JP2001325964A - 固体高分子電解質型燃料電池用電極触媒 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池用電極触媒Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 白金の担持量が20質量％以上におい
て、白金の担持量が増加しても白金の結晶子径が小さく
抑制されていて、高い活性が得られる固体高分子電解質
型燃料電池用電極触媒を提供すること。 【解決手段】 導電性カーボンと、該カーボンに担持
され触媒質量に対して20〜70質量％の白金と、前記カー
ボンに化学的に結合し前記白金に対する原子比が0.7〜3
となる範囲で存在する酸素とからなる固体高分子電解質
型燃料電池用電極触媒。
て、白金の担持量が増加しても白金の結晶子径が小さく
抑制されていて、高い活性が得られる固体高分子電解質
型燃料電池用電極触媒を提供すること。 【解決手段】 導電性カーボンと、該カーボンに担持
され触媒質量に対して20〜70質量％の白金と、前記カー
ボンに化学的に結合し前記白金に対する原子比が0.7〜3
となる範囲で存在する酸素とからなる固体高分子電解質
型燃料電池用電極触媒。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
型燃料電池用電極触媒及びその利用に関する。
型燃料電池用電極触媒及びその利用に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は、低温で
高い電流密度を生じさせることができるため、自動車の
駆動源として、また、民生用コージェネレーションの電
源として開発が行われている。
高い電流密度を生じさせることができるため、自動車の
駆動源として、また、民生用コージェネレーションの電
源として開発が行われている。
【０００３】固体高分子電解質型燃料電池では、アノー
ド及びカソードの電極反応を促進させるために触媒が用
いられるが、電池の効率と出力を向上させ、かつ安価な
コストで電池を製造するために触媒金属単位質量当りの
活性を向上させることが重要である。
ド及びカソードの電極反応を促進させるために触媒が用
いられるが、電池の効率と出力を向上させ、かつ安価な
コストで電池を製造するために触媒金属単位質量当りの
活性を向上させることが重要である。
【０００４】当初、固体高分子電解質型燃料電池では、
電解質であるイオン交換膜との接合界面に存在する触媒
のみが電極反応に関与すると考えられていた。そこで、
接合界面単位面積当たりの活性点を増やすために触媒と
して白金ブラックが使用された。この白金ブラックをカ
ーボンペーパー等のガス拡散電極基質の一方の表面に被
覆してなるアノード及びカソードそれぞれの電極を、各
電極の触媒側をイオン交換膜と接するようにして接合さ
れたイオン交換膜−電極接合体が形成された。この接合
体の接合界面単位面積当たりの白金使用量は4〜10mg／c
m2であった。
電解質であるイオン交換膜との接合界面に存在する触媒
のみが電極反応に関与すると考えられていた。そこで、
接合界面単位面積当たりの活性点を増やすために触媒と
して白金ブラックが使用された。この白金ブラックをカ
ーボンペーパー等のガス拡散電極基質の一方の表面に被
覆してなるアノード及びカソードそれぞれの電極を、各
電極の触媒側をイオン交換膜と接するようにして接合さ
れたイオン交換膜−電極接合体が形成された。この接合
体の接合界面単位面積当たりの白金使用量は4〜10mg／c
m2であった。
【０００５】その後、白金又は白金合金を導電性力ーボ
ンに担持した触媒にイオン交換樹脂を含浸させたものを
電極に用い、これをイオン交換膜にホットプレスで接合
する方法が開発され、一定の厚さを有する触媒層全体を
電極反応に関与させることができるようになった。この
接合体の接合界面単位面積当たりの白金又は白金合金の
使用量は0.1〜1.0mg／cm2と低減し、白金の利用効率が
高められた。
ンに担持した触媒にイオン交換樹脂を含浸させたものを
電極に用い、これをイオン交換膜にホットプレスで接合
する方法が開発され、一定の厚さを有する触媒層全体を
電極反応に関与させることができるようになった。この
接合体の接合界面単位面積当たりの白金又は白金合金の
使用量は0.1〜1.0mg／cm2と低減し、白金の利用効率が
高められた。
【０００６】このような電極触媒においては必要な性能
を得るために、白金又は白金合金といった金属成分は、
触媒質量に対して20〜70質量％を担持することが必要で
あるが、従来の電極触媒の製法では、白金又は白金合金
の担持量が20質量％以上になると金属成分が凝集して金
属成分の結晶子径が成長するため担持量の増加の割には
性能は向上せず、満足な性能を得ることができなかっ
た。
を得るために、白金又は白金合金といった金属成分は、
触媒質量に対して20〜70質量％を担持することが必要で
あるが、従来の電極触媒の製法では、白金又は白金合金
の担持量が20質量％以上になると金属成分が凝集して金
属成分の結晶子径が成長するため担持量の増加の割には
性能は向上せず、満足な性能を得ることができなかっ
た。
【０００７】近年、固体高分子電解質型燃料電池用電極
触媒として、比表面積が240m2／gの導電性カーボンブラ
ックVulcanＸC-72R(Cabot社製)に白金をそれぞれ10、2
0、40、50、60質量％担持した触媒について、粉末法Ｘ
線回折法により測定した白金の結晶子径がそれぞれ19、
21、35、40、55Åであることが報告された(J.Electroch
em.Soc.,Vol.144,No.11,p.3845-3857,1997)。
触媒として、比表面積が240m2／gの導電性カーボンブラ
ックVulcanＸC-72R(Cabot社製)に白金をそれぞれ10、2
0、40、50、60質量％担持した触媒について、粉末法Ｘ
線回折法により測定した白金の結晶子径がそれぞれ19、
21、35、40、55Åであることが報告された(J.Electroch
em.Soc.,Vol.144,No.11,p.3845-3857,1997)。
【０００８】また、同じ用途の触媒の製造法として、導
電性カーボンを懸濁させた塩化白金酸水溶液にチオ硫酸
ナトリウムを用いて白金を還元した後、水素50容積％を
含む窒素雰囲気中、400℃で処理する方法により、比表
面積が300m2／gの導電性カーボンに白金を30質量％担持
した触媒の白金の結晶子径が35Åであることが開示され
た(特開平8-117598号公報)。
電性カーボンを懸濁させた塩化白金酸水溶液にチオ硫酸
ナトリウムを用いて白金を還元した後、水素50容積％を
含む窒素雰囲気中、400℃で処理する方法により、比表
面積が300m2／gの導電性カーボンに白金を30質量％担持
した触媒の白金の結晶子径が35Åであることが開示され
た(特開平8-117598号公報)。
【０００９】一般に、導電性カーボンの比表面積が高い
ほど同一担持率での白金の分散度は高くなる(白金の結
晶子径が小さい)が、比表面積が高くなるにつれて導電
