JP2005327721A - 燃料電池用触媒及びこれを含む燃料電池 - Google Patents
燃料電池用触媒及びこれを含む燃料電池 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005327721A JP2005327721A JP2005137751A JP2005137751A JP2005327721A JP 2005327721 A JP2005327721 A JP 2005327721A JP 2005137751 A JP2005137751 A JP 2005137751A JP 2005137751 A JP2005137751 A JP 2005137751A JP 2005327721 A JP2005327721 A JP 2005327721A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- catalyst
- platinum
- heat treatment
- orp
- Prior art date
- Legal status (The legal status 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 status listed.)
- Granted
Links
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 title claims abstract description 79
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 62
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 85
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 40
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000033116 oxidation-reduction process Effects 0.000 claims abstract description 6
- ZOMNIUBKTOKEHS-UHFFFAOYSA-L dimercury dichloride Chemical class Cl[Hg][Hg]Cl ZOMNIUBKTOKEHS-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims abstract description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 20
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 11
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 9
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 8
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 8
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 7
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 4
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 claims 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 11
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 16
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 14
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 13
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 12
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 6
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 239000004745 nonwoven fabric Substances 0.000 description 3
- 150000003057 platinum Chemical class 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001260 Pt alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 2
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 2
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 150000007942 carboxylates Chemical class 0.000 description 1
- 150000001735 carboxylic acids Chemical class 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 229910001325 element alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- MUMZUERVLWJKNR-UHFFFAOYSA-N oxoplatinum Chemical compound [Pt]=O MUMZUERVLWJKNR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000009790 rate-determining step (RDS) Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 125000000542 sulfonic acid group Chemical group 0.000 description 1
- TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N tetrafluoromethane Chemical compound FC(F)(F)F TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F21—LIGHTING
