JP2004510316A - タングステン含有燃料電池触媒及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技術分野
本発明は、燃料電池用触媒に関する。一層特に、本発明は、燃料電池触媒として使用できるタングステン含有化合物に関する。
【0002】
従来技術
燃料電池は、水素、炭化水素、及び酸素のような反応体を水及び二酸化カーボンのような生成物に転化させることによって電気を生成する。典型的な低温燃料電池は、アノード及びカソードを電解質によって分離させてなるのが普通である。アノード及びカソードは、触媒の薄い層を担体の表面上に均一に分散させた導電性担体からなる。作動中、燃料の連続した流れがアノードに供給され、同時に、オキシダントの連続した流れがカソードに供給される。
【0003】
従来の低温H2/O2燃料電池では、水素ガス燃料がアノードで白金触媒の助けによって酸化されて電子及びプロトンを発生し、これらは別々の路によってカソードに移動する。電子は、外部回路を通って伝導され、プロトンは、電解質を通って伝導される。カソードにおいて、酸素ガスは、再び白金触媒の助けによって電子及びプロトンと組み合わさって水を生成する。電子によって発生されて外部回路を通って流れる電流を仕事に使用することができる。
【0004】
特に重要な燃料電池構造は、プロトン交換膜(PEM)燃料電池である。代表的なPEM燃料電池では、電解質は、プロトンを伝導することができる固体ポリマー物質、例えばペルフルオロスルホン酸ポリマー(例えば、DuPontによるNafion(登録商標))である。プロトン伝導性ポリマー膜は、カーボンブラック上に分散された白金触媒から形成された膜電極アセンブリー(MEA)の間にサンドイッチされる。これらの装置の例は、米国特許第6,030,718号、同第6,040,007号及び同第5,945,231号に記載されており、これらの米国特許を本明細書中に援用する。
【0005】
白金触媒は、それらの電気化学的活性が高いことから、燃料電池用に好適である。しかし、白金は、高価でありかつ水素燃料中に典型的に認められる微量の一酸化カーボンにより容易に被毒される。値段の一層安い電気触媒(electrocatalyst)を見出そうとする又は白金触媒の一酸化カーボンへの感応性を低減させようとする試みが多数なされてきた。これらの試みの内のいくつかは、タングステン及びモリブデン化合物、特にそれらの炭化物及び酸化物に焦点を合わせてきた。例えば、米国特許第5,922,488号は、CO耐性アノード触媒について記載しており、該触媒は、Pt−HxWO3式(式中、xは約0.05〜約0.36の範囲である)を有する、カーボン担持され、白金分散された、非化学量論的水素タングステンブロンズを使用するものである。米国特許第5,298,343号は、好ましくは白金又はパラジウム並びにタングステン酸、モリブデン酸、タングステン酸アンモニウム、モリブデン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム及びモリブデン酸ナトリウムからなる群から選ぶ化学成分で構成される多成分電気触媒について記載している。米国特許第5,945,231号は、炭化タングステンを酸化ルテニウム又はルテニウムと組み合わせて直接液体供給燃料電池用触媒を形成することを意図している。遺憾ながら、これらのタングステン及びモリブデンベースの触媒は、更に高価な助触媒を存在させないで、実用的な燃料電池用途のための許容し得るレベルの電気化学的活性を示さなかった。従って、高価な助触媒を用いないで、高い電気化学的活性を示すタングステン含有燃料電池触媒を有することは、利点になろう。
【0006】
発明の概要
発明の目的は、従来技術の不利を無くすにある。
【0007】
発明の別の目的は、白金の電気化学的活性に近い電気化学的活性を有するタングステン含有燃料電池触媒を提供するにある。
【0008】
発明の更に別の目的は、タングステン含有燃料電池触媒を燃料電池中で現場で製造する方法を提供するにある。
【0009】
発明のなお別の目的は、タングステン含有燃料電池触媒を燃料電池中で現場で再生する方法を提供するにある。
【0010】