性カーボンは電気化学的酸化腐食を起こし易い。このよ
うな酸化腐食を抑制するために導電性カーボンをグラフ
ァイト化することが知られている。しかし、グラファイ
ト化すると比表面積が低下し、白金の担持量が高くなる
ほど白金の結晶子径が成長するという欠点がある。
ほど同一担持率での白金の分散度は高くなる(白金の結
晶子径が小さい)が、比表面積が高くなるにつれて導電
性カーボンは電気化学的酸化腐食を起こし易い。このよ
うな酸化腐食を抑制するために導電性カーボンをグラフ
ァイト化することが知られている。しかし、グラファイ
ト化すると比表面積が低下し、白金の担持量が高くなる
ほど白金の結晶子径が成長するという欠点がある。
【００１０】電極触媒の活性金属成分として白金の他に
白金合金も用いられる。含酸素炭化水素や炭化水素を改
質して得られる改質ガスをアノードに供給して発電する
改質ガス型燃料電池の場合、改質ガス中に含まれる一酸
化炭素による白金の被毒を抑制するために金属成分とし
て白金合金が用いられる。メタノールと水との混合物を
アノードに供給して発電する直接メタノール型燃料電池
の場合、メタノールに対する電気化学的酸化活性を向上
させるために金属成分として白金合金が用いられる。ま
た、白金単独では、白金の結晶子径を可能な限り小さく
しても、カソードにおける酸素還元活性を向上させるに
は限界があるとして、カソードにも金属成分として白金
合金の使用が検討されている。
白金合金も用いられる。含酸素炭化水素や炭化水素を改
質して得られる改質ガスをアノードに供給して発電する
改質ガス型燃料電池の場合、改質ガス中に含まれる一酸
化炭素による白金の被毒を抑制するために金属成分とし
て白金合金が用いられる。メタノールと水との混合物を
アノードに供給して発電する直接メタノール型燃料電池
の場合、メタノールに対する電気化学的酸化活性を向上
させるために金属成分として白金合金が用いられる。ま
た、白金単独では、白金の結晶子径を可能な限り小さく
しても、カソードにおける酸素還元活性を向上させるに
は限界があるとして、カソードにも金属成分として白金
合金の使用が検討されている。
【００１１】白金合金を担体に担持する場合、白金と合
金を形成する相手方の金属成分を同時に担持する方法や
逐次担持する方法があるが、担持量を正確に制御するた
めには、先ず白金を担持し、次いで他方の金属成分を担
持してから合金化する方法が適用される。この方法でま
ず担持される白金の担持量が20質量％を超えると白金の
結晶子径が成長し易くなるため、その後の合金化で得ら
れる白金合金の結晶子径はさらに大きなものとならざる
を得ず、活性の向上は不十分であった。
金を形成する相手方の金属成分を同時に担持する方法や
逐次担持する方法があるが、担持量を正確に制御するた
めには、先ず白金を担持し、次いで他方の金属成分を担
持してから合金化する方法が適用される。この方法でま
ず担持される白金の担持量が20質量％を超えると白金の
結晶子径が成長し易くなるため、その後の合金化で得ら
れる白金合金の結晶子径はさらに大きなものとならざる
を得ず、活性の向上は不十分であった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来の固
体高分子電解質型燃料電池用白金担持電極触媒では、白
金の担持量が20質量％以上においては、白金の担持量が
増加するほど白金の結晶子径が大きく成長する結果、白
金担持量の増加の割りには活性が向上せず、特にカソー
ドにおける酸素還元活性は不満足なものであった。ま
た、白金合金を担持した従来の電極触媒においても、そ
の担持量を高めた場合、白金合金の結晶子径が大きく成
長するため十分な活性が得られないという問題があっ
た。
体高分子電解質型燃料電池用白金担持電極触媒では、白
金の担持量が20質量％以上においては、白金の担持量が
増加するほど白金の結晶子径が大きく成長する結果、白
金担持量の増加の割りには活性が向上せず、特にカソー
ドにおける酸素還元活性は不満足なものであった。ま
た、白金合金を担持した従来の電極触媒においても、そ
の担持量を高めた場合、白金合金の結晶子径が大きく成
長するため十分な活性が得られないという問題があっ
た。
【００１３】本発明は前記課題を解決するためになされ
たものであり、その目的は、白金の担持量が20質量％以
上において、白金の担持量が増加しても、白金の結晶子
径が小さく抑制されていて、高い活性が得られる固体高
分子電解質型燃料電池用電極触媒を提供することにあ
る。
たものであり、その目的は、白金の担持量が20質量％以
上において、白金の担持量が増加しても、白金の結晶子
径が小さく抑制されていて、高い活性が得られる固体高
分子電解質型燃料電池用電極触媒を提供することにあ
る。
【００１４】また、本発明の他の目的は、結晶子径が小
さく抑制された白金合金を金属成分とする固体高分子電
解質型燃料電池用電極触媒を得るための前駆体を提供す
ることにある。
さく抑制された白金合金を金属成分とする固体高分子電
解質型燃料電池用電極触媒を得るための前駆体を提供す
ることにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、導電性カーボンと、該カーボンに担持さ
れ触媒質量に対して20〜70質量％の白金と、前記カーボ
ンに化学的に結合し前記白金に対する原子比が0.7〜3と
なる範囲で存在する酸素とからなる固体高分子電解質型
燃料電池用電極触媒を提供する。
に、本発明は、導電性カーボンと、該カーボンに担持さ
れ触媒質量に対して20〜70質量％の白金と、前記カーボ
ンに化学的に結合し前記白金に対する原子比が0.7〜3と
なる範囲で存在する酸素とからなる固体高分子電解質型
燃料電池用電極触媒を提供する。
【００１６】また、本発明は、導電性カーボンと、該カ
ーボンに担持され前駆体質量に対して20〜70質量％の白
金と、前記カーボンに化学的に結合し前記白金に対する
原子比が0.7〜3となる範囲で存在する酸素とからなる、
固体高分子電解質型燃料電池用白金合金電極触媒前駆体
を提供する。
ーボンに担持され前駆体質量に対して20〜70質量％の白
金と、前記カーボンに化学的に結合し前記白金に対する
原子比が0.7〜3となる範囲で存在する酸素とからなる、
固体高分子電解質型燃料電池用白金合金電極触媒前駆体
を提供する。
【００１７】
【発明の実施の形態】［白金担持電極触媒］ ・導電性カーボン：本発明の触媒の担体である導電性カ
ーボン粉末としては、例えば導電性ファーネスブラッ
ク、アセチレンブラック、グラファイト等が挙げられ
る。これら導電性カーボンのBET比表面積は、通常、60
〜1500m2／gであり、好ましくは80〜1300m2／gである。
これら導電性カーボン中のグラファイトの結晶子径は、
通常、8〜100Åであり、好ましくは10〜50Åである。本
発明でいう結晶子径はSchrrerの式により測定されるも
のをいう。また、これら導電性カーボンの酸素含有量
は、通常、１質量％未満である。この値には導電性カー
ボンに吸着した水分に由来する酸素は含まれない。
ーボン粉末としては、例えば導電性ファーネスブラッ