- F21L—LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF, BEING PORTABLE OR SPECIALLY ADAPTED FOR TRANSPORTATION
- F21L4/00—Electric lighting devices with self-contained electric batteries or cells
- F21L4/04—Electric lighting devices with self-contained electric batteries or cells characterised by the provision of a light source housing portion adjustably fixed to the remainder of the device
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/88—Processes of manufacture
- H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
- H01M4/8807—Gas diffusion layers
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
- B01J23/40—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
- B01J23/42—Platinum
-
- B01J35/23—
-
- B01J35/33—
-
- B01J35/393—
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F21—LIGHTING
- F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F21V33/00—Structural combinations of lighting devices with other articles, not otherwise provided for
- F21V33/0064—Health, life-saving or fire-fighting equipment
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8605—Porous electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/88—Processes of manufacture
- H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
- H01M4/8882—Heat treatment, e.g. drying, baking
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/92—Metals of platinum group
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/92—Metals of platinum group
- H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
- H01M4/926—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J21/00—Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
- B01J21/18—Carbon
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/023—Porous and characterised by the material
- H01M8/0234—Carbonaceous material
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
【課題】 向上した触媒活性を示す燃料電池用触媒を提供する。また、前記触媒を含む燃料電池を提供する。
【解決手段】 本発明の触媒は、サイクリックボルタンメトリー実験により、飽和カロメル電極を用いて測定された酸化還元電位（ＯＲＰ）が４３０ｍＶ以上である白金を含む。
【選択図】 図１
【解決手段】 本発明の触媒は、サイクリックボルタンメトリー実験により、飽和カロメル電極を用いて測定された酸化還元電位（ＯＲＰ）が４３０ｍＶ以上である白金を含む。
【選択図】 図１
Description
本発明は、燃料電池用触媒及びこれを含む燃料電池に係り、より詳しくは、触媒活性に優れた燃料電池用触媒及びこれを含む燃料電池に関する。
燃料電池は、燃料の化学エネルギーが電気エネルギーに直接変換されて電流を生産することができる電池であって、燃料（水素又はメタノール）と酸化剤（酸素又は空気）とを電気化学的に反応させて生じたエネルギーを、直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。
このような燃料電池は充放電サイクルがなく、外部から燃料の供給を受けて継続して電流を生産する。燃料電池は熱力学的効率の支配を受けないため、力学的エネルギーや燃料の燃焼による熱エネルギーを利用した発電機に比して非常に高いエネルギー効率を有する。
一般的に、燃料電池の化学反応は水素と酸素の反応によって水を生成させる。現在商品化されている燃料電池としては、高分子電解質型燃料電池（PEM）又はリン酸型燃料電池（PAFC）の酸性電解質を用いる燃料電池がある。このような酸性電解質を用いる燃料電池における化学反応は、下記反応式１の様に起こる。
［反応式１］
カソード：Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ
アノード：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
全体反応：２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
カソード：Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ
アノード：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
全体反応：２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
