。）水溶液に３０秒間浸漬した。
　浸漬物を、室温乾燥後、３５０℃で１時間加熱することにより、カーボンペーパー内部にＰＴＦＥが分散し撥水性を有するガス拡散層（以下「ＧＤＬ」とも記す。）を得た。
　次に、５ｃｍ×５ｃｍの大きさとした前記ＧＤＬの表面に、自動スプレー塗布装置（サンエイテック社製）により、８０℃で、上記アノード用インクを塗布した。スプレー塗布を繰り返し行うことにより、単位面積あたりの白金（Ｐｔ）量が１ｍｇ／ｃｍ2であるアノード触媒層を有する電極を作製した。
　（３）カソード用インクの調製
　２－プロパノール（和光純薬工業（株）製）５０ｍｌに、実施例または比較例で製造された触媒０．２３７ｇと、電子伝導性材料としてカーボンブラック（ケッチェンブラックＥＣ３００Ｊ、ＬＩＯＮ社製）０．１１８３ｇとを加え、さらにプロトン伝導性材料（ナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ（登録商標））０．１４２ｇを含有する水溶液（５％ナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）水溶液、和光純薬工業製）２．８４ｇを入れて、超音波分散機（ＵＴ－１０６Ｈ型シャープマニファクチャリングシステム社製）で１時間混合することにより、カソード用インクを調製した。
　（４）カソードの作製
　"（２）アノード触媒層を有する電極の作製"と同様に、ＧＤＬを作製した。
　５ｃｍ×５ｃｍの大きさとした前記ＧＤＬの表面に、自動スプレー塗布装置（サンエイテック社製）により、８０℃で、前記カソード用インクを塗布した。スプレー塗布を繰り返し行うことにより、触媒およびカーボンブラックの総量が単位面積あたり５ｍｇ／ｃｍ2であるカソード触媒層をＧＤＬ表面に有する電極（以下、単に「カソード」ともいう。）を作製した。また、カソード触媒層における単位面積あたりの触媒の質量は、３．３ｍｇ／ｃｍ2であった。
　（５）燃料電池用膜電極接合体の作製
　電解質膜としてのナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ（登録商標））膜（Ｎ－１１７、ＤｕＰｏｎｔ社製）、前記カソード、および前記アノードを準備し、前記カソードと前記アノードとの間に前記電解質膜を配置した燃料電池用膜電極接合体（以下「ＭＥＡ」ともいう。）を以下のように作製した。
　まず、前記電解質膜を、３％過酸化水素水中、８０℃で１時間加熱し、その後、純水中、８０℃で１時間加熱した。続いて、１Ｍ硫酸水溶液中、８０℃で１時間加熱し、その後、純水中、８０℃で１時間加熱した。
　このようにして水分を取り除いた前記電解質膜を前記カソードおよび前記アノードで挟み、前記カソード触媒層および前記アノード触媒層が前記電解質膜に密着するように、ホットプレス機を用いて、温度１４０℃、圧力３ＭＰａで６分間かけてこれらを熱圧着し、ＭＥＡを作製した。
　（６）単セルの作製
　前記ＭＥＡを、２つシール材（ガスケット）、２つのガス流路付きセパレーター、２つの集電板および２つのラバーヒータで挟んでボルトで固定し、これらを所定の面圧（４Ｎ）になるように締め付けて、固体高分子型燃料電池の単セル（セル面積：２５ｃｍ2）を作製した。
　（７）フラッディング現象の評価
　前記単セルを９０℃、アノード加湿器を９５℃、カソード加湿器を６５℃に温度調節した。アノード側に燃料として水素を流量１リットル／分で供給し、カソード側に酸化剤として酸素を流量２リットル／分で供給し、両側ともに３００ｋＰａの背圧をかけながら、単セルにおける電流密度－電圧特性を測定した。
　フッ素化されていない触媒（後述する比較例の触媒）の電流密度－電圧特性と、当該触媒をフッ素化した触媒（後述する実施例の触媒）の電流密度－電圧特性とを比較して、フラッディング現象が、ほとんど確認できないものをＡ（例えば図１）、顕著に抑制されているものをＢ（例えば図２）、ある程度抑制されていると確認ができるものをＣ、と評価した。
　［比較例１］
　１．燃料電池用電極触媒の製造およびその評価：