ク、アセチレンブラック、グラファイト等が挙げられ
る。これら導電性カーボンのBET比表面積は、通常、60
〜1500m2／gであり、好ましくは80〜1300m2／gである。
これら導電性カーボン中のグラファイトの結晶子径は、
通常、8〜100Åであり、好ましくは10〜50Åである。本
発明でいう結晶子径はSchrrerの式により測定されるも
のをいう。また、これら導電性カーボンの酸素含有量
は、通常、１質量％未満である。この値には導電性カー
ボンに吸着した水分に由来する酸素は含まれない。
【００１８】市販の導電性ファーネスブラックとして
は、ＸC-72R、Black Pearl2000(以上、キャボット社)、
Conductex(コロンビアカーボン社)等がある。市販のア
セチレンブラックとしては、デンカアセチレンブラッ
ク、デンカアセチレンブラックAB-12、デンカアセチレ
ンブラックAB-7(以上、電気化学)、ケッチェンブラック
EC、ケッチェンブラックECDJ600(以上、三菱化学)等が
ある。市販のグラファイトとしては、グラファイトHS30
0-M6(ロンザ社)等がある。これら市販のカーボンに適当
な処理をしてグラファイト化を高めたものを用いること
もできる。
は、ＸC-72R、Black Pearl2000(以上、キャボット社)、
Conductex(コロンビアカーボン社)等がある。市販のア
セチレンブラックとしては、デンカアセチレンブラッ
ク、デンカアセチレンブラックAB-12、デンカアセチレ
ンブラックAB-7(以上、電気化学)、ケッチェンブラック
EC、ケッチェンブラックECDJ600(以上、三菱化学)等が
ある。市販のグラファイトとしては、グラファイトHS30
0-M6(ロンザ社)等がある。これら市販のカーボンに適当
な処理をしてグラファイト化を高めたものを用いること
もできる。
【００１９】本発明の触媒は、導電性カーボンに白金(P
t)を触媒質量に対して20〜70質量％担持させる。好まし
い担持量は30〜60質量％である。担持量が20質量％より
少ないと触媒単位質量当たり十分な活性が得られず、担
持量が70質量％より多いと白金の結晶子径が成長し、白
金単位質量当りの活性が低下する。
t)を触媒質量に対して20〜70質量％担持させる。好まし
い担持量は30〜60質量％である。担持量が20質量％より
少ないと触媒単位質量当たり十分な活性が得られず、担
持量が70質量％より多いと白金の結晶子径が成長し、白
金単位質量当りの活性が低下する。
【００２０】・白金：本発明の触媒においては、白金は
金属状態で導電性カーボンに担持されている。金属状態
で存在することは本発明の触媒を粉末法Ｘ線回折及び光
電子分光スペクトルの測定に供することにより確認され
る。粉末法Ｘ線回折では、白金は金属状態のもののみ検
知され、水酸化白金や酸化白金などの化合物状態に由来
する回折ピークは検知されない。また、光電子分光スペ
クトルでは、白金に関しては0価の白金に由来するピー
クのみが検知される一方、酸素については、白金と結合
した酸素は検知されず、導電性カーボンと結合して存在
することが確認される。
金属状態で導電性カーボンに担持されている。金属状態
で存在することは本発明の触媒を粉末法Ｘ線回折及び光
電子分光スペクトルの測定に供することにより確認され
る。粉末法Ｘ線回折では、白金は金属状態のもののみ検
知され、水酸化白金や酸化白金などの化合物状態に由来
する回折ピークは検知されない。また、光電子分光スペ
クトルでは、白金に関しては0価の白金に由来するピー
クのみが検知される一方、酸素については、白金と結合
した酸素は検知されず、導電性カーボンと結合して存在
することが確認される。
【００２１】白金の結晶子径は次式(1)を満たすことが
好ましい。 Ｄ ≦ ［（Ｗ−20）／２］＋20 (1) さらに具体的には、例えば結晶子径を35Å以下、場合に
よっては30Å以下、さらには25Å以下に抑制することも
可能である。(式中、Ｄは結晶子径(Å)を、Ｗは白金の
担持量(質量％)を表す。) 白金の結晶子径が式（１）を満たさないと触媒単位質量
当たり十分な活性が得られ難くなる。
好ましい。 Ｄ ≦ ［（Ｗ−20）／２］＋20 (1) さらに具体的には、例えば結晶子径を35Å以下、場合に
よっては30Å以下、さらには25Å以下に抑制することも
可能である。(式中、Ｄは結晶子径(Å)を、Ｗは白金の
担持量(質量％)を表す。) 白金の結晶子径が式（１）を満たさないと触媒単位質量
当たり十分な活性が得られ難くなる。
【００２２】・酸素：本発明の触媒は、白金に対する原
子比で0.7〜3の酸素を含有することが好ましく、好まし
くは1.0〜2.5の酸素を含有することがより好ましい。酸
素は担体の導電性カーボンと化学結合した状態で存在す
る。
子比で0.7〜3の酸素を含有することが好ましく、好まし
くは1.0〜2.5の酸素を含有することがより好ましい。酸
素は担体の導電性カーボンと化学結合した状態で存在す
る。
【００２３】本発明による電極触媒が白金の担持量が20
〜70質量％と高いにもかかわらず白金の結晶子径が小さ
く抑制される理由は不明であるが、導電性カーボンと化
学結合した酸素が結晶子の成長を抑制しているためと推
察される。酸素の担持量が少なすぎると白金の結晶子径
の成長を抑制する効果が少なく、多すぎると導電性カー
ボンが酸化されすぎるので好ましくない。このように、
本発明の触媒は、白金の担持量が20〜70質量％と高いに
もかかわらず、結晶子径が小さく抑制された状態で白金
の結晶子が導電性カーボンに担持されている。このた
め、電気化学的金属表面積の高い電極が得られ、従っ
て、少量の白金で高い活性を有する電極を得ることがで
きる。
〜70質量％と高いにもかかわらず白金の結晶子径が小さ
く抑制される理由は不明であるが、導電性カーボンと化
学結合した酸素が結晶子の成長を抑制しているためと推
察される。酸素の担持量が少なすぎると白金の結晶子径
の成長を抑制する効果が少なく、多すぎると導電性カー
ボンが酸化されすぎるので好ましくない。このように、
本発明の触媒は、白金の担持量が20〜70質量％と高いに
もかかわらず、結晶子径が小さく抑制された状態で白金
の結晶子が導電性カーボンに担持されている。このた
め、電気化学的金属表面積の高い電極が得られ、従っ
て、少量の白金で高い活性を有する電極を得ることがで
きる。
【００２４】・電極触媒の製造 本発明の触媒は、導電性カーボンを含むスラリーに白金
化合物の溶液を添加し、次に、該白金化合物をアルカ
リ、酸又は他の試薬と反応させてテトラヒドロキソ白金
酸(II)、ヘキサヒドロキソ白金酸(IV)又はこれらの混合
物(以下、これらの単独の白金酸又はこれらの混合物を
「ヒドロキソ白金酸」という。)の微細なコロイドを生
成させ、これを導電性カーボン表面に吸着させ、次い
で、このスラリーを還元剤を用いて湿式還元することに
より得られる。
化合物の溶液を添加し、次に、該白金化合物をアルカ
リ、酸又は他の試薬と反応させてテトラヒドロキソ白金
酸(II)、ヘキサヒドロキソ白金酸(IV)又はこれらの混合