つまり、燃料（普通は水素を使用）をアノードに供給すると同時に酸化剤（普通は空気を使用）をカソードに供給すると、前記燃料がアノードで酸化されてエネルギーを発生し、つまり、触媒の作用で燃料から電子を遊離させ、遊離電子の集積によって起電力が生じ、カソードの酸素還元反応では、電子を吸収して水が生成される。
したがって、燃料電池の効率を向上させるための一つのパラメータとして触媒の効率が重要であり、このような触媒としては、電気化学的な反応で最も安定な白金（Ｐｔ）又は他の貴金属などが主に用いられた。しかし、この白金のような貴金属は高価であるため、燃料電池を商業的に利用するには大きな問題点があった。
したがって、白金のような貴金属の代わりに合金系列の触媒に関する様々な研究が進められてきており、その例として、下記特許文献１には、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｃｏ、Ｐｔ−Ｃｒなどの合金触媒、更に、下記特許文献２には、Ｐｔ−Ｇａ、Ｐｔ−Ｃｒなどの合金触媒に関する内容が開示されている。
また、貴金属の使用量を減少させるために、白金などの貴金属を炭素のような担体に担持させて用いてきた。
このように、貴金属の使用量を減少させながら、その効率は増加させるための研究のうちの一つとして、下記特許文献３には、白金粒子からなり、５重量％以上が立方体形状及び/又は正四面体形状の白金粒子で構成されている燃料電池用触媒が開示されており、その製造方法は、白金塩、カルボン酸及びカルボン酸塩のうちの少なくとも一つを溶解した水溶液に水素を導入して、白金コロイド溶液を生成する工程、前記白金コロイド溶液に導電性炭素材料を加えた後、コロイド溶液のｐＨを３以下又は１２以上に調製する工程、コロイド粒子を前記炭素材料と共に前記コロイド溶液から分離する工程、及び分離されたコロイド粒子に付着した炭素材料を１８０乃至３５０℃で熱処理する工程を含む技術が開示されている。
また、下記特許文献４には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体と白金又は白金合金がカーボン担体に担持された担持触媒が開示されている。上記触媒を製造する方法は、“白金の塩として塩化白金酸水溶液中に、カーボン粉末を分散させる。ここで触媒金属として白金合金を使用する場合は、上記液中に白金と合金化させる金属を含む化合物を溶解又は分散させておく。次に、加熱攪拌を行い、白金を含む化合物又は白金と上記金属を含む化合物をカーボン粉末に吸着させる。必要に応じて、溶液中のｐＨをアルカリ側に調整し”、ろ過、洗浄、乾燥を適宜行った後、水素ガス等により還元処理を施し、次いでヘリウム、アルゴン、窒素等の不活性ガス雰囲気下で熱処理を行う工程を含む。
しかし、以上のような方法で製造された白金触媒の活性が依然として満足する程の水準に到達していないため、それに関する研究が継続して要求されている。
米国特許第４,４４７,５０６号明細書
米国特許第４,８２２,６９９号明細書
特開２００２−４２８２５号公報
特開２００２−１５７４５号公報
本発明は、向上した触媒活性を示す燃料電池用触媒を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、前記触媒を含む燃料電池を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明は、サイクリックボルタンメトリー実験により、飽和カロメル電極を用いて測定された酸化還元電位（ＯＲＰ）が４３０ｍＶ以上である白金を含む燃料電池用触媒を製造する。
また、本発明は、電解質膜；前記電解質膜の両側に位置し前記触媒を含む触媒層を被覆したカソード及びアノード；を含む燃料電池を提供する。
本発明による燃料電池用触媒は、ＯＲＰが４３０ｍＶ以上であり、触媒活性も優れている効果がある。
本発明は、燃料電池の効率を向上させるために用いられる触媒の活性を一層向上させているが、経済的にも有利な触媒に関するものである。従来の燃料電池用触媒として広く用いられていた白金は価格が高いため、経済的な側面からは、白金の単位重量当り得られる電流密度、つまり、重量活性度という概念が非常に重要であり、したがって、本発明で触媒の活性を向上させるということは、重量活性度値を増加させることを意味する。
一般的な燃料電池の各種反応のうち、カソードにおける酸素還元反応は律速段階として知られている。律速反応である酸素還元反応の詳細なメカニズムはまだ明らかにされていないが、一般的に、Ｐｔ表面に酸素が適当な力で吸着されている間に白金表面に水素が接近して、吸着された酸素と反応して酸素が白金表面から分離して水が生成されるという説明が支配的である。
本発明は、前記説明によってＰｔ表面に酸素が吸着する強さが反応速度と関連しており、これは白金−酸素間の結合力と密接な関連があるという点に着眼して、白金−酸素間の結合力を推定できる白金の電子配列を調節したものである。
白金−酸素間の吸着モデルは、以下の式１乃至式３に示したように様々なモデルが提示されており、いずれの場合でも白金−酸素結合力が反応メカニズムに影響を与えることが分かる。
本発明では、酸素と触媒表面との間の結合力が反応メカニズムに影響を与えるはずであり、また、これが全体触媒活性に影響を与え得るという点に着眼して、完成した。
本発明の燃料電池用触媒は白金を含み、この白金含有触媒の酸化還元電位（ORP）は４３０ｍＶ以上を有し、より好ましくは４３０ｍＶ乃至５６０ｍＶを有する。
本明細書において、白金のＯＲＰとは、白金表面の酸素が還元される電位であって、酸化された後に再び還元する電位、つまり、ＰｔとＯとの結合（Ｐｔ−Ｏ）が破られる電位を意味し、ＳＣＥ標準電極で０.２乃至０.７Ｖの間で現れる還元ピークを意味する。本発明において、前記ＯＲＰは、サイクリックボルタンメトリーによってＳＣＥ標準電極を用いて測定した値である。
つまり、本発明の燃料電池用触媒で、白金のＯＲＰ値が４３０ｍＶ以上の値を有するので、燃料電池の化学反応が起こる間、律速段階である白金の酸素還元反応の中間段階のうちの一つの、白金表面に形成された酸素が還元される電位が高まる、つまり、電子を少量供給しただけでもＰｔ−Ｏ結合が破れることを意味し、また、これは４３０ｍＶ未満の低い還元電位を有する触媒に比べて容易かつ急速に還元できるので好ましい。
本発明の燃料電池用触媒であるＰｔの粒径は３０乃至１５０Åであるのが好ましい。触媒の粒径によって触媒の物性が多様に変化し、その中でも触媒の反応活性表面積が変化する。つまり、触媒粒子が小さくなるほど反応活性表面積が増加するので好ましいが、実質的に３Å未満まで減少させるのは難しく、また、粒子が小さいほど良いため、１５Åより大きいと反応表面積があまりにも少なくて実用性がなく、また、触媒製造時に熱処理温度を過度に増加させなければならないので好ましくない。
本発明では、前記ＯＲＰ値を触媒熱処理工程によって調節し、以下では、本発明の触媒製造方法について説明する。
