JP2016062857A - 触媒層、その製造方法、膜電極接合体および電気化学セル - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の一の態様によれば、貴金属を含む2以上の貴金属含有層22と、貴金属含有層22間に配置された多孔質セラミックス層23とを備え、貴金属含有層22と多孔質セラミックス層23との間に空隙24が存在することを特徴とする、触媒層15が提供される。
【選択図】図2
Description
以下、本発明の第1の実施形態に係る触媒層、その製造方法、膜電極接合体および電気化学セルについて、図面を参照しながら説明する。図1は、本実施形態に係る膜電極接合体の概略構成図であり、図2は本実施形態に係る第2の触媒層の概略構成図であり、図3は本実施形態に係る触媒層の走査型透過電子顕微鏡による観察像を示す図であり、図4は本実施形態に係る触媒層の模式的な製造工程図であり、図5は本実施形態に係る電気化学セルの一例の概略構成図である。
図1に示される膜電極接合体(以下、「MEA」と称する。)10は、離間し、かつ対向して配置された一対の電極11、12と、電極11、12間に配置された電解質膜13とを備えている。
電解質膜13は、例えば、プロトン伝導性を有する電解質を含んでいる。電解質膜13は、電極11に供給された燃料に由来する水素イオンを、電極12に伝導する機能を有する。プロトン伝導性を有する電解質としては、例えばスルホン酸基を有するフッ素樹脂(例えば、ナフィオン(登録商標)(デュポン社製)、フレミオン(登録商標)(旭化成社製)、およびアシブレック(旭硝子社製)など)や、タングステン酸やリンタングステン酸などの無機物を使用することができる。
電極11、12は、それぞれ、電解質膜13に接する触媒層14、15と、触媒層14、15上に積層されたガス拡散層16、17とを含んでいる。MEA10が燃料電池に使用される場合、電極11がアノードであり、電極12がカソードである。アノードには水素が供給され、カソードには酸素が供給される。
ガス拡散層16、17は、ガス拡散性と導電性が十分であればよい。ガス拡散層16、17としては、カーボンペーパー、カーボンクロス、金属フェルト、不織布などが挙げられる。ガス拡散層16、17は、好ましくは、撥水剤を含む。撥水剤は、例えば、ガス拡散層7、8の撥水性を高め、フラッディング現象が起こるのを防ぐ。撥水剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系高分子材料が挙げられる。PEFCの場合は、撥水度(ガス拡散層における撥水剤の重量パーセント)については一般的に2重量%以上30重量%以下が好ましい。なお、ガス拡散層と触媒層との間にマイクロポラース層を設けることによってPEFCの特性を改善することが可能であり、マイクロポラース層の厚みは1以上50μm以下が好ましく、2μm以上30μm以下がより好ましい。また、マイクロポラース層の空孔率と撥水度または親水度(マイクロポラース層における撥水剤または親水剤の重量パーセント)を調整することによってPEFCの特性またはロバスト性を向上させることが可能である。親水剤としては親水性の材料であれば良い。親水剤としては、例えば、親水基をもつ有機材料またはSiO2、Al2O3、TiO2などのセラミックス材料が挙げられる。
触媒層14、15は、触媒材料を含む。触媒材料は、例えば、Pt、Ru、Rh、Os、Ir、PdおよびAuなどの貴金属元素からなる群から選択される少なくとも1種を含む。このような触媒材料は、触媒活性、導電性および安定性に優れている。前述の金属は、酸化物として用いることもでき、2種以上の金属を含む複合酸化物または混合酸化物であってもよい。
貴金属含有層22は、貴金属を含む層である。貴金属含有層22は、担体を含まない層であることが好ましい。
上述したように、多孔質セラミックス層23は空孔を有し、かつ隣り合う貴金属含有層22の間に存在している。多孔質セラミックス層23の空孔率が20体積%以上80体積%以下であることが好ましく、30体積%以上80体積%以下であることがより好ましい。多孔質セラミックス層23の空孔率をこの範囲にしたのは、空孔率が20体積%未満であると、多孔質セラミックス層の水制御能力が不十分であり、高電流密度における電気化学セル特性が不安定になる場合が多く、また空孔率が80体積%を超えると、電気化学セルの耐久性は低下する場合があり、多孔質セラミックス層の構造安定性が不十分となるおそれがあるからである。多孔質セラミックス層の空孔率は以下のようにして求めるものとする。まず、SEMによる断面観察により、多孔質セラミックス層の空孔の面積(SC1)と多孔質セラミックス層のセラミックス部分の面積(SC2)を求め、次いで、これらの総和(SC1+SC2)に対する面積の比(SC1/(SC1+SC2))を求める。本実施形態においては、この面積比を体積比とみなす。例えば、面積比が20面積%の場合には、20体積%とする。
