JP2017041384A - 電極用触媒の製造方法 - Google Patents
電極用触媒の製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2017041384A JP2017041384A JP2015163165A JP2015163165A JP2017041384A JP 2017041384 A JP2017041384 A JP 2017041384A JP 2015163165 A JP2015163165 A JP 2015163165A JP 2015163165 A JP2015163165 A JP 2015163165A JP 2017041384 A JP2017041384 A JP 2017041384A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode catalyst
- bromine
- electrode
- catalyst
- species
- 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 374
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 143
- WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N Bromine atom Chemical compound [Br] WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 169
- GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N bromine Substances BrBr GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 168
- 229910052794 bromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 168
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 110
- 239000012018 catalyst precursor Substances 0.000 claims abstract description 109
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 88
- 229910021642 ultra pure water Inorganic materials 0.000 claims abstract description 85
- 239000012498 ultrapure water Substances 0.000 claims abstract description 85
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 46
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 claims abstract description 34
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 27
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 15
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 15
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 187
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 108
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 66
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 62
- 238000004876 x-ray fluorescence Methods 0.000 claims description 56
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 45
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 45
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 45
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 44
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 42
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 41
- 239000011258 core-shell material Substances 0.000 claims description 31
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 30
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 29
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 28
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 26
- -1 organic acid salts Chemical class 0.000 claims description 20
- 239000000706 filtrate Substances 0.000 claims description 15
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 11
- 238000007655 standard test method Methods 0.000 claims description 11
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 9
- CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L Sodium Carbonate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]C([O-])=O CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 8
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 8
- CPELXLSAUQHCOX-UHFFFAOYSA-M Bromide Chemical compound [Br-] CPELXLSAUQHCOX-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 7
- 239000004280 Sodium formate Substances 0.000 claims description 6
- BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N methanoic acid Natural products OC=O BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- HLBBKKJFGFRGMU-UHFFFAOYSA-M sodium formate Chemical compound [Na+].[O-]C=O HLBBKKJFGFRGMU-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 6
- 235000019254 sodium formate Nutrition 0.000 claims description 6
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 150000007522 mineralic acids Chemical class 0.000 claims description 4
- 150000007524 organic acids Chemical class 0.000 claims description 4
- 229910000029 sodium carbonate Inorganic materials 0.000 claims description 4
- OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 4-(3-methoxyphenyl)aniline Chemical compound COC1=CC=CC(C=2C=CC(N)=CC=2)=C1 OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-N carbonic acid Chemical compound OC(O)=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 235000019253 formic acid Nutrition 0.000 claims description 3