発明の開示
発明の一つの目的に従えば、タングステンを含有する表面層を有するカーボン担体を含み、同様にして調製される白金触媒の、水素の電気化学的酸化を用いて同じ条件下で作動する時の出力の約20%よりも大きい出力を発生するタングステン含有燃料電池触媒を提供する。
【0011】
発明の別の目的に従えば、下記の工程:
(a)タングステン含有前駆物質をカーボン担体上に付着させ;
(b)担体を電解質の溶液と接触させ;
(c)担体に、タングステン含有触媒を形成する程の電圧をかける
を含むタングステン含有燃料電池触媒の製造方法を提供する。
【0012】
発明の更に別の目的に従えば、下記の工程:
(a)触媒を流体ベースのカーボン源と接触させ;
(b)触媒に、触媒を実質的に再生する程の電圧をかける
を含むタングステン含有燃料電池触媒の再生方法を提供する。
【0013】
好ましい具体例の説明
本発明を、それのその他の及びそれ以上の目的、利点及び能力と共に一層良く理解するために、下記の開示及び特許請求の範囲の記載を、添付した図面と関連させて参照のこと。
【0014】
高い電気化学的活性を有するタングステン含有燃料電池触媒を発明したもので、該触媒は、燃料電池を組み立てた後に燃料電池中で現場で形成させてもよい。触媒は、カーボン担体、例えばグラファイト、活性炭又はカーボンブラック上に付着させておいたタングステン含有前駆物質を低温(約100℃よりも低い)電気化学的活性化することによって形成する。カーボン担体上でのタングステン含有触媒層の形成は、スパッター式中性質量分析法(SNMS)及びX線光電子分光法(XPS、またESCAとしても知られている)によって確認した。
【0015】
好適な方法では、カーボンブラックを前駆物質の水溶液と混合し、機械的にかつ超音波的に攪拌して均一な分散体を生成し、次いで乾燥させる。乾燥された担持された触媒前駆物質を成形して従来のPEM電池膜−電極アセンブリー(MEA)にし、これは、PEM電池のアノードを形成する。PEM電池のカソードは、白金触媒で造られたMEAである。一旦MEA電池を構築したら、電解質溶液を加える。電解質溶液は、流体ベースのカーボン源、例えば、アルコール、水性カーボネート、有機酸溶液、又は泡立たされたCOもしくはCO2ガスを含有するのが好ましい。好適な電解質溶液は、2M Na2CO3である。電圧をかけて前駆物質を活性化してタングステン含有触媒を形成する。かける電圧は、約0.5〜約30ボルトDCにするのが好ましい。電圧は、電流要求量が実質的に減少するまで、通常1分以内かけるだけにする必要があるのが普通である。しかし、触媒の活性化を確実にするために、電圧を約30分間かけるのが好ましい。PEM電池アノードを負のDC源に接続し、PEM電池カソードを負のDC源に接続する。正のDC源に接続する。こうして、アノード及びカソードの電気化学的な役割は、通常のPEM電池作動に対して逆になる。
【0016】
タングステン含有前駆物質は、水溶液中でタングステートアニオンWO4 −2を生じるのが好ましい。そのような好適なタングステン含有前駆物質は、タングステン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム、又はタングステン酸を含む。タングステン含有前駆物質は、タングステンヘテロポリ塩、例えばメタタングステン酸アンモニウム(AMT)のようなものであるのが一層好ましい。カーボン担体への触媒前駆物質の添加量は、カチオン性界面活性剤、例えばセチルピリジニウムクロリドのようなものを用いることによって増大させることができる。好適な方法では、カーボンブラックをカチオン性界面活性剤の溶液と接触させ、混合し、乾燥させ、粉砕した後に、タングステン含有前駆物質の水溶液中に分散させる。界面活性剤の使用は、タングステンの添加量を、典型的な添加量タングステン約20重量パーセント(wt.%)からタングステン約40wt.%に2倍増大させることができる。
【0017】
本発明のタングステン含有触媒は、同様にして調製される白金触媒の、水素の電気化学的酸化を用いて同じ条件下で作動する時の出力の約20%よりも大きい出力を発生することができる。タングステン含有触媒の出力は、白金触媒の出力の約40%よりも大きいのが好ましい。タングステン含有触媒の出力は、白金触媒の出力の約80%よりも大きいのが更に一層好ましい。タングステン含有触媒の出力は、白金触媒の出力の約100%であるのが最も好ましい。