物(以下、これらの単独の白金酸又はこれらの混合物を
「ヒドロキソ白金酸」という。)の微細なコロイドを生
成させ、これを導電性カーボン表面に吸着させ、次い
で、このスラリーを還元剤を用いて湿式還元することに
より得られる。
【００２５】導電性カーボンスラリー中のカーボン濃度
は15g／L以下が好ましく、4〜10g／Lがより好ましい。
用いられる白金化合物は、導電性カーボンスラリー中で
アルカリ、酸又は他の試薬との反応によりヒドロキソ白
金酸の微細なコロイドを生成する化合物であれば制限は
ない。白金化合物としては、例えば塩化白金(II)、塩化
白金(IV)、ヘキサフルオロ白金酸(IV)、テトラクロロ白
金酸(II)、ヘキサクロロ白金酸(IV)、ヘキサブロモ白金
酸(IV)、ヘキサヨード白金酸(IV)、ヘキサクロロ白金酸
アンモニウム(IV)、テトラクロロ白金酸ナトリウム(I
I)、ヘキサクロロ白金酸ナトリウム(IV)、テトラクロロ
白金酸カリウム(II)、ヘキサクロロ白金酸カリウム(I
V)、水酸化白金(II)、水酸化白金(IV)、ヘキサヒドロキ
ソ白金酸(IV)、ヘキサヒドロキソ白金酸ナトリウム(IV)
等が挙げられる。
は15g／L以下が好ましく、4〜10g／Lがより好ましい。
用いられる白金化合物は、導電性カーボンスラリー中で
アルカリ、酸又は他の試薬との反応によりヒドロキソ白
金酸の微細なコロイドを生成する化合物であれば制限は
ない。白金化合物としては、例えば塩化白金(II)、塩化
白金(IV)、ヘキサフルオロ白金酸(IV)、テトラクロロ白
金酸(II)、ヘキサクロロ白金酸(IV)、ヘキサブロモ白金
酸(IV)、ヘキサヨード白金酸(IV)、ヘキサクロロ白金酸
アンモニウム(IV)、テトラクロロ白金酸ナトリウム(I
I)、ヘキサクロロ白金酸ナトリウム(IV)、テトラクロロ
白金酸カリウム(II)、ヘキサクロロ白金酸カリウム(I
V)、水酸化白金(II)、水酸化白金(IV)、ヘキサヒドロキ
ソ白金酸(IV)、ヘキサヒドロキソ白金酸ナトリウム(IV)
等が挙げられる。
【００２６】これら白金化合物の一種又は二種以上を適
当な溶媒に溶解して用いることができる。溶媒として
は、通常は水を用いるが、白金化合物によってはアルコ
ール、アミン、エーテル、ケトン、カルボン酸等を一種
単独で又は水若しくは他の溶媒との混合溶媒を用いるこ
ともできる。導電性カーボンスラリー中の白金化合物濃
度は、Ptとして15g／L以下が好ましく、4〜10g／Lがよ
り好ましい。
当な溶媒に溶解して用いることができる。溶媒として
は、通常は水を用いるが、白金化合物によってはアルコ
ール、アミン、エーテル、ケトン、カルボン酸等を一種
単独で又は水若しくは他の溶媒との混合溶媒を用いるこ
ともできる。導電性カーボンスラリー中の白金化合物濃
度は、Ptとして15g／L以下が好ましく、4〜10g／Lがよ
り好ましい。
【００２７】ヒドロキソ白金酸の微細なコロイドは、白
金化合物として例えばヘキサクロロ白金酸(IV)を用いた
場合には、これを導電性カーボンスラリーに添加後、得
られたスラリーに過剰の水酸化ナトリウム溶液を添加
し、90〜100℃で30分〜3時間加熱後、カルボン酸のよう
な弱酸を添加し、pHを中性〜弱酸性に調整することによ
り生成し、導電性カーボン表面に吸着する。
金化合物として例えばヘキサクロロ白金酸(IV)を用いた
場合には、これを導電性カーボンスラリーに添加後、得
られたスラリーに過剰の水酸化ナトリウム溶液を添加
し、90〜100℃で30分〜3時間加熱後、カルボン酸のよう
な弱酸を添加し、pHを中性〜弱酸性に調整することによ
り生成し、導電性カーボン表面に吸着する。
【００２８】湿式還元する際の還元剤としては、分子内
に還元性の水素を有する可溶性のものであれば特に制約
なく用いることができる。例示すれば、抱水ヒドラジ
ン、塩酸ヒドラジン、ホルマリン、蟻酸、ヒドロキノン
等が挙げられる。ヒドロキソ白金酸を金属白金に還元す
るに際し、還元剤の量は、ヒドロキソ白金酸１当量当り
0.2〜1.0当量が好ましく、0.3〜0.9当量がさらに好まし
い。還元剤の量が還元当量より少量でも白金の還元が起
こる理由は明らかでないが、白金に結合していた酸素が
導電性カーボンに転移することによるものと推測され
る。還元時、導電性カーボンスラリーの温度は、用いる
還元剤により適宜選定すればよい。還元時間は、添加し
た還元剤の全てが消費されるまでの時間である。還元
後、常法によりスラリーを濾過、洗浄、乾燥し、本発明
の触媒が得られる。
に還元性の水素を有する可溶性のものであれば特に制約
なく用いることができる。例示すれば、抱水ヒドラジ
ン、塩酸ヒドラジン、ホルマリン、蟻酸、ヒドロキノン
等が挙げられる。ヒドロキソ白金酸を金属白金に還元す
るに際し、還元剤の量は、ヒドロキソ白金酸１当量当り
0.2〜1.0当量が好ましく、0.3〜0.9当量がさらに好まし
い。還元剤の量が還元当量より少量でも白金の還元が起
こる理由は明らかでないが、白金に結合していた酸素が
導電性カーボンに転移することによるものと推測され
る。還元時、導電性カーボンスラリーの温度は、用いる
還元剤により適宜選定すればよい。還元時間は、添加し
た還元剤の全てが消費されるまでの時間である。還元
後、常法によりスラリーを濾過、洗浄、乾燥し、本発明
の触媒が得られる。
【００２９】・白金担持電極触媒の利用：本発明の触媒
は、固体高分子電解質型燃料電池のアノード触媒及びカ
ソード触媒の両方に用いることができるし、いずれか一
方に用いることもできる。カソードに空気を供給し、ア
ノードに水素を供給する空気／水素型燃料電池の場合、
本発明の触媒をカソード及びアノードの両方に用い、カ
ソードにおける高い酸素還元活性とアノードにおける高
い水素酸化活性を得ることができる。改質ガス型燃料電
池や直接メタノール型燃料電池の場合、本発明の触媒を
カソード用として好適に用いることができる。
は、固体高分子電解質型燃料電池のアノード触媒及びカ
ソード触媒の両方に用いることができるし、いずれか一
方に用いることもできる。カソードに空気を供給し、ア
ノードに水素を供給する空気／水素型燃料電池の場合、
本発明の触媒をカソード及びアノードの両方に用い、カ
ソードにおける高い酸素還元活性とアノードにおける高
い水素酸化活性を得ることができる。改質ガス型燃料電
池や直接メタノール型燃料電池の場合、本発明の触媒を
カソード用として好適に用いることができる。
【００３０】［白金合金担持触媒前駆体］また、本発明
の電極触媒は活性金属として白金を担持してなるもので
あるが、該白金を他の金属成分と合金化することによ
り、白金合金担持電極触媒を製造するのに利用すること
もできる。即ち、この白金担持電極触媒は、固体高分子
電解質型燃料電池用白金合金担持電極触媒前駆体として
利用することができる。
の電極触媒は活性金属として白金を担持してなるもので
あるが、該白金を他の金属成分と合金化することによ
り、白金合金担持電極触媒を製造するのに利用すること
もできる。即ち、この白金担持電極触媒は、固体高分子
電解質型燃料電池用白金合金担持電極触媒前駆体として
利用することができる。