白金を４００℃以上の温度で熱処理して、４５０ｍＶ以上のＯＲＰを有する白金触媒を製造する。好ましい熱処理温度は４００乃至１５００℃である。また、前記熱処理工程は、窒素、水素又はこれらの混合ガスなどの還元性または不活性雰囲気下で１乃至５時間熱処理して行う。
本発明の白金と遷移元素の合金触媒は、リン酸型燃料電池又は高分子電解質型燃料電池など、酸を電解質とする燃料電池において有効に用いることができる。本発明の触媒を含む燃料電池は、電解質膜と、本発明の触媒層が形成されたカソード及びアノード電極と、を含む。カソード及びアノード電極は、一般的にカーボン不織布などの炭素を用いる。通常は、カーボン不織布などの炭素に触媒層が形成された物をカソード及びアノード電極と称することもあり、本発明でカーボン不織布などの炭素に触媒層が形成された構成を排除するものではない。
また、本発明の燃料電池は、前記カソード及びアノード電極のすぐ隣に位置する気体拡散層と流路フォームが形成されたセパレータ（バイポーラプレートともいう）を含む。
なお、いわゆる膜電極組立体の構造は、一方の端から、気体拡散層・カーボン電極層・触媒層・電解質膜・触媒層・カーボン電極層・気体拡散層の順に配置することが多いが、これに限定されず、触媒層を電極層の両面に付けても差し支えない。
以下、本発明の好ましい実施例及び比較例を説明する。しかし、下記の実施例は本発明の好ましい一実施例だけであり、本発明が下記の実施例に限られるわけではない。
（比較例１）
市販の炭素担体に担持された白金触媒（Ｐｔ/Ｃ）（Johnson matthey Co.炭素担体質量に対し、白金が１０重量％含まれている）を、常温でＮ２及びＨ２混合ガス（Ｎ２：Ｈ２＝１：３）の還元雰囲気下で２.５時間熱処理して、燃料電池用触媒を製造した。
市販の炭素担体に担持された白金触媒（Ｐｔ/Ｃ）（Johnson matthey Co.炭素担体質量に対し、白金が１０重量％含まれている）を、常温でＮ２及びＨ２混合ガス（Ｎ２：Ｈ２＝１：３）の還元雰囲気下で２.５時間熱処理して、燃料電池用触媒を製造した。
（実施例１）
熱処理温度を４００℃に変更したことを除いては、比較例１と同一に実施した。
熱処理温度を４００℃に変更したことを除いては、比較例１と同一に実施した。
（実施例２）
熱処理温度を５００℃に変更したことを除いては、比較例１と同一に実施した。
熱処理温度を５００℃に変更したことを除いては、比較例１と同一に実施した。
（実施例３）
熱処理温度を７００℃に変更したことを除いては、比較例１と同一に実施した。
熱処理温度を７００℃に変更したことを除いては、比較例１と同一に実施した。
（実施例４）
熱処理温度を８００℃に変更したことを除いては、比較例１と同一に実施した。
熱処理温度を８００℃に変更したことを除いては、比較例１と同一に実施した。
（実施例５）
熱処理温度を９００℃に変更したことを除いては、比較例１と同一に実施した。
熱処理温度を９００℃に変更したことを除いては、比較例１と同一に実施した。
（実施例６）
熱処理温度を１０００℃に変更したことを除いては、比較例１と同一に実施した。
熱処理温度を１０００℃に変更したことを除いては、比較例１と同一に実施した。
（実施例７）
熱処理温度を１１００℃に変更したことを除いては、比較例１と同一に実施した。
熱処理温度を１１００℃に変更したことを除いては、比較例１と同一に実施した。
実施例１乃至７及び比較例１によって製造された触媒は、大略３０乃至１５０Åの粒径を有している。
実施例１乃至７及び比較例１によって製造された触媒のサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）実験を実施し、ＯＲＰを測定した。ＣＶ実験で、標準電極としては飽和カロメル電極（ＳＣＥ）を用いた。また、作動電極は、製造された触媒９０重量％と１０重量％のポリテトラフルオロエチレンバインダーを、水とイソプロピルアルコールを１：１の体積比で混合した溶媒中で混合してペーストを製造し、前記ペーストをカーボンペーパー気体拡散層に塗布して電極を製造して用いた。対極としてＰｔプレートを用いた。作動電極及び対極は、全て直径１ｍｍの円板形態に製造して用いた。ＣＶ実験は１ＭのＨ２ＳＯ４水溶液中で実施し、１０ｍＶ/秒のスキャン速度で測定した。その結果であるＯＲＰ値を下記表１及び図１に示した。図１において、ＯＲＰ電位が“＋”値である場合は電子を収容して酸化されることを示し、“−”である場合は電子を供給して還元されることを示す。
表１において、触媒名称の尾部は処理温度を示し、ＲＴは常温を意味するので、名称ＰｔＲＴは常温で熱処理したことを意味し、名称Ｐｔ４００は４００℃で熱処理したことを意味する。また、名称の首部は白金系を意味する。
表１及び図１に示したように、熱処理を４００℃以上実施した実施例１乃至７の場合はＯＲＰが４３１乃至５５５ｍＶである反面、常温で熱処理した比較例１の場合はＯＲＰが４２５ｍＶであることが分かる。したがって、実施例１乃至７の触媒が比較例１の触媒よりも触媒活性が優れていることを予測できる。
また、実施例１乃至７及び比較例１で製造された触媒の活性を測定した結果を、下記表２に示した。下記表２において、触媒活性は重量活性度に示したものであって、この値は半電池テストを通じて得られた電流値を触媒重量で除算した値を意味する。
表２に示したように、実施例１乃至７の方法によって製造された触媒の重量活性度が比較例１に比べて高いので、表１に示したＯＲＰ値の結果より、触媒活性が優れていることを予測することができる。
Claims (18)
- サイクリックボルタンメトリー実験により、飽和カロメル電極を用いて測定された酸化還元電位（ＯＲＰ）が４３０ｍＶ以上であることを特徴とする白金含有燃料電池用触媒。
- 前記酸化還元電位が４３０ｍＶ乃至５６０ｍＶであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用触媒。
- 前記白金は３０乃至１５０Åの平均粒径を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用触媒。
- 前記サイクリックボルタンメトリー実験は硫酸水溶液中で実施することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用触媒。
- 前記触媒は、白金を４００℃以上の温度で熱処理して製造されたものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用触媒。
- 前記触媒は、白金を４００乃至１５００℃の温度で熱処理して製造されたものであることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用触媒。
- 前記熱処理工程は還元雰囲気下で実施することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用触媒。