【0018】
下記の例を提示するが、下記の例は、制限するものではない。
【0019】
例1
タングステン含有触媒の活性化を、サイクリックボルタンメトリーを使用して観測した。AMT触媒前駆物質をガラス状カーボンに結合することによってガラス状カーボン回転ディスク電極を調製した。触媒0.2g量を超純水100ml及び5%液状Nafion溶液1mlと混合し、次いで電極に適用した。電極を水性2M Na2CO3中でアルゴンガスシールド下で1500rpmで回転させた。白金フラグを対電極として使用して、標準カロメル電極(SCE)を参照する電位を、2つの完全なサイクルについて対SCE800mVから対SCE−1000mVに掃引した。サイクリックボルタンメトリーカーブを図1に示す。カーブは、対SCE−400mVにおいて反応性領域を示す。第二の掃引Bは、初期の掃引Aの間に不可逆反応が起きていたことを示唆する。
【0020】
例2
タングステン含有触媒の電気化学的活性化を、触媒をカーボン棒上に形成することによって調べた。直径0.242in(0.615cm)×長さ12in(30cm)のカーボン棒(Bay Carbon Inc.,Type AGKSP)を、メタタングステン酸アンモニウム(AMT)(NH4)6H2W12O40・2H2O(OSRAM SYLVANIA Inc.)の水溶液(水200ml当たりAMT320gを含有する)に浸漬することによってタングステン含有触媒棒を調製した。棒を48時間の間浸漬した後に、触媒を2M Na2CO3中で4VDCにおいて30分間活性化した。
【0021】
棒をクロロ白金酸(H2PtCl6)6gの水6ml中の水溶液に48時間の間浸漬することによって、同様に添加された白金触媒カーボン棒を調製した。次いで、棒を水素中で焼成して白金を還元させた。
【0022】
一連の定電位ボルタンメトリー実験を、0.5M H2SO4中でPine AFCBP1 Analog Bipotentiostatを使用して水素を泡立たせながら実施した。各々のテストについて、棒を電解質の表面に置き、上に上げて棒の端部上にわずかなメニスカスを形成した。白金線対電極を使用して電圧をかけ、標準カロメル電極を参照した。生成した電流出力を定常状態に達しさせた。結果を図2に示し、結果は、タングステン含有触媒の電気化学的活性が白金の活性に近づくことができることを立証する。
【0023】
例2A
直径0.242in(0.615cm)×長さ12in(30cm)のカーボン棒(Bay Carbon Inc.,Type AGKSP)を、メタタングステン酸アンモニウム(AMT)(NH4)6H2W12O40・2H2O(OSRAM SYLVANIA Inc.)の水溶液(水200ml当たりAMT320gを含有する)に浸漬することによってタングステン含有触媒棒を調製した。棒を48時間の間浸漬した後に、浸漬された棒を空気中700℃で1時間焼成してタングステン含有前駆物質を完全に酸化して黄色のWO3にした。次いで、触媒を2M Na2CO3中で4VDCにおいて20分間活性化した。
【0024】
一連の定電位ボルタンメトリー実験を、0.5M H2SO4中でPine AFCBP1 Analog Bipotentiostatを使用して水素を泡立たせながら実施した。各々のテストについて、棒を電解質の表面に置き、上に上げて棒の端部上にわずかなメニスカスを形成した。白金線対電極を使用して電圧をかけ、標準カロメル電極を参照した。生成した電流出力を定常状態に達しさせた。結果は、図2に示すものと同様であり、更にタングステン含有触媒の電気化学的活性が白金の活性に近づくことができることを立証する。
【0025】
例3