【００３１】そこで、本発明は、導電性カーボンと、該
カーボンに担持され前駆体質量に対して20〜70質量％の
白金と、前記カーボンに化学的に結合し、前記白金に対
する原子比が0.5〜3となる範囲で存在する酸素とからな
る、固体高分子電解質型燃料電池用白金合金電極触媒前
駆体をも提供する。
カーボンに担持され前駆体質量に対して20〜70質量％の
白金と、前記カーボンに化学的に結合し、前記白金に対
する原子比が0.5〜3となる範囲で存在する酸素とからな
る、固体高分子電解質型燃料電池用白金合金電極触媒前
駆体をも提供する。
【００３２】導電性カーボンにまず白金を担持しておい
て次に別の金属成分を該白金と合金化させる方法におい
て得られる白金合金の結晶子径をできるだけ小さく抑制
するためには、先に担持させた合金化前の白金の結晶子
径が出来るだけ小さいことが重要である。本発明の前駆
体は、白金の結晶子径が前記式（１）を満たしているた
め、合金化後の白金合金の結晶子径を小さく、例えば60
Å以下に抑えることができ、高い活性を有する白金合金
電極触媒を得ることができる。
て次に別の金属成分を該白金と合金化させる方法におい
て得られる白金合金の結晶子径をできるだけ小さく抑制
するためには、先に担持させた合金化前の白金の結晶子
径が出来るだけ小さいことが重要である。本発明の前駆
体は、白金の結晶子径が前記式（１）を満たしているた
め、合金化後の白金合金の結晶子径を小さく、例えば60
Å以下に抑えることができ、高い活性を有する白金合金
電極触媒を得ることができる。
【００３３】白金合金を得るための相手の金属成分とし
ては、例えば、ルテニウム、オスミウム、ロジウム、イ
リジウム、パラジウム、金、銀等の貴金属及びモリブデ
ン、錫、タングステン、クロム、マンガン、鉄、コバル
ト、ニッケル、銅、イットリウム、ランタン、セリウ
ム、アルミニウム、ガリウム等の卑金属から選ばれる少
なくとも一種の金属が挙げられる。
ては、例えば、ルテニウム、オスミウム、ロジウム、イ
リジウム、パラジウム、金、銀等の貴金属及びモリブデ
ン、錫、タングステン、クロム、マンガン、鉄、コバル
ト、ニッケル、銅、イットリウム、ランタン、セリウ
ム、アルミニウム、ガリウム等の卑金属から選ばれる少
なくとも一種の金属が挙げられる。
【００３４】導電性カーボンに担持される白金合金の担
持量は、得られる白金合金担持触媒の質量に対して、通
常、20〜80質量％である。
持量は、得られる白金合金担持触媒の質量に対して、通
常、20〜80質量％である。
【００３５】白金合金担持電極触媒の製造は、例えば、
次のように行われる。導電性カーボンに例えば20〜70質
量％、好ましくは20〜60質量％の白金を担持させた前駆
体をまず調製する。この調製法は当然ながら前述した白
金担持電極触媒の製造方法と同じである。次に担持され
ている白金と合金を形成する相手方金属成分を、得られ
る白金合金担持触媒の質量に対して例えば0.5〜60質量
％、好ましくは5〜40質量％になるように担持した後、
還元処理することにより合金化する。還元処理は通常、
還元雰囲気中又は不活性ガス中で熱処理することにより
行う。こうして、白金合金担持電極触媒が得られる。
次のように行われる。導電性カーボンに例えば20〜70質
量％、好ましくは20〜60質量％の白金を担持させた前駆
体をまず調製する。この調製法は当然ながら前述した白
金担持電極触媒の製造方法と同じである。次に担持され
ている白金と合金を形成する相手方金属成分を、得られ
る白金合金担持触媒の質量に対して例えば0.5〜60質量
％、好ましくは5〜40質量％になるように担持した後、
還元処理することにより合金化する。還元処理は通常、
還元雰囲気中又は不活性ガス中で熱処理することにより
行う。こうして、白金合金担持電極触媒が得られる。
【００３６】白金と合金を形成する相手の金属成分の種
類や合金比率は、要求される電極触媒の特性に応じて適
宜選定すればよい。合金化は、還元性雰囲気中又は不活
性ガス中、例えば水素、窒素、アルゴン、ヘリウムの一
種又は二種以上の混合ガス気流中で、通常200〜1000
℃、好ましくは300〜900℃で熱処理を行えばよい。
類や合金比率は、要求される電極触媒の特性に応じて適
宜選定すればよい。合金化は、還元性雰囲気中又は不活
性ガス中、例えば水素、窒素、アルゴン、ヘリウムの一
種又は二種以上の混合ガス気流中で、通常200〜1000
℃、好ましくは300〜900℃で熱処理を行えばよい。
【００３７】本発明の前駆体を用いて得られた白金合金
担持電極触媒は、改質ガス型燃料電池や直接メタノール
型燃料電池のアノード触媒として、空気／水素型燃料電
池、改質ガス型燃料電池及び直接メタノール型燃料電池
のカソード触媒として用いることができる。
担持電極触媒は、改質ガス型燃料電池や直接メタノール
型燃料電池のアノード触媒として、空気／水素型燃料電
池、改質ガス型燃料電池及び直接メタノール型燃料電池
のカソード触媒として用いることができる。
【００３８】
【実施例】以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明
するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでは
ない。なお、実施例、比較例において、「％」は特に断
りのない限り「質量％」を示す。
するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでは
ない。なお、実施例、比較例において、「％」は特に断
りのない限り「質量％」を示す。
【００３９】実施例１ BET比表面積240m2／gのファーネスブラック(キャボット
社製VulcanXC-72R、酸素含有量0.92％)の乾燥質量換算2
0gを脱イオン水2.8L(リットル)に投入しスラリーとし
た。このスラリーにPt23.6gを含むヘキサクロロ白金酸
(IV)水溶液360mLを加え、攪拌しながら加熱し、90℃で2
0分間攪拌した。室温まで冷却後、水酸化ナトリウム32.
0gの水溶液400mLを30分かけて滴下した。滴下終了後、
スラリーを攪拌しながら40分かけて98℃に加熱し、98℃
で1時間攪拌した。スラリーを室温まで冷却後、5％酢酸
水溶液を滴下しながらスラリーのpHを6.5〜7.0に調整し
た。次に、ホルムアルデヒド6.5gを含むホルマリン水溶
液400mLを1時間かけて滴下した。次いでスラリーを攪拌
しながら1時間かけて95℃に加熱し、95℃で30分間攪拌
した。その後、スラリーを室温まで冷却した後濾過し、
固形分を濾液の電導度が10μs／cm以下になるまで脱イ
オン水で洗浄した。得られたケークを真空乾燥機で95℃
で16時間乾燥した後粉砕し、白金担持カーボン粉末(A-
1)44.8gを得た。
社製VulcanXC-72R、酸素含有量0.92％)の乾燥質量換算2
0gを脱イオン水2.8L(リットル)に投入しスラリーとし
た。このスラリーにPt23.6gを含むヘキサクロロ白金酸
(IV)水溶液360mLを加え、攪拌しながら加熱し、90℃で2
0分間攪拌した。室温まで冷却後、水酸化ナトリウム32.