- 235000005985 organic acids Nutrition 0.000 claims description 3
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 claims description 2
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 claims 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 15
- 241000894007 species Species 0.000 description 136
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 93
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 79
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 43
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 37
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 28
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 27
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 25
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 19
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 19
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 18
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 16
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 15
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 14
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 13
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 13
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 12
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 12
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 12
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 11
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 11
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 11
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 11
- 229920000554 ionomer Polymers 0.000 description 10
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 9
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 9
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 8
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 8
- 150000003841 chloride salts Chemical class 0.000 description 7
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 7
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- 150000002736 metal compounds Chemical class 0.000 description 6
- KGYLMXMMQNTWEM-UHFFFAOYSA-J tetrachloropalladium Chemical compound Cl[Pd](Cl)(Cl)Cl KGYLMXMMQNTWEM-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 6
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 5
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 5
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 5
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N hydron Chemical compound [H+] GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 4
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 4
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 239000003273 ketjen black Substances 0.000 description 4
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 4
- CFQCIHVMOFOCGH-UHFFFAOYSA-N platinum ruthenium Chemical compound [Ru].[Pt] CFQCIHVMOFOCGH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 4
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 4
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- DNIAPMSPPWPWGF-UHFFFAOYSA-N Propylene glycol Chemical compound CC(O)CO DNIAPMSPPWPWGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- QZPSXPBJTPJTSZ-UHFFFAOYSA-N aqua regia Chemical compound Cl.O[N+]([O-])=O QZPSXPBJTPJTSZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 3
- 125000001246 bromo group Chemical group Br* 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- MTHSVFCYNBDYFN-UHFFFAOYSA-N diethylene glycol Chemical compound OCCOCCO MTHSVFCYNBDYFN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 238000010298 pulverizing process Methods 0.000 description 3
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 3
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 3
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 3
- PUPZLCDOIYMWBV-UHFFFAOYSA-N (+/-)-1,3-Butanediol Chemical compound CC(O)CCO PUPZLCDOIYMWBV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 2
- LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N N-Butanol Chemical compound CCCCO LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002844 PtNi Inorganic materials 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 2