一連の実験を実施してカーボンブラック担体の添加量容量を求めた。カーボンブラック上に担持されたタングステン含有触媒前駆物質のサンプルを、下記の手順を用いて造った。カーボンブラック(Cabot Corp.からのVulcan−72R)50g量を、カチオン性界面活性剤(1−ヘキサデシルピリジニウムクロリド、Sigma Aldrich)であるセチルピリジニウムクロリドの0.15M溶液0.5リットルと接触させた。カーボンブラック分散体をペイント振盪機上で20分間混合し、110℃で乾燥させ、30分間ボールミル粉砕した。乾燥され、粉砕されたカーボンブラック50g量を、メタタングステン酸アンモニウム60gを含有する脱イオン水0.4リットルと接触させた。ペイント振盪機上で30分間混合した後に、分散体を約16時間の間凝固させた。次いで、カーボンブラック分散体を110℃で24時間の間乾燥させ、0.5時間の間ボールミル粉砕して完成触媒前駆物質を生じた。同様の手順を用いたが、カーボンブラックをカチオン性界面活性剤で前処理しないで更なる触媒前駆物質を造った。次いで、触媒前駆物質をESCAによって分析して表面添加量を求めた。ESCA分析の結果を下記の表1に挙げる。カーボン担体表面の分析は、カーボンブラックをカチオン性界面活性剤で前処理すると、タングステン添加量をW約20wt.%からW約40wt.%に2倍増大させたことを示す。
【0026】
【表1】
【0027】
例4−PEM燃料電池
PEM燃料電池を構築し、本発明のタングステン含有触媒で造ったアノードを使用して作動させた。燃料電池アノード用触媒前駆物質を下記の方法によって調製した。
a)メタタングステン酸アンモニウム(AMT)(NH4)6H2W12O40・2H2O(OSRAM SYLVANIA Inc.)828グラムを脱イオン水18リットルに溶解し;
b)AMT溶液をカーボンブラック(Cabot Corp.からのVulcan−72R)1.0キログラムに加え;
c)1.5時間の間攪拌し;
d)混合物から水を蒸発させ、カーボン/AMT混合物110℃で乾燥させ;及び
e)乾燥された物質を0.5時間の間ボールミル粉砕して完成触媒前駆物質を形成する。
【0028】
触媒前駆物質の表面をX線光電子分光法(XPS)によって分析し、それから、カーボン上のタングステン添加量約20重量%を求めた。
【0029】
従来の5層フルオロカーボン結合法を用いて膜電極アセンブリー(MEA)を調製した。MEAを面積5cm2で加工した。MEAは、Toray紙、TFEバインダー、及び1平方センチメートル当たり有効触媒0.5mgの添加量を用いて組み立てた。
【0030】
触媒前駆物質をアノードとして収容するMEAを使用して、5cm2 PEM電池(ElectroChemモデルFC05−01SP)を組み立てた。カソードは、白金触媒を含有するMEAからなるものであった。カソード触媒は、カーボン上のPt20重量%であった。触媒前駆物質を、アノードチャンバー及びカソードチャンバーの両方に2M Na2CO3の水溶液を満たし、Keithly Model 2420 Sourcemeterを使用して4VDCを35分間かけることによって活性化し、電圧−優先モードでランした。電池を通る可変液体流れを保つことによって、電池から気泡を排出させた。活性化した後に、各々のチャンバーを脱イオン水3リットルでフラッシュし、アノード側を水素及びカソード側を空気のそれぞれの作業ガスで吹いて乾かした。
【0031】
カソードで加湿された圧縮空気をかつアノード側で加湿された低温グレードの水素を使用して作業ガス連絡を行った。両方の電池排気を7cm3/分に設定した別々の排気流量計につなげた。PEM電池を電圧ロギングケイパビリティのチャネル64を装備したデータロギングコンピューターに接続した。アノード及びカソードの両方について担持された白金触媒を用いた第二の5cm2 PEM燃料電池を、対照としてのテスト電池と並行して作動させた。精密電力抵抗器(Vishay−Dale Type RH−50)を使用して種々の負荷を各々の電池に同時にかけた。セル電圧を電流出力の間接尺度として記録し、ワットで表わす電力を、電流及び電圧値から計算した。
【0032】