0gの水溶液400mLを30分かけて滴下した。滴下終了後、
スラリーを攪拌しながら40分かけて98℃に加熱し、98℃
で1時間攪拌した。スラリーを室温まで冷却後、5％酢酸
水溶液を滴下しながらスラリーのpHを6.5〜7.0に調整し
た。次に、ホルムアルデヒド6.5gを含むホルマリン水溶
液400mLを1時間かけて滴下した。次いでスラリーを攪拌
しながら1時間かけて95℃に加熱し、95℃で30分間攪拌
した。その後、スラリーを室温まで冷却した後濾過し、
固形分を濾液の電導度が10μs／cm以下になるまで脱イ
オン水で洗浄した。得られたケークを真空乾燥機で95℃
で16時間乾燥した後粉砕し、白金担持カーボン粉末(A-
1)44.8gを得た。
【００４０】該粉末を分析したところ、白金が50.1％、
酸素が8.8％であった。また、粉末法Ｘ線回折測定によ
り、白金は金属の白金に由来するピークのみを示し、酸
化白金及び水酸化白金に由来するピークは検知されなか
った。また、2θ=39.6°付近に中心をもつPt(111)ピー
クから白金の結晶子径は18Åと測定された。光電子分光
スペクトルによる定性分析で検知された元素は、白金、
酸素及びカーボンの3元素のみであり、白金の4f7／2と4
f5／2の化学シフトは白金が0価のみの存在を示し、酸素
の1sスペクトルは、O−H、O−C、O＝C結合の存在のみを
示し、Pt−Oの存在は検知されなかった。
酸素が8.8％であった。また、粉末法Ｘ線回折測定によ
り、白金は金属の白金に由来するピークのみを示し、酸
化白金及び水酸化白金に由来するピークは検知されなか
った。また、2θ=39.6°付近に中心をもつPt(111)ピー
クから白金の結晶子径は18Åと測定された。光電子分光
スペクトルによる定性分析で検知された元素は、白金、
酸素及びカーボンの3元素のみであり、白金の4f7／2と4
f5／2の化学シフトは白金が0価のみの存在を示し、酸素
の1sスペクトルは、O−H、O−C、O＝C結合の存在のみを
示し、Pt−Oの存在は検知されなかった。
【００４１】実施例２ 実施例１において、ファーネスブラックをBET比表面積7
0m2／gのデンカアセチレンブラック(電気化学工業製、
酸素含有量0.52％)に代えた以外は実施例１と同様にし
て白金担持カーボン粉末(A-2)44.2gを得た。該粉末の白
金は49.6％、酸素は7.3％であった。白金は金属状態で
存在し、その結晶子径は20Åであった。
0m2／gのデンカアセチレンブラック(電気化学工業製、
酸素含有量0.52％)に代えた以外は実施例１と同様にし
て白金担持カーボン粉末(A-2)44.2gを得た。該粉末の白
金は49.6％、酸素は7.3％であった。白金は金属状態で
存在し、その結晶子径は20Åであった。
【００４２】実施例３ 実施例１において、ファーネスブラックをBET比表面積1
300m2／gのケッチェンブラックEC-DJ600(三菱化学製、
酸素含有量0.59％)に代えた以外は実施例１と同様にし
て白金担持カーボン粉末(A-3)45.0gを得た。該粉末の白
金は50.3％、酸素は6.5％であった。白金は金属状態で
存在し、その結晶子径は18Åであった。
300m2／gのケッチェンブラックEC-DJ600(三菱化学製、
酸素含有量0.59％)に代えた以外は実施例１と同様にし
て白金担持カーボン粉末(A-3)45.0gを得た。該粉末の白
金は50.3％、酸素は6.5％であった。白金は金属状態で
存在し、その結晶子径は18Åであった。
【００４３】実施例４ 実施例１において、ファーネスブラックの量を28gに、
ヘキサクロロ白金酸(IV)水溶液の量をPt12.8gを含む195
mLに、ホルマリン水溶液の量をホルムアルデヒド3.5gを
含む215mLに代えた以外は実施例１と同様にして白金担
持カーボン粉末(A-4)44.7gを得た。該粉末の白金は30.1
％、酸素は5.7％であった。白金は金属状態で存在し、
その結晶子径は16Åであった。
ヘキサクロロ白金酸(IV)水溶液の量をPt12.8gを含む195
mLに、ホルマリン水溶液の量をホルムアルデヒド3.5gを
含む215mLに代えた以外は実施例１と同様にして白金担
持カーボン粉末(A-4)44.7gを得た。該粉末の白金は30.1
％、酸素は5.7％であった。白金は金属状態で存在し、
その結晶子径は16Åであった。
【００４４】実施例５ 実施例１において、ファーネスブラックの量を24gに、
ヘキサクロロ白金酸(IV)水溶液の量をPt17.6gを含む268
mLに、ホルマリン水溶液の量をホルムアルデヒド4.8gを
含む295mLに代えた以外は実施例１と同様にして白金担
持カーボン粉末(A-5)44.9gを得た。該粉末の白金は39.8
％、酸素は7.1％であった。白金は金属状態で存在し、
その結晶子径は16Åであった。
ヘキサクロロ白金酸(IV)水溶液の量をPt17.6gを含む268
mLに、ホルマリン水溶液の量をホルムアルデヒド4.8gを
含む295mLに代えた以外は実施例１と同様にして白金担
持カーボン粉末(A-5)44.9gを得た。該粉末の白金は39.8
％、酸素は7.1％であった。白金は金属状態で存在し、
その結晶子径は16Åであった。
【００４５】実施例６ 実施例１において、ファーネスブラックの量を16gに、
ヘキサクロロ白金酸(IV)水溶液の量をPt28.8gを含む439
mLに、ホルマリン水溶液の量をホルムアルデヒド7.9gを
含む486mLに代えた以外は実施例１と同様にして白金担
持カーボン粉末(A-6)45.2gを得た。該粉末の白金は60.4
％、酸素は8.9％であった。白金は金属状態で存在し、
その結晶子径は20Åであった。
ヘキサクロロ白金酸(IV)水溶液の量をPt28.8gを含む439
mLに、ホルマリン水溶液の量をホルムアルデヒド7.9gを
含む486mLに代えた以外は実施例１と同様にして白金担
持カーボン粉末(A-6)45.2gを得た。該粉末の白金は60.4
％、酸素は8.9％であった。白金は金属状態で存在し、
その結晶子径は20Åであった。
【００４６】比較例１ 特開平8-117598号公報に記載の実施例２に準じて白金担
持カーボン粉末を製造した。BET比表面積1300m2／gのケ
ッチェンブラックEC-DJ600(三菱化学製、酸素含有量0.5
9％)20g及び白金20gを含む塩化白金酸水溶液2860mL(Pt
濃度7g／L)を混合しスラリーとした。このスラリーを85
〜90℃に加熱して30分間攪拌した後室温まで冷却した。
チオ硫酸ナトリウム32.4gを含む水溶液205mLの内、先ず
27mLを一度にスラリーに添加し、10分後、残りの178mL
を20分かけて添加した。次に、超音波ホモジナイザーで
スラリーを激しく攪拌した後濾過し、固形分を濾液の伝
導度が10μs／ｃｍ以下になるまで脱イオン水で洗浄し
た。得られたケークを真空乾燥機で95℃で16時間乾燥し
た後、水素10容量％含む窒素気流中で400℃で1時間熱処
理し、白金担持カーボン粉末(B-1)39.6gを得た。該粉末
の白金は51.2％、酸素は0.97％であった。白金は金属状
態で存在し、その結晶子径は46Åであった。
持カーボン粉末を製造した。BET比表面積1300m2／gのケ
ッチェンブラックEC-DJ600(三菱化学製、酸素含有量0.5
9％)20g及び白金20gを含む塩化白金酸水溶液2860mL(Pt
濃度7g／L)を混合しスラリーとした。このスラリーを85
〜90℃に加熱して30分間攪拌した後室温まで冷却した。
チオ硫酸ナトリウム32.4gを含む水溶液205mLの内、先ず
27mLを一度にスラリーに添加し、10分後、残りの178mL
を20分かけて添加した。次に、超音波ホモジナイザーで
スラリーを激しく攪拌した後濾過し、固形分を濾液の伝