　国際公開ＷＯ２０１０／１３１６３４号パンフレット（特許文献１）の実施例１の操作を行い、チタン、ランタン、炭素、窒素および酸素を含む１．２７ｇの触媒（ｃ１）（特許文献１の実施例１の「触媒（１）」に相当）を得た。
　触媒（ｃ１）の評価結果を表１に示す。
　また、触媒（ｃ１）を用いた単セル（ｃ１）の電流－電圧特性を図１に示す。セル電圧が０．４Ｖ付近から急激に低下していることから、この単セル（ｃ１）では、フラッディング現象が生じていると推定される。
　［実施例１］
　比較例１と同様の操作により触媒（ｃ１）を製造し、触媒（ｃ１）のうちの６００ｍｇを常圧気相流通式リアクターに充填し、減圧下、１１０℃で１時間放置した。次に、リアクター内温度を２０℃まで冷却し、リアクター内に、フッ素ガスを２０容量％（体積％）含有する窒素ガス（以下「フッ素含有ガス」ともいう。）を３０分間供給し、その後リアクター内の雰囲気を窒素ガスで置換して、６３９ｍｇの粉末（以下「触媒（１）」という。）を得た。
　触媒（１）の評価結果を表１に示す。
　［実施例２］
　フッ素ガス含有ガスを供給する際の温度を２０℃から１１０℃に変更したこと以外は実施例１と同様の操作を行って、７０２ｍｇの粉末（以下「触媒（２）」という。）を得た。
　触媒（２）の評価結果を表１に示す。また、触媒（２）の粉末Ｘ線回折スペクトル（図示せず）には、ＴｉＯＦ2に帰属される回折線ピーク（２３．３９°、３３．３７°、４７．８８°）が観測された。
　［実施例３］
　フッ素ガス含有ガスを供給する際の温度を２０℃から２００℃に変更したこと以外は実施例１と同様の操作を行って、６６６ｍｇの粉末（以下「触媒（３）」という。）を得た。
　触媒（３）の評価結果を表１に示す。また、触媒（３）の粉末Ｘ線回折スペクトル（図示せず）には、ＴｉＯＦ2に帰属される回折線ピークが観測された。
　［実施例４］
　フッ素ガス含有ガスを供給する際の温度を２０℃から３００℃に変更したこと以外は実施例１と同様の操作を行って、５２５ｍｇの粉末（以下「触媒（４）」という。）を得た。
　触媒（４）の評価結果を表１に示す。また、触媒（４）の粉末Ｘ線回折スペクトル（図示せず）には、ＴｉＯＦ2に帰属される回折線ピークが観測された。
　［実施例５］
　フッ素ガス含有ガス中のフッ素ガス濃度を２０容量％から１容量％に変更したこと以外は実施例１と同様の操作を行って、６１２ｍｇの粉末（以下「触媒（５）」という。）を得た。
　触媒（５）の評価結果を表１に示す。
　［実施例６］
　フッ素ガス含有ガス中のフッ素ガス濃度を２０容量％から１容量％に変更したこと以外は実施例２と同様の操作を行って、６０６ｍｇの粉末（以下「触媒（６）」という。）を得た。
　触媒（６）の評価結果を表１に示す。
　［実施例７］
　フッ素ガス含有ガス中のフッ素ガス濃度を２０容量％から１容量％に変更したこと以外は実施例３と同様の操作を行って、５９７ｍｇの粉末（以下「触媒（７）」という。）を得た。
　触媒（７）の評価結果を表１に示す。
　また、触媒（７）を用いた単セル（７）の電流－電圧特性を図１に示す。セル電圧の急激な低下が認められないことから、この単セル（７）では、フラッディング現象はほとんど生じていないと考えられる。
　［実施例８］
　フッ素ガス含有ガス中のフッ素ガス濃度を２０容量％から１容量％に変更したこと以外は実施例４と同様の操作を行って、５９７ｍｇの粉末（以下「触媒（８）」という。）を得た。
　触媒（８）の評価結果を表１に示す。
　［比較例２］
　国際公開ＷＯ２０１１／９９４９３号パンフレット（特許文献２）の実施例１－８の操作を行い、チタン、鉄、炭素、窒素および酸素を含む触媒（ｃ２）（特許文献２の実施例１－８の「触媒（８）」に相当）を得た。
　触媒（ｃ２）の評価結果を表１に示す。
　また、触媒（ｃ２）を用いた単セル（ｃ２）の電流－電圧特性を図２に示す。セル電圧が０．５Ｖ付近から急激に低下していることから、この単セル（ｃ２）では、フラッディング現象が生じていると推定される。
　［実施例９］