- 前記還元雰囲気は、窒素、水素又はこれらの混合ガス雰囲気であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用触媒。
- 前記熱処理工程は１乃至５時間実施することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用触媒。
- 電解質膜と；
前記電解質膜の両側に位置し、触媒層を被覆したカソード及びアノードと；を含み、
前記触媒層は、サイクリックボルタンメトリー実験により、飽和カロメル電極を用いて測定された酸化還元電位（ＯＲＰ）が４３０ｍＶ以上である白金含有燃料電池用触媒を用いたことを特徴とする燃料電池。 - 前記酸化還元電位が４３０ｍＶ乃至５６０ｍＶであることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。
- 前記白金は３０乃至１５０Åの平均粒径を有することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。
- 前記サイクリックボルタンメトリー実験は硫酸水溶液中で実施することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。
- 前記触媒は、白金を４００℃以上の温度で熱処理して製造されたものであることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。
- 前記触媒は、白金を４００乃至１５００℃の温度で熱処理して製造されたものであることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池。
- 前記熱処理工程は還元雰囲気下で実施することを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池。
- 前記還元雰囲気は、窒素、水素又はこれらの混合ガス雰囲気であることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池。
- 前記熱処理工程は１乃至５時間実施することを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR2004-032963 | 2004-05-11 | ||
| KR1020040032963A KR100570689B1 (ko) | 2004-05-11 | 2004-05-11 | 연료 전지용 촉매 및 이를 포함하는 연료 전지 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2005327721A true JP2005327721A (ja) | 2005-11-24 |
| JP4937527B2 JP4937527B2 (ja) | 2012-05-23 |
Family
ID=35349820
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2005137751A Active JP4937527B2 (ja) | 2004-05-11 | 2005-05-10 | 燃料電池用白金触媒及びこれを含む燃料電池 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US7931998B2 (ja) |
| JP (1) | JP4937527B2 (ja) |
| KR (1) | KR100570689B1 (ja) |
| CN (1) | CN100341181C (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007136140A1 (ja) * | 2006-05-24 | 2007-11-29 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | 電池用電極触媒の性能評価方法、探索方法、電池用電極触媒及びその電極触媒を用いた燃料電池 |
| JP2009500789A (ja) * | 2005-06-30 | 2009-01-08 | ジーエム・グローバル・テクノロジー・オペレーションズ・インコーポレーテッド | 電圧サイクル耐性触媒 |
| WO2011145225A1 (ja) * | 2010-05-18 | 2011-11-24 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池用触媒の製造方法 |
| JP5562968B2 (ja) * | 2009-09-24 | 2014-07-30 | 株式会社東芝 | 集電部材、発電装置、および発電装置用集電部材の製造方法 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100692917B1 (ko) * | 2006-02-17 | 2007-03-12 | 한국화학연구원 | 연료전지용 촉매 개발을 위한 전기화학 분석장치 및 방법 |
| JP5759695B2 (ja) * | 2010-09-24 | 2015-08-05 | 株式会社キャタラー | 燃料電池用担持触媒の製造方法 |
| JP5384543B2 (ja) | 2011-03-04 | 2014-01-08 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池システム |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS56155645A (en) * | 1980-05-06 | 1981-12-01 | Hitachi Ltd | Preparation of noble metal catalyst |
| JPS59184463A (ja) * | 1983-04-01 | 1984-10-19 | Hitachi Ltd | 燃料電池 |
| JPS61274747A (ja) * | 1985-05-30 | 1986-12-04 | Hitachi Ltd | 貴金属触媒の製法 |
| JPH01210035A (ja) * | 1988-02-18 | 1989-08-23 | Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk | 白金触媒とその製造方法 |
| JPH06176766A (ja) * | 1992-04-03 | 1994-06-24 | Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk | 白金合金電極触媒及びその製造方法 |
| JPH08117598A (ja) * | 1994-10-19 | 1996-05-14 | Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk | 高分子固体電解質型燃料電池用触媒 |