各々のPEM電池を室温でかつ低圧(<1psig(0.1MPa))作動下でテストした。作業ガスを、室温水を通して泡立たせることによって加湿した。両方のPEM電池についてのテストデータを図3に示す。タングステン含有触媒を使用するPEM電池について負荷1000オーム下で150分作動した後の定常状態電圧は、約0.75Vであり、対照電池の電圧にほぼ等しいものであった。350分した後に、テストセル電圧は、対照電池について約0.75Vであったのに比べて約0.65Vに低下した。これらの燃料電池についての出力カーブを図4に示す。テスト電池は、温度約25℃及び圧力約1気圧(0.2MPa)において電流密度約2〜約6mA/cm2で比較的に一定の電位約0.25ボルトを示した。
【0033】
タングステン含有触媒の電気化学的活性化の効果を、同様にして構築される燃料電池を、初めにタングステン含有触媒を活性化しないで作動させることによって立証した。<0.5mA/cm2のごくわずかな量の出力だけが達成された、これは、前駆物質の最少の電気化学的活性を示すものと推測され得る。
【0034】
触媒は、燃料電池中で現場で形成され得ることから、触媒は、酸化及び汚染による老化を逆転させるために周期的基準で再活性化されることができるであろうと考えられる。加えて、失われた触媒は、例えば、希薄なタングステート溶液を加えることによって補給して取り外すことを要しないで触媒前駆物質を現場で供することができよう。次いで、触媒前駆物質は、上記の方法を用いて活性化されることができよう。
【0035】
例5
例4のPEM燃料電池は、空気にアノード側電気触媒を酸化させることによって作動させて失敗に至った。スペント触媒を、アノードチャンバー及びカソードチャンバーの両方に2M Na2CO3の水溶液を満たし、Keithly Model 2420 Sourcemeterを使用して4VDCを30分間かけることによって活性化し、電圧−優先モードでランした。電池を通る可変液体流れを保つことによって、電池から気泡を排出させた。活性化した後に、各々のチャンバーを脱イオン水3リットルでフラッシュし、アノード側を水素及びカソード側を空気のそれぞれの作業ガスで吹いて乾かした。PEM電池作動が、初期の活性化に一致した出力で再開された。
【0036】
現時点で発明の好適な実施態様と考えられるものを示しかつ説明したが、発明において種々の変更及び変更態様を特許請求の範囲に規定する通りの発明の範囲から逸脱しないでなし得ることは、当業者にとって自明であると思う。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明のタングステン含有燃料電池触媒の活性化を立証するサイクリックボルタンメトリー分析である。
【図2】
本発明のタングステン含有燃料電池触媒の電気化学的活性を白金に比べて立証する定電位サイクリックボルタンメトリー分析である。
【図3】
白金触媒カソード及び本発明のタングステン含有燃料電池触媒で造られたアノードを有するH2:空気PEM燃料電池の時間/電圧/負荷特性を、共に白金触媒のアノード及びカソードを有する同様にして作動される燃料電池に比べて例示する。
【図4】
白金触媒カソード及び本発明のタングステン含有燃料電池触媒で造られたアノードを有するH2:空気PEM燃料電池の出力を、共に白金触媒のアノード及びカソードを有する同様にして作動される燃料電池に比べて例示する。
Claims (39)
- タングステンを含有する表面層を有するカーボン担体を含み、同様にして調製される白金触媒の、水素の電気化学的酸化を用いて同じ条件下で作動する時の出力の約20%よりも大きい出力を発生するタングステン含有燃料電池触媒。
- タングステン含有触媒の出力が白金触媒の出力の約40%よりも大きい請求項1のタングステン含有触媒。
- タングステン含有触媒の出力が白金触媒の出力の約80%よりも大きい請求項1のタングステン含有触媒。
- タングステン含有触媒の出力が白金触媒の出力の約100%である請求項1のタングステン含有触媒。
- タングステンを含有する表面層を有するカーボン担体を含み、負荷1000オームでセル電圧約0.75ボルトを生じる単一の5cm2セルを有する水素:空気PEM燃料電池中のタングステン含有燃料電池触媒。
- タングステンを含有する表面層を有するカーボン担体を含み、温度約25℃及び圧力0.2MPa(約1気圧)において電流密度約2〜約6mA/cm2で電位約0.25ボルトを生じるタングステン含有燃料電池触媒。
- 電位が、タングステン含有触媒で造られたアノード及び白金触媒で造られたカソードを有する水素:空気燃料電池において測定される請求項6のタングステン含有触媒。
- タングステン約20重量%のタングステン添加量を有する請求項1のタングステン含有触媒。
- タングステン約40重量%のタングステン添加量を有する請求項1のタングステン含有触媒。
- 下記の工程:
(a)タングステン含有前駆物質をカーボン担体上に付着させ;
(b)担体を電解質の溶液と接触させ;
(c)担体に、タングステン含有触媒を形成する程の電圧をかける
を含むタングステン含有燃料電池触媒の製造方法。 - 電解質溶液が、流体ベースのカーボン源を含有する請求項10の方法。
- 流体ベースのカーボン源が、アルコール、水性カーボネート、有機酸溶液、又は泡立たされたCOもしくはCO2ガスである請求項11の方法。
- 電解質が2M Na2CO3である請求項10の方法。
- かける電圧が約0.5〜約30VDCである請求項10の方法。
- かける電圧が4VDCである請求項13の方法。
- タングステン含有前駆物質が、タングステン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム、タングステン酸又はタングステンヘテロポリ塩である請求項10の方法。
- タングステン含有前駆物質が、メタタングステン酸アンモニウムである請求項10の方法。
- 電解質溶液が、流体ベースのカーボン源を含有する請求項17の方法。
- 流体ベースのカーボン源が、アルコール、水性カーボネート、有機酸溶液、又は泡立たされたCOもしくはCO2ガスである請求項17の方法。
- 電解質溶液が2M Na2CO3である請求項17の方法。
- カーボン担体が、カチオン性界面活性剤で前処理しておいたカーボンブラックである請求項10の方法。
- カチオン性界面活性剤がセチルピリジニウムクロリドである請求項21の方法。
- 下記の工程:
(a)カーボンブラックをタングステン含有前駆物質の溶液と混合して分散体を形成し;
(b)分散体を乾燥させて担持された触媒前駆物質を形成し;
(c)担持された触媒前駆物質を用いてアノード電極を形成し;
(d)触媒前駆物質を電解質の溶液と接触させ;及び
(e)アノードに、タングステン含有触媒を形成する程の電圧をかける
を含むタングステン含有燃料電池触媒の製造方法。 - タングステン含有前駆物質が、タングステン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム、タングステン酸、又はタングステンヘテロポリ塩である請求項23の方法。
- 電解質が、流体ベースのカーボン源を含有する請求項23の方法。
- 流体ベースのカーボン源が、アルコール、水性カーボネート、有機酸溶液、又は泡立たされたCOもしくはCO2ガスである請求項25の方法。
- タングステン含有前駆物質がメタタングステン酸アンモニウムであり、電解質溶液が2M Na2CO3である請求項24の方法。
- タングステン含有触媒をプロトン交換膜燃料電池中で現場で形成する請求項23の方法。
- かける電圧が約0.5〜約30VDCである請求項28の方法。
- タングステン含有前駆物質がメタタングステン酸アンモニウムであり、電解質溶液が2M Na2CO3である請求項29の方法。
- かける電圧が4VDCである請求項30の方法。
- カーボンブラックをカチオン性界面活性剤で前処理しておいた請求項23の方法。
- カチオン性界面活性剤がセチルピリジニウムクロリドである請求項32の方法。
- 下記の工程:
(a)触媒を流体ベースのカーボン源と接触させ;
(b)触媒に、触媒を実質的に再生する程の電圧をかける
を含むタングステン含有燃料電池触媒の再生方法。 - 触媒を初めに希薄なタングステート溶液と接触させる請求項34の方法。
- かける電圧が約0.5〜約30VDCである請求項34の方法。
- 再生を燃料電池中で現場で遂行される請求項34の方法。
- 流体ベースのカーボン源が炭酸ナトリウムの水溶液である請求項34の方法。
- 希薄なタングステート溶液がメタタングステン酸アンモニウムの溶液である請求項35の方法。
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