このような触媒層は、貴金属含有層を形成する工程(S01)と、前記貴金属含有層上に造孔材層を形成する工程(S02)と、前記造孔材層上に造孔材を含む造孔材含有セラミックス層を形成する工程(S03)とをこの順序で2回以上繰り返して、出発積層体を得る工程(S04)と、前記出発積層体から前記造孔材含有セラミック層の造孔材および前記造孔材層を除去する工程(S05)とを含む方法によって作製することができる。なお、各工程を繰り返した後に最後に貴金属含有層を形成してもよい。
以下、電気化学セルについて説明するが、ここで示す電気化学セルは、燃料電池における単セルとして説明する。
以下、本発明の第2の実施形態に係る触媒層およびその製造方法について、図面を参照しながら説明する。図6は本実施形態に係る触媒層の概略構成図であり、図7および図8は本実施形態に係る触媒層の模式的な製造工程図である。
第1の実施形態では図2の構造を有する触媒層15を用いているが、本実施形態では触媒層15の代わりに、図4に示される構造を有する触媒層40を用いる。なお、触媒層40は、第1の実施形態と同様にMEA10や単セル30に組み込まれて使用される。
このような触媒層は、貴金属含有層を形成する工程(S21)と、前記貴金属含有層上に炭素合成触媒層を形成する工程(S22)と、前記炭素合成触媒層上に造孔材層を形成する工程(S23)と、前記造孔材層上に造孔材を含む造孔材含有セラミックス層を形成する工程(S24)と、前記造孔材含有セラミックス層上に炭素合成触媒層を形成する工程(S25)と、前記炭素合成触媒層上に造孔材層を形成する工程(S26)と、貴金属含有層を形成する工程(S21)から前記造孔材含有セラミックス層上に炭素合成触媒層を形成する工程(S25)までをこの順序で2回以上繰り返して、出発積層体を得る工程(S27)と、前記出発積層体から前記造孔材層および前記造孔材含有セラミック層の造孔材を除去する工程(S28)と、造孔材層の除去によって形成された空隙に炭素を含むガスを用いて炭素合成触媒層上に繊維状炭素を形成する工程(S29)と、繊維状炭素を形成した後、炭素合成触媒を除去する工程(S30)とを含む方法によって作製することができる。なお、各工程を繰り返した後に最後に貴金属含有層を形成してもよい。
まず、基板として、表面に厚さ1〜50μmの炭素層を有するカーボンペーパーToray060(東レ社製)を用意した。この基板上に、スパッタリング法により貴金属含有セラミックス層を形成した。さらに、貴金属含有層上にスパッタリング法により造孔材層、造孔材含有セラミックス層、および造孔材層を順次形成した。そして、触媒ローディング量が0.1mg/cm2になるように各層をさらに順次形成して、出発積層体を得た。なお、触媒ローディング量は、電極面積が1cm2当たりの触媒(貴金属)の量を表わす。得られた出発積層体を、60〜100℃の0.5Mの硫酸水溶液に12時間浸漬して、出発積層体に酸処理を施し、出発積層体から造孔材含有セラミックス層および造孔材層を除去した。この酸処理を2回繰り返した後、純水で洗浄した。最後に、得られた積層体を60℃〜100℃で乾燥させて実施例1〜4に係る触媒層を得た。なお、貴金属含有層、造孔材層、多孔質セラミックス層の組成、厚み、空孔率等は、表1に示されるものであった。
まず、基板として、表面に厚さ1〜50μmの炭素層を有するカーボンペーパーToray060(東レ社製)を用意した。この基板上に、スパッタリング法により貴金属含有層を形成した。さらに、貴金属含有層上にスパッタリング法により炭素合成触媒層、造孔材層、造孔材含有セラミックス層、および造孔材層を順次形成した。そして、触媒ローディング量が0.1mg/cm2になるように各層をさらに順次形成して、出発積層体を得た。得られた出発積層体を、60〜100℃のNaOH水溶液(pH:10〜14)に30分浸漬して、出発積層体にアルカリ処理を施し、出発積層体から造孔材含有セラミックス層の造孔材および造孔材層を除去した。このアルカリ処理を2回繰り返した後、純水で洗浄し、得られた積層体を乾燥させて含空隙積層体を得た。
比較例1においては、多孔質セラミックス層を設けなかったこと以外、実施例1と同様の手法によって、触媒層を作製した。なお、比較例1に係る貴金属含有層の組成等は、表1に示されるものであった。
市販の粒子状Pt触媒(田中貴金属社製、型番TEC10E50E−HT)2g、純水5g、20%ナフィオン(デュポン社製)溶液5g、および2−エトキシエタノール20gを混合した。得られた混合物を十分に攪拌して、分散させて、スラリーを作製した。撥水処理したカーボンペーパー(350μm、東レ社製)を用意し、この上に、コトロールコータにより上記スラリーを塗布し、乾燥させた。これによって、Pt触媒のローディング密度0.1mg/cm2のPt触媒層(標準電極)を得た。
得られたMEAをアノードセパレータおよびカソードセパレータでそれぞれ挟んで、高分子電解質型燃料電池の単セルを作製した。アノードセパレータおよびカソードセパレータのそれぞれには、流路が設けられている。
実施例1〜8および比較例1で得られた触媒層を切断した。例えば、触媒層が矩形の場合には、その短辺の中心を長辺に平行に切断した。また、比較例2の触媒層も同様に切断した。それぞれの触媒層について、切断面の中央の位置をSEMにより観察した。
得られた単セルに対して、一日コンディショニングを行った。その後、65℃に維持し、アノードに燃料として水素を供給するとともにカソードに空気を供給した。水素の流量は0.5L/minとし、空気の流量は2L/minとした。水素および空気の相対湿度は、いずれも60%であった。水素および空気の供給とともに、1A/cm2の電流密度で電流を放電させて、10分後のセル電圧(VC)を測定した。
ΔVC≦25mV:ロバスト性A
25<ΔVC≦50mV:ロバスト性B
ΔVC>50mV:ロバスト性C
以下の耐久性プロトコルに従って、耐久性を評価した。アノードに水素を流量0.2L/minで供給するとともに、カソードに窒素を流量1L/minで供給しながら、単セルを65℃に維持した。水素および窒素の相対湿度は、いずれも100%とした。この状態で、セル電圧0.6Vに3秒間を保持した後、1.0Vに3秒間を保持して、1サイクルとする。このサイクルを、合計30,000サイクル繰り返した。その後、65℃に維持し、アノードに燃料として水素を流量0.5L/minで供給するとともに、カソードに空気を流量2L/minで供給し、水素および空気の相対湿度は、いずれも60%であった。1A/cm2の電流密度で電流を放電させ、10分後のセル電圧(V1)を測定した。耐久性評価前のセル電圧(VC)と比較して低下率(100×(VC−V1)/VC)を求めた。低下率に応じて、以下のように耐久性を評価した。なお、耐久性は、AAまたはAであれば合格レベルとする。
5%以下:AA
5%超10%以下:A
10%超20%未満:B
20%超:C
Claims (11)
- 貴金属を含む2以上の貴金属含有層と、
前記貴金属含有層間に配置された多孔質セラミックス層とを備え、
前記貴金属含有層と前記多孔質セラミックス層との間に空隙が存在することを特徴とする、触媒層。 - 前記貴金属含有層と前記多孔質セラミックス層との間に配置された繊維状炭素をさらに含む、請求項1に記載の触媒層。
- 前記貴金属含有層と前記多孔質セラミックス層との最大距離が10nm以上300nm以下である、請求項1または2に記載の触媒層。
- 前記貴金属含有層が当該貴金属含有層の内部に空孔を有し、かつ前記貴金属含有層の空孔率が20体積%以上80体積%以下である、請求項1ないし3のいずれか一項に記載の触媒層。
- 前記多孔質セラミックス層が当該多孔質セラミックス層の内部に空孔を有し、かつ前記多孔質セラミックス層の空孔率が20体積%以上80体積%以下である、請求項1ないし4のいずれか一項に記載の触媒層。
- 前記多孔質セラミックス層の膜厚が5nm以上100nm以下である、請求項1ないし5のいずれか一項に記載の触媒層。
- 前記多孔質セラミックス層が、Ru、Ta、Sn、Zr、WおよびNbから選択される少なくとも1種以上の元素を含む、請求項1ないし6のいずれか一項に記載の触媒層。
- 貴金属を含む貴金属含有層を形成する工程と、前記貴金属含有層上に造孔材層を形成する工程と、前記造孔材層上に造孔材を含む造孔材含有セラミックス層を形成する工程とをこの順番で2回以上繰り返す工程と、
前記造孔材層および前記造孔材含有セラミックス層中の前記造孔剤を除去する工程と
を備える、触媒層の製造方法。 - 貴金属を含む貴金属含有層を形成する工程と、前記貴金属含有層上に造孔材層を形成する工程と、前記造孔材層上に多孔質セラミックス層を形成する工程とをこの順番で2回以上繰り返す工程と、
前記造孔材層を除去する工程と
を備える、触媒層の製造方法。 - 離間し、かつ対向して配置された一対の電極と、
前記一対の電極間に配置された電解質膜とを備え、
前記一対の電極の少なくとも一方が、請求項1ないし7のいずれか一項に記載の触媒層を含むことを特徴とする、膜電極接合体。 - 請求項10に記載の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備えることを特徴とする、電気化学セル。
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