| JP2000000467A (ja) * | 1998-06-16 | 2000-01-07 | Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk | 高分子固体電解質型燃料電池用触媒の製造方法 |
| JP2000251901A (ja) * | 1999-03-01 | 2000-09-14 | Sanyo Electric Co Ltd | 燃料電池用セル及びこれを用いた燃料電池 |
| JP2003045442A (ja) * | 2001-08-03 | 2003-02-14 | Toyota Motor Corp | 貴金属−卑金属合金系触媒とその評価および製造方法 |
| JP2004510316A (ja) * | 2000-09-29 | 2004-04-02 | ジョエル ビー．クリスティアン | タングステン含有燃料電池触媒及びその製造方法 |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4822699A (en) * | 1982-12-20 | 1989-04-18 | Engelhard Corporation | Electrocatalyst and fuel cell electrode using the same |
| US4447506A (en) * | 1983-01-17 | 1984-05-08 | United Technologies Corporation | Ternary fuel cell catalysts containing platinum, cobalt and chromium |
| US20010022960A1 (en) * | 2000-01-12 | 2001-09-20 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | Hydrogen generating method and hydrogen generating apparatus |
| JP2002042825A (ja) | 2000-05-18 | 2002-02-08 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 燃料電池用電極触媒、その製造方法および燃料電池 |
| JP2002015745A (ja) | 2000-06-28 | 2002-01-18 | Asahi Glass Co Ltd | 固体高分子型燃料電池 |
| EP1357618A1 (en) * | 2001-03-08 | 2003-10-29 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Polymer electrolyte type fuel cell |
| JP4801284B2 (ja) | 2001-07-03 | 2011-10-26 | 富士電機株式会社 | ガス供給ラインの圧力制御方法 |
| JP4963147B2 (ja) | 2001-09-17 | 2012-06-27 | 株式会社豊田中央研究所 | 燃料電池用電極触媒体およびその製造方法 |
| CN1262030C (zh) * | 2002-09-28 | 2006-06-28 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 含助催化元素的铂/碳电催化剂及其制备方法 |
-
2004
- 2004-05-11 KR KR1020040032963A patent/KR100570689B1/ko active IP Right Grant
-
2005
- 2005-05-10 US US11/127,043 patent/US7931998B2/en active Active
- 2005-05-10 JP JP2005137751A patent/JP4937527B2/ja active Active
- 2005-05-11 CN CNB2005100702221A patent/CN100341181C/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS56155645A (en) * | 1980-05-06 | 1981-12-01 | Hitachi Ltd | Preparation of noble metal catalyst |
| JPS59184463A (ja) * | 1983-04-01 | 1984-10-19 | Hitachi Ltd | 燃料電池 |
| JPS61274747A (ja) * | 1985-05-30 | 1986-12-04 | Hitachi Ltd | 貴金属触媒の製法 |
| JPH01210035A (ja) * | 1988-02-18 | 1989-08-23 | Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk | 白金触媒とその製造方法 |
| JPH06176766A (ja) * | 1992-04-03 | 1994-06-24 | Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk | 白金合金電極触媒及びその製造方法 |
| JPH08117598A (ja) * | 1994-10-19 | 1996-05-14 | Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk | 高分子固体電解質型燃料電池用触媒 |
| JP2000000467A (ja) * | 1998-06-16 | 2000-01-07 | Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk | 高分子固体電解質型燃料電池用触媒の製造方法 |
| JP2000251901A (ja) * | 1999-03-01 | 2000-09-14 | Sanyo Electric Co Ltd | 燃料電池用セル及びこれを用いた燃料電池 |
| JP2004510316A (ja) * | 2000-09-29 | 2004-04-02 | ジョエル ビー．クリスティアン | タングステン含有燃料電池触媒及びその製造方法 |
| JP2003045442A (ja) * | 2001-08-03 | 2003-02-14 | Toyota Motor Corp | 貴金属−卑金属合金系触媒とその評価および製造方法 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009500789A (ja) * | 2005-06-30 | 2009-01-08 | ジーエム・グローバル・テクノロジー・オペレーションズ・インコーポレーテッド | 電圧サイクル耐性触媒 |