導度が10μs／ｃｍ以下になるまで脱イオン水で洗浄し
た。得られたケークを真空乾燥機で95℃で16時間乾燥し
た後、水素10容量％含む窒素気流中で400℃で1時間熱処
理し、白金担持カーボン粉末(B-1)39.6gを得た。該粉末
の白金は51.2％、酸素は0.97％であった。白金は金属状
態で存在し、その結晶子径は46Åであった。
【００４７】比較例２〜５ 比較例１において、ケッチェンブラックの代わりに実施
例１で用いたと同様のファーネスブラックを用い、スラ
リー中のファーネスブラック及びPtをそれぞれ28g及び1
2g（比較例２）、24g及び16g（比較例３）、20g及び20g
（比較例４）、16g及び24g（比較例５）に代えた以外は
比較例１と同様にして下記の特性を有する白金担持カー
ボン粉末を得た。
例１で用いたと同様のファーネスブラックを用い、スラ
リー中のファーネスブラック及びPtをそれぞれ28g及び1
2g（比較例２）、24g及び16g（比較例３）、20g及び20g
（比較例４）、16g及び24g（比較例５）に代えた以外は
比較例１と同様にして下記の特性を有する白金担持カー
ボン粉末を得た。
【００４８】実施例７ 実施例１で得られた白金担持カーボン粉末(A-1)40gを脱
イオン水2.0Lに投入してスラリーとした。スラリーを攪
拌しながら、Ir5.0gを含む塩化イリジウム水溶液200mL
を15分かけて滴下した。次に、このスラリーに2％水酸
化ナトリウム水溶液を1時間かけて滴下しスラリーのpH
を7に調整した後、50℃に加熱し、50℃で30分間保持し
た。その後、スラリーを室温まで冷却し、濾過、洗浄し
た。得られたケークを95℃で16時間乾燥後、5容量％水
素(残部窒素)気流中、400℃で1時間熱処理し、白金−イ
リジウム合金担持カーボン粉末(A-7)42.3gを得た。該粉
末中の白金は48.0％、イリジウムは12.O％、白金−イリ
ジウム合金の結晶子径は57Åであった。
イオン水2.0Lに投入してスラリーとした。スラリーを攪
拌しながら、Ir5.0gを含む塩化イリジウム水溶液200mL
を15分かけて滴下した。次に、このスラリーに2％水酸
化ナトリウム水溶液を1時間かけて滴下しスラリーのpH
を7に調整した後、50℃に加熱し、50℃で30分間保持し
た。その後、スラリーを室温まで冷却し、濾過、洗浄し
た。得られたケークを95℃で16時間乾燥後、5容量％水
素(残部窒素)気流中、400℃で1時間熱処理し、白金−イ
リジウム合金担持カーボン粉末(A-7)42.3gを得た。該粉
末中の白金は48.0％、イリジウムは12.O％、白金−イリ
ジウム合金の結晶子径は57Åであった。
【００４９】比較例６ 比較例４で得られた白金担持カーボン粉末(B-4)を用い
た以外は実施例７と同様にして白金−イリジウム合金担
持カーボン粉末(B-6)44.3gを得た。該粉末中の白金は4
5.7％、イリジウムは11.3％、白金−イリジウム合金の
結晶子径は89Åであった。表１に、実施例１〜６及び比
較例１〜５の白金担持カーボン粉末の特性値を、表２に
実施例７及び比較例６の白金−イリジウム合金担持カー
ボン粉末の特性値を示す。
た以外は実施例７と同様にして白金−イリジウム合金担
持カーボン粉末(B-6)44.3gを得た。該粉末中の白金は4
5.7％、イリジウムは11.3％、白金−イリジウム合金の
結晶子径は89Åであった。表１に、実施例１〜６及び比
較例１〜５の白金担持カーボン粉末の特性値を、表２に
実施例７及び比較例６の白金−イリジウム合金担持カー
ボン粉末の特性値を示す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
【表２】
【００５２】性能評価試験 PTFE(ポリテトラフルオロエチレン、三井フルオロケミ
カル製テフロン30J)で撥水処理した60×60mm、厚さ60μ
ｍの多孔質カーボンペーパー(東レ製TGP-H-060)を電極
基質として準備した。実施例１〜６及び比較例１〜５で
得られた白金担持カーボン粉末並びに実施例７及び比較
例６で得られた白金−イリジウム合金担持カーボン粉末
それぞれを、乾燥質量換算で粉末／PTFE＝7／3となるよ
うに粉末とPTFE水性分散液を混合してぺースト状とした
ものを上記多孔質カーボンペーパーの片面全面に均一に
塗布し、乾燥、焼成し、粉末／PTFE混合物層を形成し
た。この際、多孔質カーボンペーパー単位面積当たりの
白金又は白金−イリジウム合金塗布量が0.5mg／cm2とな
るようにした。次に、乾燥質量換算で粉末／ナフィオン
（Nafion、商品名、デュポン社製パーフルオロカーボン
スルフォン酸）の比＝7／3に相当する量の5％ナフィオ
ン溶液(アルドリッチ社製)を、上で得た粉末／PTFE混合
物層上に均一に塗布し、乾燥した。こうして、各実施例
及び各比較例の白金担持カーボン粉末を用いた１１種の
電極を得た。
カル製テフロン30J)で撥水処理した60×60mm、厚さ60μ
ｍの多孔質カーボンペーパー(東レ製TGP-H-060)を電極
基質として準備した。実施例１〜６及び比較例１〜５で
得られた白金担持カーボン粉末並びに実施例７及び比較
例６で得られた白金−イリジウム合金担持カーボン粉末
それぞれを、乾燥質量換算で粉末／PTFE＝7／3となるよ
うに粉末とPTFE水性分散液を混合してぺースト状とした
ものを上記多孔質カーボンペーパーの片面全面に均一に
塗布し、乾燥、焼成し、粉末／PTFE混合物層を形成し
た。この際、多孔質カーボンペーパー単位面積当たりの
白金又は白金−イリジウム合金塗布量が0.5mg／cm2とな
るようにした。次に、乾燥質量換算で粉末／ナフィオン
（Nafion、商品名、デュポン社製パーフルオロカーボン
スルフォン酸）の比＝7／3に相当する量の5％ナフィオ
ン溶液(アルドリッチ社製)を、上で得た粉末／PTFE混合
物層上に均一に塗布し、乾燥した。こうして、各実施例
及び各比較例の白金担持カーボン粉末を用いた１１種の
電極を得た。
【００５３】次に、実施例１の白金担持カーボン粉末を
用いて得た電極をパーフルオロスルフォン酸電解質膜
(デュポン社製、商品名：ナフィオン112)の両面に、電
極の白金担持カーボン粉末を含む層を電解質膜に接する
ように重ねあわせ、ホットプレスで圧接して電解質膜−
電極接合体(MEA-1)を得た。
用いて得た電極をパーフルオロスルフォン酸電解質膜
(デュポン社製、商品名：ナフィオン112)の両面に、電
極の白金担持カーボン粉末を含む層を電解質膜に接する
ように重ねあわせ、ホットプレスで圧接して電解質膜−
電極接合体(MEA-1)を得た。
【００５４】次に、電解質膜の一方の面に実施例１の白
金担持カーボン粉末を用いて作った電極を、他方の面に
実施例２〜７及び比較例１〜６のいずれかの白金担持カ
ーボン粉末又は白金−イリジウム合金担持カーボン粉末
を用いた以外は、上記MEA-1の作製と同様の方法で電解
質膜−電極接合体MEA-2〜MEA-7及びMEA-8〜MEA-13をそ
れぞれ作製した。
金担持カーボン粉末を用いて作った電極を、他方の面に
実施例２〜７及び比較例１〜６のいずれかの白金担持カ
ーボン粉末又は白金−イリジウム合金担持カーボン粉末
を用いた以外は、上記MEA-1の作製と同様の方法で電解
質膜−電極接合体MEA-2〜MEA-7及びMEA-8〜MEA-13をそ
れぞれ作製した。
【００５５】次に、上記の各接合体の両側をグラファイ
ト製溝付ガス分配板で挟み、さらにその外側をステンレ
ス板で挟んで燃料電池単セルを形成した。MEA-2〜MEA-1
3については、実施例１の白金担持カーボン粉末を用い
て作った電極をアノードに、他方の電極をカソードとし
た。
ト製溝付ガス分配板で挟み、さらにその外側をステンレ
ス板で挟んで燃料電池単セルを形成した。MEA-2〜MEA-1
3については、実施例１の白金担持カーボン粉末を用い
て作った電極をアノードに、他方の電極をカソードとし
た。
【００５６】アノードに80℃飽和水蒸気で加湿した水素
を、カソードに同様に加湿した空気を、乾燥時換算でそ
れぞれ200mL／分、600mL／分の流量で供給し、単セルを
運転した。セル運転温度80℃、電流密度500mA／cm2の定
常状態における端子電圧を測定した。結果を表３に示
す。
を、カソードに同様に加湿した空気を、乾燥時換算でそ
れぞれ200mL／分、600mL／分の流量で供給し、単セルを
運転した。セル運転温度80℃、電流密度500mA／cm2の定
常状態における端子電圧を測定した。結果を表３に示
す。
【００５７】
【表３】
【００５８】表3より、実施例１〜６の触媒を用いて製
造した電解質膜−電極接合体(MEA-1〜MEA-6)を使用した
単セルは、642mV以上の高い端子電圧を発現したが、一
方の比較例１〜５の触媒を用いて製造した電解質膜−電
極接合体(MEA-8〜MEA-12)を使用した単セルは、624mV以
下の低い端子電圧を示した。
造した電解質膜−電極接合体(MEA-1〜MEA-6)を使用した
単セルは、642mV以上の高い端子電圧を発現したが、一
方の比較例１〜５の触媒を用いて製造した電解質膜−電
極接合体(MEA-8〜MEA-12)を使用した単セルは、624mV以
下の低い端子電圧を示した。
【００５９】また、実施例１で得られた白金担持カーボ
ン粉末(A-1)を用いて製造した白金−イリジウム合金担
持カーボン粉末触媒(A-7)により得られた電解質膜−電
極接合体(MEA-7)を使用した単セルは、665mVという高い
端子電圧を示したが、比較例６の白金−イリジウム合金
担持カーボン粉末触媒(B-6)を用いて得られた電解質膜
−電極接合体(MEA-13)を使用した単セルは、612mVとか
なり低い端子電圧を示した。
ン粉末(A-1)を用いて製造した白金−イリジウム合金担
持カーボン粉末触媒(A-7)により得られた電解質膜−電
極接合体(MEA-7)を使用した単セルは、665mVという高い
端子電圧を示したが、比較例６の白金−イリジウム合金
担持カーボン粉末触媒(B-6)を用いて得られた電解質膜
−電極接合体(MEA-13)を使用した単セルは、612mVとか
なり低い端子電圧を示した。
【００６０】
【発明の効果】本発明の触媒は、白金の担持量が20〜70
質量％と高いにもかかわらず、この範囲内で担持量が増
加しても白金の結晶子径の成長が、例えば結晶子径35Å
以下に抑制されているため、固体高分子電解質型燃料電
池用電極触媒として高い活性を有する。
質量％と高いにもかかわらず、この範囲内で担持量が増
加しても白金の結晶子径の成長が、例えば結晶子径35Å
以下に抑制されているため、固体高分子電解質型燃料電
池用電極触媒として高い活性を有する。
【００６１】また、本発明の白金合金電極触媒前駆体
は、白金の担持量が20〜70質量％と高いにもかかわら
ず、この範囲内で担持量が増加しても白金の結晶子径の
成長が抑制されているため、この前駆体を用いて得られ
る白金合金電極触媒における白金合金の結晶子径が小さ
く、例えば60Å以下に抑えられており、高い活性を有す
る白金合金電極触媒が得られる。
は、白金の担持量が20〜70質量％と高いにもかかわら
ず、この範囲内で担持量が増加しても白金の結晶子径の
成長が抑制されているため、この前駆体を用いて得られ
る白金合金電極触媒における白金合金の結晶子径が小さ
く、例えば60Å以下に抑えられており、高い活性を有す
る白金合金電極触媒が得られる。
Claims (5)
- 【請求項１】 導電性カーボンと、該カーボンに担持さ
れ触媒質量に対して20〜70質量％の白金と、前記カーボ
ンに化学的に結合し前記白金に対する原子比が0.7〜3と
なる範囲で存在する酸素とからなる固体高分子電解質型
燃料電池用電極触媒。 - 【請求項２】 前記白金の結晶子径が式(1)： Ｄ ≦ ［（Ｗ−20）／２］＋20 (1) (式中、Ｄは結晶子径(Å)を、Ｗは白金の担持量(質量
％)を表す。)を満たす、請求項１に記載の電極触媒。 - 【請求項３】 導電性カーボンと、該カーボンに担持さ
れ前駆体質量に対して20〜70質量％の白金と、前記カー
ボンに化学的に結合し前記白金に対する原子比が0.7〜3
となる範囲で存在する酸素とからなる、固体高分子電解
質型燃料電池用白金合金電極触媒前駆体。 - 【請求項４】 請求項３に記載の電極触媒前駆体に、該
前駆体中に担持されている白金と合金を形成する金属成
分を担持させた後、還元処理して合金化することを含む
白金合金担持電極触媒の製造方法。 - 【請求項５】 前記金属成分の担持量が、得られる白金
合金担持触媒の質量に対して0.5〜60質量％である請求
項４に記載の製造方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000147434A JP2001325964A (ja) | 2000-05-19 | 2000-05-19 | 固体高分子電解質型燃料電池用電極触媒 |
| US09/859,515 US6649300B2 (en) | 2000-05-19 | 2001-05-18 | Electrode catalyst and electrochemical devices using the same |
| DE60124974T DE60124974T2 (de) | 2000-05-19 | 2001-05-18 | Elektrodenkatalysator und elektrochemische Vorrichtungen |
| EP01112229A EP1156543B1 (en) | 2000-05-19 | 2001-05-18 | Electrode catalyst and electrochemical devices using the same |
| CA2348174A CA2348174C (en) | 2000-05-19 | 2001-05-18 | Electrode catalyst and electrochemical devices using the same |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000147434A JP2001325964A (ja) | 2000-05-19 | 2000-05-19 | 固体高分子電解質型燃料電池用電極触媒 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001325964A true JP2001325964A (ja) | 2001-11-22 |
Family
ID=18653621
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000147434A Pending JP2001325964A (ja) | 2000-05-19 | 2000-05-19 | 固体高分子電解質型燃料電池用電極触媒 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6649300B2 (ja) |
| EP (1) | EP1156543B1 (ja) |
| JP (1) | JP2001325964A (ja) |
| CA (1) | CA2348174C (ja) |
| DE (1) | DE60124974T2 (ja) |
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