　触媒（ｃ１）を２００ｍｇの触媒（ｃ２）に変更したこと以外は実施例６と同様の操作を行って、６１２ｍｇの粉末（以下「触媒（９）」という。）を得た。
　触媒（９）の評価結果を表１に示す。
　また、触媒（９）を用いた単セル（９）の電流－電圧特性を図２に示す。セル電圧の急激な低下がほとんど無いことから、この単セル（９）では、フラッディング現象は顕著に抑制されていると考えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001

Claims (15)

  1. 　亜鉛、チタン、ニオブ、ジルコニウム、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ストロンチウム、イットリウム、スズ、タングステン、セリウム、サマリウムおよびランタンからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素Ｍの原子、炭素原子、窒素原子および酸素原子を含む触媒本体にフッ素を接触させるフッ素化工程を含む燃料電池用電極触媒の製造方法。
  2. 　前記フッ素化工程において、前記触媒本体に、フッ素ガスと希釈ガスとの混合ガスを接触させる請求項１に記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。
  3. 　前記混合ガス中のフッ素ガス濃度が０．１～５０体積％である請求項２に記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。
  4. 　前記フッ素化工程を０～５００℃で行う請求項１～３のいずれかに記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。
  5. 　前記フッ素化工程を１～１２０分間行う請求項１～４のいずれかに記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。
  6. 　前記触媒本体の組成をＭＣxＮyＯz（ただし、Ｍは前記金属元素Ｍを表し、Ｍの総量を１とする。）と表すと、ｘ、ｙ、ｚの範囲が、０＜ｘ≦７、０＜ｙ≦２、０＜ｚ≦３である請求項１～５のいずれかに記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。
  7. 　亜鉛、チタン、ニオブ、ジルコニウム、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ストロンチウム、イットリウム、スズ、タングステン、セリウム、サマリウムおよびランタンからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素の原子、炭素原子、窒素原子および酸素原子を含み、表面がフッ素化されている燃料電池用電極触媒。
  8. 　請求項１～６のいずれかに記載の製造方法によって得られる燃料電池用電極触媒。
  9. 　フッ素原子を前記金属元素の原子１モルに対して０．００５～０．２モル含有する請求項７または８に記載の燃料電池用電極触媒。
  10. 　請求項７～９のいずれかに記載の燃料電池用電極触媒を含む燃料電池用電極触媒層。
  11. 　電子伝導性粒子をさらに含む請求項１０に記載の燃料電池用電極触媒層。
  12. 　燃料電池用電極触媒層と多孔質支持層とを有する電極であって、前記燃料電池用電極触媒層が請求項１０または１１に記載の燃料電池用電極触媒層である電極。
  13. 　カソードとアノードと前記カソードおよび前記アノードの間に配置された電解質膜とを有する膜電極接合体であって、前記カソードおよび／または前記アノードが請求項１２に記載の電極である膜電極接合体。
  14. 　請求項１３に記載の膜電極接合体を備える燃料電池。
  15. 　固体高分子型燃料電池である請求項１４に記載の燃料電池。
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