| WO2007136140A1 (ja) * | 2006-05-24 | 2007-11-29 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | 電池用電極触媒の性能評価方法、探索方法、電池用電極触媒及びその電極触媒を用いた燃料電池 |
| JP5562968B2 (ja) * | 2009-09-24 | 2014-07-30 | 株式会社東芝 | 集電部材、発電装置、および発電装置用集電部材の製造方法 |
| WO2011145225A1 (ja) * | 2010-05-18 | 2011-11-24 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池用触媒の製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR100570689B1 (ko) | 2006-04-12 |
| CN1697221A (zh) | 2005-11-16 |
| CN100341181C (zh) | 2007-10-03 |
| KR20050108434A (ko) | 2005-11-16 |
| US20050260483A1 (en) | 2005-11-24 |
| US7931998B2 (en) | 2011-04-26 |
| JP4937527B2 (ja) | 2012-05-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3936702B2 (ja) | 直接メタノール燃料電池のカソード用触媒 | |
| Yi et al. | Carbon supported Pt–Sn nanoparticles as anode catalyst for direct borohydride–hydrogen peroxide fuel cell: Electrocatalysis and fuel cell performance | |
| JP3643552B2 (ja) | 高分子固体電解質形燃料電池の空気極用触媒及び該触媒の製造方法 | |
| JPWO2007119640A1 (ja) | 燃料電池用電極触媒及びその製造方法 | |
| JP4937527B2 (ja) | 燃料電池用白金触媒及びこれを含む燃料電池 | |
| JP2007250274A (ja) | 貴金属利用効率を向上させた燃料電池用電極触媒、その製造方法、及びこれを備えた固体高分子型燃料電池 | |
| JP4207120B2 (ja) | 触媒電極並びに電気化学デバイス | |
| JP2006210135A (ja) | 触媒電極材料、触媒電極、及びこれらの製造方法、電極触媒用の担体材料、並びに電気化学デバイス | |
| WO2020059504A1 (ja) | 燃料電池用アノード触媒層及びそれを用いた燃料電池 | |
| WO2020059503A1 (ja) | 燃料電池用アノード触媒層及びそれを用いた燃料電池 | |
| KR102422340B1 (ko) | 연료전지용 촉매 및 이의 제조방법 | |
| JP2005005257A (ja) | 燃料電池用空気極触媒及びその製造方法 | |
| JP2008041498A (ja) | 固体高分子形燃料電池用触媒担持体の製造方法および固体高分子形燃料電池 | |
| JP2004172107A (ja) | 燃料電池用電極触媒及びその製造方法 | |
| WO2020059502A1 (ja) | 燃料電池用アノード触媒層及びそれを用いた燃料電池 | |
| JP4806623B2 (ja) | 燃料電池用燃料組成物及びこれを利用した燃料電池 | |
| JP5058805B2 (ja) | 貴金属微粒子の製造方法 | |
| JP2006179427A (ja) | 燃料電池用電極触媒及び燃料電池 | |
| US7825057B2 (en) | Method for preparing the mixed electrode catalyst materials for a PEM fuel cell | |
| JP2005135671A (ja) | 燃料電池用電極 | |
| KR100551034B1 (ko) | 연료전지용 촉매 및 그 제조방법과 이를 포함하는연료전지 시스템 | |
| JP4532020B2 (ja) | 液体燃料直接供給型燃料電池に用いる燃料極とその製造方法 | |
| KR20050102452A (ko) | 연료 전지용 촉매 및 이를 포함하는 연료 전지 | |
| JP2009070673A (ja) | 固体高分子形燃料電池用触媒及び固体高分子形燃料電池用電極 | |
| WO2020059501A1 (ja) | 燃料電池用アノード触媒層及びそれを用いた燃料電池 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20081027 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20081104 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090204 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100413 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100709 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20110531 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110930 |
|
| A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20111122 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120124 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120222 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150302 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4937527 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |