JP2016507869A - 燃料電池の触媒処理 - Google Patents

Abstract

一実施例によれば、燃料セルコンポーネントの触媒の作成方法が、触媒粒子をクエン酸中に浸漬することを含む。次いでそれらの触媒粒子は、クエン酸中に浸漬された後に洗浄される。触媒粒子は、洗浄された後に乾燥される。必要に応じて、前処理された触媒粒子を燃料セルコンポーネントの製造に用いられる触媒インク中に混合させてもよい。

Description

燃料電池は電気を発生させるために電気化学反応を利用する。燃料電池の重要な側面の一つは、触媒の効率である。電流密度などの燃料電池性能は、触媒が所望のようにすなわち最適条件で機能できない場合に、悪影響を受けうる。燃料電池の触媒性能を向上させるさまざまな提案がなされている。

燃料電池性能に関連する別の問題は、水の管理に関連している。例えば、特に低い作動温度での過飽和状態は、燃料電池性能を低下させる傾向がある。燃料セルの膜の乾燥は、性能が最適条件に満たない別の一因である。

一実施例によれば、燃料セルコンポーネントの触媒の作成方法が、触媒粒子をクエン酸中に浸漬することを含む。次いでそれらの触媒粒子は、クエン酸中に浸漬された後に洗浄される。

一実施例によれば、触媒粒子は、洗浄された後に乾燥される。必要に応じて、それらの前処理された触媒粒子を燃料セルコンポーネントの製造に用いられる触媒インク中に混合させてもよい。

開示される例の様々な特徴および利点は、以下の詳細な説明から当業者にとって明らかとなるであろう。発明の詳細な説明に付随する図面を、以下の通り簡潔に説明することができる。

燃料セルコンポーネントに有用な触媒の一例の処理方法の概略図。 本発明の実施例に従って処理された触媒を含む、一例の燃料セルコンポーネントの性能特性を示すグラフ。 本発明の実施例に従って処理された触媒を含む、一例の燃料セルコンポーネントの別の性能特性を示すグラフ。 本発明の実施例に従って処理された触媒を含む、一例の燃料セルコンポーネントの別の性能特性を示すグラフ。

図１は、膜電極アセンブリに含まれる触媒層などの、燃料セルコンポーネントの形成に有用な触媒の前処理の方法２０を概略的に示す。触媒粒子２２が容器２６中で水２４と混合される。一例では、触媒粒子２２は市販の白金ベースの触媒粒子である。例えば、Ｐｔ／Ｃ触媒粒子は、一例の実施例に含まれる。

クエン酸３０が別の容器３４中で水３２に溶解される。容器３４からのクエン酸とともに追加の水３６が容器２６に加えられる。一例では、約１ｇの２０％Ｐｔ／Ｃ触媒が容器２６中で４００ｍｌの水と混合され、約７．５ｇのクエン酸が容器３４中で２００ｍｌの水に溶解され、さらに１００ｍｌの水３６が加えられて、符号３８で示すように容器２６中で混合物が生成される。

触媒粒子２２、クエン酸３０、および水３６を含む、容器２６内の混合物が攪拌装置４０を用いて攪拌される。一例は、約２時間、混合物を攪拌することを含む。

所望の攪拌時間後、混合物が符号４２で濾過され、触媒粒子が洗浄される。例えば、容器２６からの最初の混合物が濾過されて、触媒粒子を分離する。次いでそれらの粒子が水浴に配置され、約３０分間、攪拌される。それらの混合物が次いで濾過され、別の水浴内で洗浄され、その水浴はさらに３０分間、攪拌される。その濾過および洗浄処理は、数回繰り返されてもよく、一例では４回続けて行われる。

洗浄が完了したのち、触媒が符号４４において乾燥される。一例では、触媒粒子を減圧中で、約５０°Ｃの温度を用いたオーブン内で乾燥させることを含む。触媒粒子の乾燥は一例では約３日間に亘って行われる。

クエン酸で処理された触媒粒子がひとたび乾燥すると、それらがふるいにかけられて触媒粉末にされ、触媒インクに配合される。次いで燃料セルコンポーネントを構築するように触媒インクが周知のように使用される。図１に示す一例の処理によりクエン酸で前処理された触媒粒子を含む、触媒インクで作られた一例の燃料セルコンポーネントは、電極の触媒層である。

開示の処理を用いて触媒を前処理することにより、燃料電池性能が向上する。図２は、触媒層などの少なくとも一つの燃料セルコンポーネント中の前処理された触媒を含む、燃料セルの性能特性のグラフによる説明図５０を含む。図２は、例えば図１に概略的に示された処理を用いて前処理されていない２０％Ｐｔ／Ｃ触媒などの触媒を含む、燃料電池の性能を示す第１のプロット５２を含む。もう一つのプロット５４は、クエン酸で前処理された触媒を用いた、電流密度に関する燃料電池性能を示す。図２からも明らかなように、クエン酸で前処理されていない触媒に比較して前処理された触媒を用いた場合、所与のセル電圧においてより高い電流密度が実現される。

図３は、別の性能特性のグラフによる説明図６０を含む。冷却剤の様々な出口温度におけるセル電圧の第１のプロット６２は、選択された電流レベルにおける標準的な触媒を用いた性能を示す。第２のプロット６４は、前処理された触媒を用いた同じ電流レベルにおけるセル性能を示す。温度が上昇するに従い、燃料セルは乾燥する傾向にある。曲線６４を曲線６２と比較することにより見られる性能の向上は、クエン酸で前処理された触媒を使用することにより、高温における燃料セル内の乾燥量を減少させる傾向があることを示している。これにより、性能の向上である、セル電圧の増加がもたらされる。

図３は、プロット６２を構築するのに用いられる電流レベルに比較して相対的に高い電流レベルにおける冷却剤の様々な出口温度でのセル電圧の別のプロット６６を含む。プロット６６は、標準的な触媒を有する燃料セルに対応する。比較されるプロット６８は、クエン酸で前処理された触媒を用いた同じ電流レベルの性能を示す。さらにまた、プロット６８は、プロット６６に比較した性能の向上を示しており、これは前処理された触媒が、より高い温度においてそれに関連したセルの乾燥量を低下させることを示している。別のプロット７０は、第３の、より高い電流レベルにおける標準的な触媒の性能を示す。プロット７２は、同じ第３の電流レベルにおける前処理された触媒を用いた性能を示す。図３に示す各場合において、前処理された触媒が標準的な触媒に比べて性能の向上を示した。

図４は、セル電圧と電流密度を比較したグラフによる説明図８０を示す（例えば、別の性能特性）。３つのプロット８２，８４，８６は全て前処理された触媒を含む燃料セルの性能レベルを示す。プロットの各々は、異なる作動温度に対応する。図からも明らかなように、プロット８２，８４，８６の間には僅かな違いしか存在しない。図４は、クエン酸で前処理された触媒を用いることにより、作動温度に対する燃料セル性能の感受性が低減されることを示す。これにより湿潤条件下での関連する燃料セル性能の向上がもたらされる。

図１に概略的に示すとともに上述したような方法を用いた、触媒のクエン酸による前処理には種々の側面が存在する。一つの側面は、性能の向上は予期しない結果であるということである。上記のように、触媒をクエン酸で前処理することにより、非常に冷たい、飽和状態を含む様々な作動条件下で驚くほどの性能の向上をもたらす。

前処理された触媒を用いた別の側面は、湿潤条件の向上と、乾燥条件の向上との間にトレードオフが存在しないことである。図４に示すように、その性能は相対的に温度の影響を受けない。それにより湿潤条件下での向上が可能となる。図３に示すように、乾燥条件下での向上が見られる。触媒性能の向上を図るための従来のアプローチは、通常、湿潤条件と乾燥条件との間のトレードオフを伴っていた。一部のアプローチは湿潤条件下での幾分かの向上をもたらし、また別のアプローチは乾燥条件下での幾分かの向上をもたらすが、両方の条件下での向上の実現は可能であると考えられていなかった。本発明の実施例によるクエン酸の前処理を用いることにより、あらゆるトレードオフ無しに両方の条件下での性能の向上を提供する。

図２〜４に示す性能向上は、クエン酸が、燃料電池の電極の構築のために用いられる触媒インク中における、触媒粉末の効果的な分散を容易にする界面活性剤としての役割を果たすことに起因する。触媒インク中の触媒粉末の効果的な分散は、触媒の凝集を低下させやすくし、より薄いイオノマフィルムの実現を可能にする。こうした特徴により、燃料電池性能が向上される。

クエン酸による前処理が（触媒層の構築に用いられる）炭素担体の表面機能性を変化させる。炭素担体の表面機能性を変化させることにより、触媒インク中での効果的な分散を促進する。炭素担体の表面機能性に対する変化はまた、局所的な水管理の向上を促進する。

触媒のクエン酸による前処理の別の側面は、クエン酸が、性能を阻害する性質を有するその他の汚染物質を除去しうることである。クエン酸はまた、さもなければ触媒層中のアイオノマの抵抗を増加させうる遊離白金イオン（例えばＰｔ²⁺）を除去する。

触媒のクエン酸による前処理に関連する別の想定される側面は、粒子の欠陥を除去するように白金粒子を分解および再分配することを含み、それにより、より多くの活性部位を有するより均一な粒子形状がもたらされる。

さらに、より均一な粒径の分布の実現が可能であり、より小さい凝集粒子やより優れた触媒インクの混合がもたらされる。

クエン酸を用いた触媒の前処理に関連する改良されたセル性能により、ある一定の温度条件下や所望の水管理下における性能損失などの、性能に関する問題に対処する。

上記の記載は本質的に限定的なものではなく例示に過ぎない。本発明の真意を逸脱することなく開示の実施例に対する変形や修正が当業者にとって明らかとなるであろう。本発明に付与される法的保護の範囲は以下の特許請求の範囲を検討することによってのみ決定することができる。

Claims (20)

1. 燃料セルコンポーネントの触媒の作成方法であって、
   触媒粒子をクエン酸中に浸漬し、
   前記浸漬後に、前記触媒粒子を洗浄する、
   ステップを備えた触媒の作成方法。
2. 前記浸漬が、
   前記触媒粒子を液体と混合し、
   前記液体に前記クエン酸を加える、
   ことを備えることを特徴とする請求項１に記載の触媒の作成方法。
3. 前記液体が、水を備えることを特徴とする請求項２に記載の触媒の作成方法。
4. 前記浸漬が、
   前記触媒粒子を前記水の第１の部分と混合し、
   前記クエン酸を前記水の第２の部分に溶解させ、
   前記水の第１の部分と第２の部分とを混合させる、
   ことを備えることを特徴とする請求項３に記載の触媒の作成方法。
5. 第１の量の前記触媒粒子を加え、
   前記第１の量よりも多い、第２の量の前記クエン酸を加える、
   ことを備えることを特徴とする請求項１に記載の触媒の作成方法。
6. 前記洗浄が、
   前記触媒粒子を濾過し、
   前記濾過した触媒粒子を水で洗浄する、
   ことを備えることを特徴とする請求項１に記載の触媒の作成方法。
7. 前記濾過と、前記水での洗浄と、を複数回繰り返すことを備えることを特徴とする請求項６に記載の触媒の作成方法。
8. 前記洗浄した触媒粒子を乾燥させ、
   前記乾燥させた触媒粒子を用いて触媒インクを作成することを備えることを特徴とする請求項１に記載の触媒の作成方法。
9. 前記乾燥が、
   前記触媒粒子を５０°Ｃの温度で３日間、加熱することを備えることを特徴とする請求項８に記載の触媒の作成方法。
10. 前記触媒粒子と、前記クエン酸と、水と、の混合物を作成し、
    前記混合物を攪拌し、
    前記混合物から前記触媒粒子を除去し、
    前記除去した触媒粒子を洗浄し、
    前記洗浄した触媒粒子を乾燥させる、
    ことを備えることを特徴とする請求項１に記載の触媒の作成方法。
11. 触媒粒子をクエン酸中に浸漬し、
    前記浸漬後に、前記触媒粒子を洗浄する、
    ステップを備えた方法によって作成された、触媒。
12. 前記浸漬が、
    前記触媒粒子を液体と混合し、
    前記液体に前記クエン酸を加える、
    ことを備えることを特徴とする請求項１１に記載の触媒。
13. 前記液体が、水を備えることを特徴とする請求項１２に記載の触媒。
14. 前記浸漬が、
    前記触媒粒子を前記水の第１の部分と混合し、
    前記クエン酸を前記水の第２の部分に溶解させ、
    前記水の第１の部分と第２の部分とを混合させる、
    ことを備えることを特徴とする請求項１３に記載の触媒。
15. 前記方法が、
    第１の量の前記触媒粒子を加え、
    前記第１の量よりも５倍多い、第２の量の前記クエン酸を加える、
    ことを備えることを特徴とする請求項１１に記載の触媒。
16. 前記洗浄が、
    前記触媒粒子を濾過し、
    前記濾過した触媒粒子を水で洗浄する、
    ことを備えることを特徴とする請求項１１に記載の触媒。
17. 前記方法が、
    前記濾過と、前記水での洗浄と、を複数回繰り返すことを備えることを特徴とする請求項１６に記載の触媒。
18. 前記方法が、
    前記洗浄した触媒粒子を乾燥させ、
    前記乾燥させた触媒粒子を用いて触媒インクを作成することを備えることを特徴とする請求項１１に記載の触媒。
19. 前記乾燥が、
    前記触媒粒子を５０°Ｃの温度で３日間、加熱することを備えることを特徴とする請求項１８に記載の触媒。
20. 前記方法が、
    前記触媒粒子と、前記クエン酸と、水と、の混合物を作成し、
    前記混合物を攪拌し、
    前記混合物から前記触媒粒子を除去し、
    前記除去した触媒粒子を洗浄し、
    前記洗浄した触媒粒子を乾燥させる、
    ことを備えることを特徴とする請求項１１に記載の触媒。

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