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 229940006460 bromide ion Drugs 0.000 description 2
- WERYXYBDKMZEQL-UHFFFAOYSA-N butane-1,4-diol Chemical compound OCCCCO WERYXYBDKMZEQL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 2
- 239000013626 chemical specie Substances 0.000 description 2
- AVMBSRQXOWNFTR-UHFFFAOYSA-N cobalt platinum Chemical compound [Pt][Co][Pt] AVMBSRQXOWNFTR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005695 dehalogenation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000003411 electrode reaction Methods 0.000 description 2
- 229910021397 glassy carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002366 halogen compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 229910001510 metal chloride Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- PCLURTMBFDTLSK-UHFFFAOYSA-N nickel platinum Chemical compound [Ni].[Pt] PCLURTMBFDTLSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- SWELZOZIOHGSPA-UHFFFAOYSA-N palladium silver Chemical compound [Pd].[Ag] SWELZOZIOHGSPA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UUWCBFKLGFQDME-UHFFFAOYSA-N platinum titanium Chemical compound [Ti].[Pt] UUWCBFKLGFQDME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 2
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000002940 repellent Effects 0.000 description 2
- 239000005871 repellent Substances 0.000 description 2
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 2
- 150000005846 sugar alcohols Polymers 0.000 description 2
- 238000004758 underpotential deposition Methods 0.000 description 2
- 238000009681 x-ray fluorescence measurement Methods 0.000 description 2
- 229920003934 Aciplex® Polymers 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 229920003935 Flemion® Polymers 0.000 description 1
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000282320 Panthera leo Species 0.000 description 1
- 229910021124 PdAg Inorganic materials 0.000 description 1
- UWHCKJMYHZGTIT-UHFFFAOYSA-N Tetraethylene glycol, Natural products OCCOCCOCCOCCO UWHCKJMYHZGTIT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005273 aeration Methods 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 150000003842 bromide salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000002843 carboxylic acid group Chemical group 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- XPPWAISRWKKERW-UHFFFAOYSA-N copper palladium Chemical compound [Cu].[Pd] XPPWAISRWKKERW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000365 copper sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- ARUVKPQLZAKDPS-UHFFFAOYSA-L copper(II) sulfate Chemical compound [Cu+2].[O-][S+2]([O-])([O-])[O-] ARUVKPQLZAKDPS-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 1
- 238000000635 electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000002149 energy-dispersive X-ray emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 235000011187 glycerol Nutrition 0.000 description 1
- BBKFSSMUWOMYPI-UHFFFAOYSA-N gold palladium Chemical compound [Pd].[Au] BBKFSSMUWOMYPI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000003100 immobilizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- OCVXZQOKBHXGRU-UHFFFAOYSA-N iodine(1+) Chemical compound [I+] OCVXZQOKBHXGRU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 238000002386 leaching Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- WSFSSNUMVMOOMR-NJFSPNSNSA-N methanone Chemical compound O=[14CH2] WSFSSNUMVMOOMR-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 1
- AHADSRNLHOHMQK-UHFFFAOYSA-N methylidenecopper Chemical compound [Cu].[C] AHADSRNLHOHMQK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZMCCBULBRKMZTH-UHFFFAOYSA-N molybdenum platinum Chemical compound [Mo].[Pt] ZMCCBULBRKMZTH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MOWMLACGTDMJRV-UHFFFAOYSA-N nickel tungsten Chemical compound [Ni].[W] MOWMLACGTDMJRV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- GPNDARIEYHPYAY-UHFFFAOYSA-N palladium(ii) nitrate Chemical compound [Pd+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O GPNDARIEYHPYAY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 150000003058 platinum compounds Chemical class 0.000 description 1
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 1
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 125000000542 sulfonic acid group Chemical group 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N tetrafluoromethane Chemical compound FC(F)(F)F TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
- 238000003828 vacuum filtration Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- 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
-
- 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
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Catalysts (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
【解決手段】担体と、前記担体上に形成されるコア部と、前記コア部の表面の少なくとも一部を覆うように形成されるシェル部と、を含むコア・シェル構造を有する電極用触媒の製造方法であり、工程(1);超純水と、水素を含む気体等の還元剤と、臭素(Br)種を含む材料を使用して製造されており蛍光X線(XRF)分析法により測定される臭素(Br)種の濃度が予め設定された第1の臭素(Br)種の濃度以上の電極用触媒前駆体とを含む液を、予め設定された少なくとも1段階の設定温度でかつ予め設定された保持時間で保持する第1の工程とを含む。
【選択図】図1
Description
従来、PEFC用の電極用触媒について、当該電極用触媒に含まれるハロゲンの中で、塩素含有量が100ppm以上であると、電極用触媒として望ましくないことが開示されている(例えば、特許文献3)。その理由について、電極用触媒に含まれる塩素含有量が100ppm以上であると、燃料電池用の電極用触媒として十分な触媒活性を得ることができないこと、触媒層の腐食が発生し、燃料電池の寿命が短縮してしまうことが開示されている。
このため、特許文献2に記載されたPd/Pt粒子の製造方法は、Pd及びPtを作製する際に使用するイオン交換液として、ハロゲンを含まない化合物をイオン交換液に採用している。特許文献2には、ハロゲンイオンは、電池性能を低下させるため、使用を避けるべきであることが開示されている。また、特許文献2には、脱ハロゲンイオン処理方法として、温水洗浄が例示されている。
上記白金(Pt)又は白金(Pt)合金の粉末の製造方法としては以下の方法が開示されている。すなわち、出発物質として、塩素を含まない白金化合物と塩素を含まない合金化元素の溶融物を形成した後、この溶融物の酸化物を与えるまで加熱し、当該酸化物を冷却後、水に溶解して形成される酸化物を還元するプロセスを経る調製方法が開示されている。
そのため、電極用触媒の開発についても同様の観点からの検討が重要となっており、いわゆるコア・シェル構造を有する電極用触媒(コア・シェル触媒)の検討も行われている(例えば、特許文献4、特許文献5)。このコア・シェル触媒の製造工程においては、原料として金属の塩化物塩が使用される場合が多い。
例えば、特許文献4及び特許文献5にはコア部の構成元素としてパラジウム、シェル部の構成元素として白金を採用した構成のコア・シェル触媒が開示されているが、シェル部の原料として、塩化白金カリウムが例示されている。
このように、コア部の構成元素としてパラジウム、シェル部の構成元素として白金を採用した構成のコア・シェル触媒は、白金(Pt)の塩化物塩、パラジウム(Pd)の塩化物塩などの塩素(Cl)種を含む材料が原料として使用される場合が多い。その理由は、白金(Pt)、パラジウム(Pd)の塩化物塩が入手容易であり、製造条件の中で取扱容易であり、原料コストが比較的低いからであると考えられる。そのため、コア・シェル触媒の場合、十分な触媒活性を発揮させるために、積極的にハロゲン元素(特に塩素)を含まない化合物を出発原料として採択することで対応することは困難である。
しかしながら、比較的簡便な手法により臭素(Br)種の含有量を確実かつ十分に低減することができるコア・シェル構造を有する電極用触媒の製造方法は、これまで十分に検討されておらず、未だ改善の余地があった。
さらに、特許文献2には、電極用触媒の原料としてハロゲン化合物を用い、特に脱ハロゲン処理(洗浄)をしていない場合や電極用触媒の原料としてハロゲン化合物を用いていないで、酸、水洗浄をしたこと場合が開示されているに過ぎない。また、100ppm未満の塩素を含有する白金(Pt)等の粉末を含んだ電極用触媒を製造するためには、特許文献3等に開示された塩素を除去する複雑なプロセスを含んだ電極用触媒の製造方法を採用しなければならないという不都合があった。このように、特許文献1〜6に開示されている電極用触媒の製造方法は、ハロゲン元素が電極内に残留すると電池性能を低下させるという知見を基礎として、実質的には、塩素のみを対象として、塩素の除去そのものを除去することを技術的課題にしているに過ぎないものである。特許文献1〜6に開示されている電極用触媒の製造方法は、いずれも、特定のハロゲン元素に着目して、当該ハロゲン元素を比較的容易かつ効率良く除去するための具体的なプロセスを備えていない。
なお、本発明の電極用触媒の製造方法によって、電極用触媒と、この電極用触媒を含む、ガス拡散電極形成用組成物、ガス拡散電極、膜・電極接合体(MEA)、及び、燃料電池スタックが提供される。
すなわち、本件発明者等は、超純水と還元剤と蛍光X線(XRF)分析法により測定される臭素(Br)種の濃度が比較的高濃度(例えば、1900ppmを超える濃度、更に3000ppm以上の濃度)の電極用触媒前駆体とを含む液を一定条件下において処理することにより、得られる電極用触媒の臭素(Br)種の含有量を確実かつ十分に低減することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
より具体的には、本発明は、以下の技術的事項から構成される。
(1) 担体と、前記担体上に形成されるコア部と、前記コア部の表面の少なくとも一部を覆うように形成されるシェル部と、を含むコア・シェル構造を有する電極用触媒の製造方法であって、
工程(1);超純水と、還元剤と、臭素(Br)種を含む材料を使用して製造されており蛍光X線(XRF)分析法により測定される臭素(Br)種の濃度が予め設定された第1の臭素(Br)種の濃度以上の電極用触媒前駆体と、を含む液を、10℃〜95℃の範囲で予め設定された少なくとも1段階の設定温度でかつ予め設定された保持時間で保持する第1の工程と、
工程(2);前記第1の工程の後に得られた液に超純水を添加して、
前記第1の工程の後に得られた液に含まれる触媒前駆体を超純水に分散させた第1の液を調製する第2の工程と、
工程(3);超純水を用いて、前記第1の液に含まれる触媒前駆体をろ過洗浄して、
洗浄した後に得られるろ液のJIS規格試験法(JIS K0552)により測定される電気伝導率ρが予め設定された第1の設定値以下となるまで洗浄を繰り返し、
前記電気伝導率ρが予め設定された第1の設定値以下となった液に含まれる触媒前駆体を超純水に分散させた第2の液を調製する第3の工程と、
工程(4);前記第2の液を乾燥する工程と、
を含む、電極用触媒の製造方法を提供する。
また、本発明によれば、臭素(Br)種の含有量を確実かつ十分に低減できるので、得られる電極用触媒について、当該臭素(Br)種の影響により発生する触媒活性の低下を十分に防止することが容易にできる。さらに、本発明の製造方法は、電極用触媒の量産化に適しており、製造コストの低減にも適している。
なお、臭素(Br)種の濃度は、電極用触媒に含まれる臭素元素に換算された臭素原子の濃度となっている。
(2) 担体と、前記担体上に形成されるコア部と、前記コア部の表面の少なくとも一部を覆うように形成されるシェル部と、を含むコア・シェル構造を有する電極用触媒の製造方法であって、
工程(1’);超純水と、水素を含む気体と、臭素(Br)種を含む材料を使用して製造されており蛍光X線(XRF)分析法により測定される臭素(Br)種の濃度が予め設定された第1の臭素(Br)種の濃度以上の電極用触媒前駆体と、を含む液を、10℃〜60℃の範囲で予め設定された少なくとも1段階の設定温度でかつ予め設定された保持時間で保持する第1’の工程、を含む、電極用触媒の製造方法を提供する。
本発明の製造方法によれば、超純水に電極用触媒前駆体を分散させた液に、入手容易で取扱いが容易な還元剤として水素を含む気体を溶解させるという比較的簡便な操作により、電極用触媒について臭素(Br)種の含有量を確実かつ十分に低減することができる。
(3)前記第1の臭素(Br)種の濃度が3000ppmである、(1)又は(2)に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。この第1の臭素(Br)種の濃度の数値は、後述する比較例の結果により支持されている。なお、後述する実施例の結果に基づけば、第1の臭素(Br)種の濃度は1900ppmを超える範囲の数値であってもよい。例えば、第1の臭素(Br)種の濃度は3000ppmであってもよい。
以上の観点から、本発明において使用する還元剤は、以下の(4)〜(7)に挙げられる物質であることが好ましい。
(4) 前記還元剤が有機酸及び有機酸塩から選択される少なくとも1種の化合物である、(1)に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
(5) 前記還元剤がギ酸、及びギ酸ナトリウムからなる群より選択される少なくとも1種の化合物である、(1)に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
(6) 前記還元剤が無機酸及び無機酸塩から選択される少なくとも1種の化合物である、(1)に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
(7) 前記還元剤が炭酸、及び炭酸ナトリウムからなる群から選択される少なくとも1種の化合物である、(1)に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
(8) 工程(5); 前記第1の工程の後に得られた分散液、又は前記第1’の工程の後に得られた分散液を乾燥する第5の工程をさらに含む、(1)〜(7)のいずれか1に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
このように、第1の工程の後に得られた分散液(又は、第1’の工程の後に得られた分散液)を第5の工程で一旦乾燥させ、その後に第2の工程において再び超純水に分散させること(いわゆるリスラリー化すること)により、より確実に電極用触媒前駆体に含まれる臭素(Br)種を低減できることを本発明者らは見出した。
本発明者らは、第1の工程、又は、第1’の工程(更にこれに続く第2の工程及び第3の工程)において、電極用触媒前駆体の粉体には、超純水中に分散されて保持されている状態(又はその後に超純水でろ過洗浄されている状態)にあるにもかかわらず、十分に洗浄されていない部分(例えば、粉体の細孔表面のうち、超純水が接触できていない部分)が存在していると考えている。
そして、本発明者らは、第5の工程において、第1の工程の後に得られた分散液(又は、第1’の工程の後に得られた分散液)を一旦乾燥させた上で、得られる電極用触媒前駆体の粉体を超純水を使用してリスラリー化することにより、前の工程で、超純水が接触できなかった部分のうちの少なくとも一部が新たに超純水に接触し洗浄されることになると考えている。
(9) 工程(2);前記第1’の工程の後に得られた液に超純水を添加して、
前記第1’の工程の後に得られた液に含まれる電極用触媒前駆体を超純水に分散させた第1の液を調製する第2の工程と、
工程(3);超純水を用いて、前記第1の液に含まれる電極用触媒前駆体をろ過洗浄して、
洗浄した後に得られるろ液のJIS規格試験法(JIS K0552)により測定される電気伝導率ρが予め設定された第1の設定値以下となるまで洗浄を繰り返し、
前記電気伝導率ρが予め設定された第1の設定値以下となった液に含まれる電極用触媒前駆体を超純水に分散させた第2の液を調製する第3の工程と、
工程(4);前記第2の液を乾燥する工程と、
を更に含む、(2)に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
(10) 前記第1の設定値が100μS/cm以下の範囲から選択される値である(1)又は(9)に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
(11)前記第1の工程、又は前記第1’の工程に供される電極用触媒前駆体が、
工程(P1);臭素(Br)種を含む材料を使用して製造されており、蛍光X線(XRF)分析法により測定される臭素(Br)種の濃度が予め設定された第2の臭素(Br)種の濃度以上の電極用触媒前駆体を、超純水に添加して、前記電極用触媒前駆体を超純水に分散させた第P1の液を調製する第P1の工程と、
工程(P2);超純水を用いて、前記第P1の液に含まれる前記電極用触媒前駆体を洗浄して、洗浄した後に得られるろ液のJIS規格試験法(JIS K0552)により測定される電気伝導率ρが予め設定された第P1の設定値以下となるまで洗浄を繰り返し、得られた電極用触媒前駆体を超純水に分散させて第P2の液を調製する第P2の工程と、
工程(P3);前記第P2の液を乾燥する工程と、
を含む前処理を施されているものである、
(1)〜(10)のいずれか1に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
このように、第P2の工程の後に得られた分散液を第P3工程において一旦乾燥させ、その後に第1の工程(又は第1’の工程)において再び超純水に分散させること(いわゆるリスラリー化すること)により、より確実に電極用触媒前駆体に含まれる臭素(Br)種を低減できることを本発明者らは見出した。
すなわち、第5の工程を経て第1の工程(又は、第1’の工程)を実施する場合の説明で述べたリスラリー化により得られる効果と同じ効果が得られる。
(12) 前記第2の臭素(Br)種の濃度が3000ppmである、(11)に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
(13) 予め設定された第P1の設定値が100μS/cm以下の範囲から選択される値である、(11)に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
(14) 前記シェル部には、白金(Pt)及び白金(Pt)合金のうちの少なくとも1種の金属が含有されており、
前記コア部には、パラジウム(Pd)、パラジウム(Pd)合金、白金(Pt)合金、金(Au)、ニッケル(Ni)、及びニッケル(Ni)合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属が含まれている、
(1)〜(13)いずれか1に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
(15) 前記シェル部を構成する金属の原料として、白金(Pt)臭化物が使用されている、(14)に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
(16) 前記シェル部が、前記コア部の表面の少なくとも一部を覆うように形成される第1シェル部と、当該第1シェル部の表面の少なくとも一部を覆うように形成される第2シェル部と、を有している、
(1)〜(15)のいずれか1に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
前記第2シェル部を構成する金属の原料として、白金(Pt)臭化物が使用されている(16)に記載の電極用触媒の製造方法を提供する。
また、本発明によれば、臭素(Br)種の含有量を確実かつ十分に低減できるので、得られる電極用触媒について、当該臭素(Br)種の影響により発生する触媒活性の低下を十分に防止することが容易にできる。
さらに、本発明によれば、電極用触媒の量産化に適しており、製造コストの低減に適した電極用触媒の製造方法を提供することができる。
なお、本発明の電極用触媒の製造方法によれば、臭素(Br)種の濃度が十分に低減された電極用触媒、当該電極用触媒を含む、ガス拡散電極形成用組成物、ガス拡散電極、膜・電極接合体(MEA)、及び、燃料電池スタックが提供される。
<電極用触媒の製造方法>
本発明の電極用触媒の製造方法は、工程(1);超純水と、還元剤と、臭素(Br)種を含む材料を使用して製造されており蛍光X線(XRF)分析法により測定される臭素(Br)種の濃度が予め設定された第1の臭素(Br)種の濃度以上の電極用触媒前駆体と、を含む液を、10℃〜95℃の範囲で予め設定された少なくとも1段階の設定温度でかつ予め設定された保持時間で保持する第1の工程と、
工程(2);前記第1の工程の後に得られた液に超純水を添加して、
前記第1の工程の後に得られた液に含まれる触媒前駆体を超純水に分散させた第1の液を調製する第2の工程と、
工程(3);超純水を用いて、前記第1の液に含まれる触媒前駆体をろ過洗浄して、
洗浄した後に得られるろ液のJIS規格試験法(JIS K0552)により測定される電気伝導率ρが予め設定された第1の設定値以下となるまで洗浄を繰り返し、
前記電気伝導率ρが予め設定された第1の設定値以下となった液に含まれる触媒前駆体を超純水に分散させた第2の液を調製する第3の工程と、
工程(4);前記第2の液を乾燥する工程と、
を含むことを特徴とする。
本発明の電極用触媒の製造方法は、第1の工程を含む。図1は、第1の工程の好適な一実施形態の各操作を示したフローチャートである。図1に示されるように、第1の工程は、超純水と、還元剤と、蛍光X線(XRF)分析法により測定される第1の臭素(Br)種の濃度が予め設定された所定値(例えば、3000ppm、1900ppm)以上の電極用触媒前駆体とを含む液を10℃〜95℃の範囲内の所定温度(好ましくは20〜90℃の範囲内の所定温度)、所定時間で保持する。第1の工程において、超純水、還元剤、所定の電極用触媒前駆体を含む液を作製する。
なお、第1の工程において、水素を含んだ気体を還元剤として用いた工程を第1’の工程とした。
図2は、第1’の工程の好適な一実施形態の各操作を示したフローチャートである。図2に示されるように、第1’の工程は、超純水と、水素を含む気体と、蛍光X線(XRF)分析法により測定される臭素(Br)種の濃度が予め設定された第1の臭素(Br)種の濃度以上の電極用触媒前駆体とを含む液を10〜60℃の範囲で予め設定された少なくとも1段階の設定温度(好ましくは20〜40℃の範囲で予め設定された少なくとも1段階の設定温度)、所定時間で保持する。第1’の工程において、超純水、水素を含む気体、所定の電極用触媒前駆体を含む液を作製する。
なお、以下の説明において、第1の工程と第1’の工程を特に区別しない場合に「第1の工程等」という。
本発明の電極用触媒の製造方法が含む、第1の工程等において使用される「超純水」は、以下の一般式(1)で表される比抵抗R(JIS規格試験法(JIS K0552)により測定される電気伝導率の逆数)が3.0MΩ・cm以上である水である。また、「超純水」はJISK0557「用水・排水の試験に用いる水」に規定されている「A3」のに相当する水質又はそれ以上の清浄な水質を有していることが好ましい。
上記超純水は、下記一般式(1)で表される関係を満たす電気伝導率を有している水であれば、特に限定されない。例えば、上記超純水として、超純水製造装置「Milli-Qシリーズ」(メルク株式会社製)、「Elix UVシリーズ」(日本ミリポア株式会社製)を使用して製造される超純水を挙げることができる。
なお、第1の工程等において、上記超純水を使用することにより、臭素(Br)種等の不純物が含まれないことになるため好ましい。
第1の工程において使用される還元剤は、電極用触媒の製造工程において、原料となる触媒成分及び処理液に由来する臭素(Br)種等と反応し、臭素(Br)種等を除去する役割を有する。還元剤としては、有機酸、有機酸塩、無機酸、無機酸塩などが好ましく挙げられる。なお、第1’の工程において使用される還元剤は、水素を含む気体である。
第1の工程等において使用される電極用触媒前駆体は、蛍光X線(XRF)分析法により測定される臭素(Br)種の濃度が予め設定された第1の臭素(Br)種の濃度(例えば、第1の臭素(Br)種の濃度が3000ppm)以上という条件を満たしている。上記電極用触媒前駆体に含まれている臭素(Br)種は、電極用触媒の原料となる触媒成分及び処理液に由来する。
従来、採用されている電極用触媒の製造方法により得られる電極用触媒は、特に臭素(Br)種の除去を施さない限りは、通常、蛍光X線(XRF)分析法により測定される臭素(Br)種の濃度が第1の臭素(Br)種の濃度以上の比較的高濃度(例えば、第1の臭素(Br)種の濃度が3000ppm、更には1900ppm)となっている。本発明者らの検討によれば、従来採用されている臭素(Br)種を含む材料を使用した電極用触媒の製造方法により得られる電極用触媒(本発明においては電極用触媒前駆体)は、上記分析法により測定される臭素(Br)種の濃度が3000ppm以上となっている(後述の比較例の結果を参照)。
第1の工程等において、予め設定される第1の臭素(Br)種の濃度は、使用される電極用触媒前駆体の品質に応じて適宜変更して設定することができる。具体的には、臭素(Br)種を含んだ材料を使用して製造された電極用触媒の臭素(Br)種の濃度に着目する。予め設定される第1の臭素(Br)種の濃度は、電極用触媒の触媒性能を十分に発揮することができ、かつ電極用触媒の製造プロセスに適合した範囲であることが好ましい。
すなわち、第1の工程等において使用される電極用触媒前駆体は、従来採用されている電極用触媒の製造方法により得られる電極用触媒に相当する。
電極用触媒前駆体の製造方法は、担体2に電極用触媒1の触媒成分を担持させることができる方法であれば、特に制限されるものではない。
例えば、担体2に電極用触媒1の触媒成分を含有する溶液を接触させ、担体2に触媒成分を含浸させる含浸法、電極用触媒の触媒成分を含有する溶液に還元剤を投入して行う液相還元法、アンダーポテンシャル析出(UPD)法等の電気化学的析出法、化学還元法、吸着水素による還元析出法、合金触媒の表面浸出法、置換めっき法、スパッタリング法、真空蒸着法等を採用した製造方法を例示することができる。
本発明の電極用触媒の製造方法においては、第1の工程等に供される電極用触媒前駆体として、以下の工程(P1)〜工程(P3)を含む「前処理工程」を経由して得られた電極用触媒前駆体を採用してもよい。図3は、前処理工程の好適な一実施形態の各操作を示したフローチャートである。
工程(P2);超純水を用いて、前記第P1の液に含まれる前記電極用触媒前駆体を洗浄して、洗浄した後に得られるろ液のJIS規格試験法(JIS K0552)により測定される電気伝導率ρが予め設定された第P1の設定値以下となるまで洗浄を繰り返し、得られた電極用触媒前駆体を超純水に分散させて第P2の液を調製する第P2の工程と、
工程(P3);前記第P2の液を乾燥する工程を含む。
このように、第P2の工程の後に得られた分散液を第P3工程において一旦乾燥させ、その後に第1の工程(又は第1’の工程)において再び超純水に分散させること(いわゆるリスラリー化すること)により、より確実に電極用触媒前駆体に含まれる臭素(Br)種を低減できる。
また、図5は、第1’の工程の前に前処理工程を含む電極用触媒の製造方法の各操作を示したフローチャートである。
図4、図5に示されるように、電極用触媒前駆体の原料を前処理工程に付することによって、電極用触媒前駆体の原料に含まれる臭素(Br)種が除去される。そして、臭素(Br)種の濃度が低減された電極用触媒前駆体を第1の工程等における電極用触媒前駆体とする。かかる電極用触媒前駆体は、第1の工程等に付される。第1の工程等においては、工程(P1)〜工程(P3)を経由して得られた電極用触媒前駆体を出発物質として用い、各操作を実行する。このように、本発明の電極用触媒の製造方法においては、第1の工程等の前に前処理工程を設けて、電極用触媒前駆体に含まれる臭素(Br)種の濃度をさらに低減させることができる。
前処理工程において、予め設定される第2の臭素(Br)種の濃度は、通常、第1の工程等において設定される第1の臭素(Br)種の濃度よりも高く設定される。
第1の臭素(Br)種の濃度及び第2の臭素(Br)種の濃度は、電極用触媒前駆体に含まれている臭素(Br)種の濃度、製造プロセスに応じて予め設定される。
第1の工程において、超純水と還元剤と蛍光X線(XRF)分析法により測定される臭素(Br)種の濃度が第1の臭素(Br)種濃度以上の比較的高濃度(例えば、第1の臭素(Br)種濃度が3000ppm、或いは1900ppm、更には1400ppmを超える所定の値)の電極用触媒前駆体とを含む液を10℃〜95℃の範囲内の所定温度(好ましくは20〜90℃の範囲内の所定温度)を設定して、この液を保持する。保持温度は、10℃〜95℃の範囲内、好ましくは20〜90℃の範囲内であれば特に制限されるものではないが、電極用触媒前駆体に含まれる臭素(Br)種の濃度、還元剤の種類等により、適宜設定される。
第1’の工程において、還元剤として水素を含んだ気体を用いる場合、保持温度は、10〜60℃の範囲で予め設定された少なくとも1段階の設定温度に設定することが好ましい。更に好ましくは20〜40℃の範囲で予め設定された少なくとも1段階の設定温度に設定することが好ましい。
保持温度は、少なくとも1段階の設定温度を有する。保持時間は、還元剤と電極用触媒前駆体とが十分に反応することができる時間であれば特に制限されない。
さらに、本発明の電極用触媒の製造方法は、第1の工程等の後に得られた液を乾燥する第5の工程をさらに含んでいてもよい。第1の工程等の後に得られた分散液(又は、第1’の工程の後に得られた分散液)を第5の工程において一旦乾燥させ、その後に第2の工程において再び超純水に分散させること(いわゆるリスラリー化すること)により、上記臭素(Br)種の濃度がきわめて低減された電極用触媒をより確実に得ることができる。
このことについてのメカニズムは十分に解明されていないが、本発明者らは、第1の工程等(更にそれに続く第2の工程及び第3の工程)において、電極用触媒前駆体の粉体には、超純水中に分散されている状態(又は超純水によりろ過洗浄されている状態)にもかかわらず、十分に洗浄されない部分(例えば、粉体の細孔表面のうち、超純水が接触できない部分)が存在していると考えている。
そして、本発明者らは、第5の工程において、第1の工程等の後に得られた分散液を一旦乾燥させた上で、得られる電極用触媒前駆体の粉体を超純水に再分散させること(リスラリー化すること)により、前の工程で、超純水が接触できなかった部分のうちの少なくとも一部が新たに超純水に接触し洗浄されることになるため臭素(Br)種がより確実に除去されるようになると考えている。
第1の工程等の後に得られた液を乾燥する条件は、第1の工程等の後に得られた液に含まれている電極用触媒前駆体を得ることができる乾燥温度及び乾燥時間を備えていれば特に制限されない。例えば、乾燥温度は、20〜90℃であり、乾燥時間は、0.5〜24時間である。
本発明の電極用触媒の製造方法は、第2の工程を含む。第2の工程は、上記第1の工程等の後に得られた液に超純水を添加して、第1の工程等の後に得られた液に含まれる電極用触媒前駆体を超純水に分散させた第1の液を調製する工程である。第2の工程は、第1の工程等において得られた電極用触媒を電極用触媒前駆体とみなし、第1の液を調製する工程である。
なお、第2の工程には、還元剤として水素を含んだ気体を用いた、第1’の工程を経由して得られた液を処理する場合も含まれる。
本発明の電極用触媒の製造方法は、第3の工程を含む。第3の工程は、第2の工程で作製した第1の液に含まれる電極用触媒前駆体をろ過洗浄して、洗浄した後に得られるろ液の電気伝導率ρが予め設定された第1の設定値以下となるまで洗浄を繰り返す工程である。第3の工程は、電極用触媒前駆体を洗浄して当該電極用触媒前駆体に含まれる臭素(Br)種の濃度を低下させる。
第1の工程等が前処理工程を経由する場合、予め設定される第1の設定値は、通常は前処理工程において設定される第P1の設定値以下又は第P1の設定値より低くに設定される。
ただし、先に述べたリスラリー化の効果により、前処理工程よりも第1工程(及び第2工程)において、洗浄により除去される臭素(Br)種の量が増え、臭素(Br)種の濃度が大きくなる場合には、第1の設定値が第P1の設定値よりも高く設定される場合もある。
本発明の電極用触媒の製造方法は、第4の工程を含む。第4の工程は、第3の工程おいて作製した第2の液を乾燥する工程である。第2の液を乾燥する条件は、第2の液に含まれている電極用触媒前駆体を得ることができる乾燥温度及び乾燥時間を備えていれば特に制限されない。例えば、乾燥温度は、20〜90℃であり、乾燥時間は、0.5〜24時間である。
図6は、本発明の電極用触媒の製造方法によって得られた電極用触媒1(コア・シェル触媒)の好適な一形態を示す模式断面図である。
図6に示されるように電極用触媒の製造方法によって得られた電極用触媒1は、担体2と担体2上に担持された、いわゆる「コア・シェル構造」を有する触媒粒子3を含んでいる。触媒粒子3は、コア部4と、コア部4の表面の少なくとも一部を被覆するように形成されたシェル部5とを備えている。触媒粒子3はコア部4とコア部4上に形成されるシェル部5とを含むいわゆる「コア・シェル構造」を有する。
すなわち、電極用触媒1は、担体2に担持された触媒粒子3を有しており、この触媒粒子3は、コア部4を核(コア)とし、シェル部5がシェルとなってコア部4の表面を被覆している構造を備えている。
また、コア部4の構成元素(化学組成)と、シェル部5の構成元素(化学組成)は異なる構成となっている。
例えば、本発明の効果をより確実に得る観点からは、図6に示すように、電極用触媒1は、シェル部5によってコア部4の表面の略全域が被覆された状態であることが好ましい。
また、本発明の効果を得られる範囲において、電極用触媒1は、シェル部5によってコア部4の表面の一部が被覆され、コア部4の表面が部分的に露出した状態であってもよい。
すなわち、本発明において、電極用触媒は、コア部の表面の少なくとも一部にシェル部が形成されていればよい。
図7に示されるように、本発明の電極用触媒1Aは、コア部4と、コア部4の表面の一部を被覆するシェル部5a及びコア部4の他の表面の一部を被覆するシェル部5bから構成されている触媒粒子3aを有している。
図7に示された電極用触媒1Aが含んでいる触媒粒子3aにおいて、シェル部5aによっても、シェル部5bによっても被覆されていないコア部4が存在する。このようなコア部4が、コア部露出面4sとなる。
すなわち、図7に示されるように、本発明の効果を得ることができる範囲において、電極用触媒1Aが含んでいる触媒粒子3aは、コア部4の表面が部分的に露出した状態(例えば、図7に示されたコア部4の表面の一部である4sが露出した状態)であってもよい。
別の表現をすれば、図7に示された電極用触媒1Aのように、コア部4の表面の一部にシェル部5a、他の表面の一部にシェル部5bがそれぞれ部分的に形成されていてもよい。
図8に示されるように、本発明の電極用触媒1Bは、コア部4と、コア部4の表面の略全域を被覆するシェル部5から構成されている触媒粒子3を有している。
シェル部5は、第1シェル部6と第2シェル部7とを備えた二層構造であってもよい。すなわち、触媒粒子3は、コア部4とコア部4上に形成されるシェル部5(第1シェル部6及び第2シェル部7)とを含む、いわゆる「コア・シェル構造」を有する。
電極用触媒1Bは、担体2に担持された触媒粒子3を有し、触媒粒子3がコア部4を核(コア)とし、第1シェル部6及び第2シェル部7がシェル部5となってコア部4の表面の略全域が被覆されている構造を有している。
なお、コア部4の構成元素(化学組成)と、第1シェル部6の構成元素(化学組成)と、第2シェル部7の構成元素(化学組成)とは、それぞれ異なる構成となっている。
また、本発明の電極用触媒1Bが備えているシェル部5は、第1シェル部6、第2シェル部7に加えて、さらに別のシェル部を備えているものであってもよい。
本発明の効果をより確実に得る観点からは、図8に示すように、電極用触媒1Bは、シェル部5によってコア部4の表面の略全域が被覆された状態であることが好ましい。
図9に示されるように、本発明の電極用触媒1Cは、コア部4と、コア部4の表面の一部を被覆するシェル部5a、及びコア部4の他の表面の一部を被覆するシェル部5bから構成されている触媒粒子3aを有している。
シェル部5aは、第1シェル部6aと第2シェル部7aとを備えた二層構造であってもよい。
また、シェル部5bは、第1シェル部6bと第2シェル部7bとを備えた二層構造であってもよい。
すなわち、触媒粒子3aは、コア部4と、コア部4上に形成されるシェル部5a(第1シェル部6a及び第2シェル部7a)と、コア部4上に形成されるシェル部5b(第1シェル部6b及び第2シェル部7b)と、を含む、いわゆる「コア・シェル構造」を有する。
図9に示された触媒粒子3aを構成するシェル部5bにおいて、第2シェル部7bよって被覆されていない第1シェル部6bが存在する。第2シェル部7bよって被覆されていない第1シェル部6bが第1シェル部露出面6sとなる。
図9に示されるように触媒粒子3aを構成するシェル部5aにおいて、第1シェル部6aの略全域が第2シェル部7aによって被覆された状態であることが好ましい。
また、図9に示されるように本発明の効果を得られる範囲において、触媒粒子3aを構成するシェル部5bにおいて、第1シェル部6bの表面の一部が被覆され、第1シェル部6bの表面が部分的に露出した状態(例えば、図9に示された第1シェル部6bの表面の一部6sが露出した状態)であってもよい。
具体的には、本発明の電極用触媒は、本発明の効果を得られる範囲において、図6及び7に示した電極用触媒1、1Aと、図8及び9に示した電極用触媒1B、1Cとが混在した状態であってもよい。
更に、本発明の電極用触媒は、本発明の効果を得られる範囲において、図9に示されるように同一のコア部4に対し、シェル部5aとシェル部5bとか混在した状態であってもよい。
更に、本発明の電極用触媒は、本発明の効果を得られる範囲において、同一のコア部4に対し、シェル部5aのみが存在する状態であってもよく、同一のコア部4に対し、シェル部5bのみが存在する状態であってもよい(いずれの状態も図示せず)。
また、本発明の効果を得られる範囲において、電極用触媒1には、担体2上に、上記電極用触媒1、1A、1B、1Cの少なくとも1種に加えて、「コア部4がシェル部5によって被覆されていないコア部のみからなる粒子」が担持された状態が含まれていてもよい(図示せず)。
更に、本発明の効果を得られる範囲において、電極用触媒1には、上記電極用触媒1、1A、1B、1Cの少なくとも1種に加えて「シェル部5の構成元素のみからなる粒子」がコア部4に接触しない状態で担体2に担持された状態が含まれていてもよい(図示せず)。
また、本発明の効果を得られる範囲において、電極用触媒1には、上記電極用触媒1、1A、1B、1Cの少なくとも1種に加えて「シェル部5に被覆されていないコア部4のみの粒子」と、「シェル部5の構成元素のみからなる粒子」とが、それぞれ独立に担体2に担持された状態が含まれていてもよい。
シェル部5の厚さ(コア部4との接触面から当該シェル部5の外表面までの厚さ)については、電極用触媒の設計思想によって好ましい範囲が適宜設定される。
例えば、シェル部5を構成する金属元素(例えば白金など)の使用量を最小限にすることを意図している場合には、シェル部5の厚さは、当該シェル部5を構成する金属元素が1種類の場合には、この金属元素の1原子の直径(球形近似した場合)の2倍に相当する厚さであることが好ましい。また、当該シェル部5を構成する金属元素が2種類以上の場合には、1原子で構成される層(2種類以上の原子がコア部4の表面に並置されて形成される1原子層)に相当する厚さであることが好ましい。
また、例えば、シェル部5の厚さをより大きくすることにより耐久性の向上を図る場合には、1〜10nmが好ましく、2〜5nmがより好ましい。
例えば、第2シェル部7に含まれる金属元素である白金(Pt)等の貴金属の使用量を最小限にすることを意図している場合には、第2シェル部7は、1原子で構成される層(1原子層)であることが好ましい。この場合には、第2シェル部7の厚さは、当該第2シェル部7を構成する金属元素が1種類の場合には、当該金属元素の1原子の直径(1原子を球形とみなした場合)の約2倍に相当する厚さであることが好ましい。
また、第2シェル部7に含まれる金属元素が2種類以上である場合には、当該第2シェル部7は、1種類以上の原子で構成される層(2種類以上の原子がコア部4の表面方向に並置されて形成される1原子層)に相当する厚さであることが好ましい。例えば、第2シェル部7の厚さをより大きくすることにより、電極用触媒の耐久性を向上させることを図る場合には、当該第2シェル部7の厚さを1.0〜5.0nmとすることが好ましい。電極用触媒の耐久性をさらに向上させることを図る場合には、当該第2シェル部7の厚さを2.0〜10.0nmとすることが好ましい。
なお、本発明において「平均粒子径」とは、電子顕微鏡写真観察による、任意の数の粒子群からなる粒子の直径の平均値のことをいう。
これらの中で、コア部4との吸着性及び担体2が有するBET比表面積の観点から、炭素系材料が好ましい。
更に、炭素系材料としては、導電性カーボンが好ましく、特に、導電性カーボンとしては、導電性カーボンブラックが好ましい。導電性カーボンブラックとしては、商品名「ケッチェンブラックEC300J」、「ケッチェンブラックEC600」、「カーボンEPC」等(ライオン化学株式会社製)を例示することができる。
図6、7に示された電極用触媒1、1Aのように、シェル部5が上記二層構造ではなく、一層構造を採用する場合には、コア部4に貴金属を採用することもできる。上記電極用触媒1、1Aが有している触媒粒子3、3aを構成するコア部4には、パラジウム(Pd)、パラジウム(Pd)合金、白金(Pt)合金、金(Au)、ニッケル(Ni)、及びニッケル(Ni)合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属が含まれている。
具体的には、コア部4には、白金(Pt)、パラジウム(Pd)以外の金属元素を含む金属、金属化合物、及び金属と金属化合物との混合物であることが好ましく、貴金属以外の金属元素を含む金属、金属化合物、及び金属と金属化合物との混合物であることがより好ましい。
電極用触媒1B、1Cの触媒活性をより高く、容易に得る観点からは、第1シェル部6は、パラジウム(Pd)単体を主成分(50wt%以上)として構成されていることがより好ましく、パラジウム(Pd)単体のみから構成されていることがより好ましい。
第2シェル部7は、白金(Pt)及び白金(Pt)合金のうちの少なくとも1種の金属が含まれていることが好ましく、白金(Pt)単体が含まれていることがより好ましい。
電極用触媒1B、1Cの触媒活性をより高く、容易に得る観点からは、第2シェル部7は、白金(Pt)単体を主成分(50wt%以上)として構成されていることがより好ましく、白金(Pt)単体のみから構成されていることがより好ましい。
本発明の電極用触媒の製造方法によって得られた電極用触媒は、蛍光X線(XRF)分析法により測定される臭素(Br)種の濃度が3000ppm以上である電極用触媒前駆体を用いた場合であっても、電極用触媒の製造方法の少なくとも工程(1)を経由することにより、上記臭素(Br)種の濃度が低減される点に技術的特徴を有する。
臭素(Br)種の濃度が3000ppm以下であると、臭素(Br)種の影響により発生する触媒活性の低下を十分に防止することができる。そして、電極用触媒として、十分な触媒活性を発揮することができるため好ましい。
ここで、本発明の電極用触媒の製造方法は、電極用触媒の原料として、臭素(Br)種の濃度が3000ppm以下である電極用触媒前駆体であっても使用することができる。臭素(Br)種の濃度がより低い電極用触媒前駆体を使用すれば、臭素(Br)種を除去するための作業や使用する超純水の使用量が削減できるため好ましい。
蛍光X線(XRF)分析法は、例えば以下のように実行される。
(1)測定装置
・波長分散型全自動蛍光X線分析装置Axios(アクシオス)(スペクトリス株式会社製)
(2)測定条件
・解析ソフト:「UniQuant5」(FP(four peak method)法を用いた半定量ソフト)
・XRF測定室雰囲気:ヘリウム(常圧)
(3)測定手順
(i)試料を入れた試料容器をXRF試料室に入れる。
(ii)XRF試料室内をヘリウムガスで置換する。
(iii)ヘリウムガス雰囲気(常圧)下、測定条件を、解析ソフト「UniQuant5」を使用するための条件である、「UQ5アプリケーション」に設定し、サンプルの主成分が「カーボン(担体の構成元素)」、サンプルの分析結果の表示形式が「元素」となるよう計算するモードに設定する。
図10は、本発明の電極用触媒の製造方法によって製造された電極用触媒を含むガス拡散電極形成用組成物、このガス拡散電極形成用組成物を用いて製造されたガス拡散電極、このガス拡散電極を備えた膜・電極接合体(MEA)、及びこの膜・電極接合体(MEA)を備えた燃料電池スタックの好適な一実施形態を示す模式図である。
図10に示された燃料電池スタックSは、膜・電極接合体(MEA)400を一単位セルとし、この一単位セルを複数積み重ねた構成を有している。
また、燃料電池スタックSは、この膜・電極接合体(MEA)400がセパレータ100a及びセパレータ100bにより挟持された構成を有している。
上記電極用触媒1をいわゆる触媒インク成分として用い、ガス拡散電極形成用組成物とすることができる。このガス拡散電極形成用組成物は、上記電極用触媒が含有されていることを特徴とする。ガス拡散電極形成用組成物は上記電極用触媒とイオノマー溶液を主要成分とする。イオノマー溶液は、水とアルコールと水素イオン伝導性を有する高分子電解質とを含有する。
本発明の製造方法によって製造された電極用触媒を含むガス拡散電極(200a、200b)は、ガス拡散層220とガス拡散層220の少なくとも一面に積層された電極用触媒層240とを備えている。ガス拡散電極(200a、200b)が備えている電極用触媒層240には、上記電極用触媒1が含まれている。なお、本発明のガス拡散電極200は、アノードとして用いることができ、カソードとしても用いることができる。
なお、図10においては、便宜上、上側のガス拡散電極200をアノード200aとし、下側のガス拡散電極200をカソード200bとする。
電極用触媒層240は、アノード200aにおいて、ガス拡散層220から送られた水素ガスが電極用触媒層240に含まれている電極用触媒1の作用により水素イオンに解離する化学反応が行われる層である。また、電極用触媒層240は、カソード200bにおいて、ガス拡散層220から送られた空気(酸素ガス)とアノードから電解質膜中を移動してきた水素イオンが電極用触媒層240に含まれている電極用触媒1の作用により結合する化学反応が行われる層である。
ガス拡散電極200が備えているガス拡散層220は、燃料電池スタックSの外部より、セパレータ100aとガス拡散層220aとの間に形成されているガス流路に導入される水素ガス、セパレータ100bとガス拡散層220bとの間に形成されているガス流路に導入される空気(酸素ガス)をそれぞれの電極用触媒層240に拡散するために設けられている層である。また、ガス拡散層220は、電極用触媒層240をガス拡散電極200に支持して、ガス拡散電極200表面に固定化する役割を有している。ガス拡散層220は、電極用触媒層240に含まれる電極用触媒1と水素ガス、空気(酸素ガス)との接触を高める役割を有している。
ガス拡散電極の製造方法について説明する。
ガス拡散電極の製造方法は、触媒成分が担体に担持されてなる電極用触媒1と水素イオン伝導性を有する高分子電解質と、水とアルコールとのイオノマー溶液を含有するガス拡散電極形成用組成物をガス拡散層220に塗布する工程と、このガス拡散電極形成用組成物が塗布されたガス拡散層220を乾燥させ、電極用触媒層240を形成させる工程とを備える。
本発明の製造方法によって製造された電極用触媒を含む膜・電極接合体400(Membrane Electrode Assembly:以下、MEAと略する。)は、上記電極用触媒1を用いたガス拡散電極200であるアノード200aとカソード200bとこれらの電極を仕切る電解質300を備えている。膜・電極接合体(MEA)400は、アノード200a、電解質300及びカソード200bをこの順序により積層した後、圧着することにより製造することができる。
本発明の製造方法によって製造された電極用触媒を含む燃料電池スタックSは、得られた膜・電極接合体(MEA)400のアノード200aの外側にセパレータ100a(アノード側)を取り付け、カソード200bの外側にそれぞれセパレータ100b(カソード側)を取り付け、一単位セル(単電池)とする。そして、この一単位セル(単電池)を集積させて燃料電池スタックSとする。なお、燃料電池スタックSに周辺機器を取り付け、組み立てることにより、燃料電池システムが完成する。
なお、本発明者らは、実施例及び比較例に示す触媒について、蛍光X線(XRF)分析法ではヨウ素(I)種が検出されないことを確認した。
また、以下の製造方法の各工程の説明において特にことわりない場合には、その工程は室温、空気中で実施した。
(製造例1)
本発明の電極用触媒の製造方法により、電極用触媒を以下のプロセスにより製造した。なお、製造例において、使用した電極用触媒の原料は、以下の通りである。
・カーボンブラック粉末:商品名「Ketjen Black EC300」(ケッチェンブラックインターナショナル社製)
・テトラクロロパラジウム(II)酸ナトリウム
・硝酸パラジウム
・塩化白金酸カリウム
電極用触媒の担体として、カーボンブラック粉末を用い、水に分散させて、5.0g/Lの分散液を調製した。この分散液に、テトラクロロパラジウム(II)酸ナトリウム水溶液(濃度20質量%)5mLを滴下して混合した。得られた分散液に、ギ酸ナトリウム水溶液(100g/L)100mLを滴下した後、不溶成分を濾別し、濾別された不溶成分を純水で洗浄し、乾燥することにより、カーボンブラック上にパラジウムが担持されたパラジウム(コア)担持カーボンを得た。
50mMの硫酸銅水溶液を、三電極系電解セルに入れた。この三電極系電解セルに上記で調製したパラジウム担持カーボンを適量加え、攪拌後静置した。静止状態で450mV(対 可逆水素電極)を作用電極に印加し、パラジウム担持カーボンのパラジウム上に銅(Cu)を一様に被覆した。これを銅−パラジウム担持カーボンとする。
銅がパラジウム上に被覆された銅−パラジウム担持カーボンを含む液に、被覆された銅に対して、物質量比で2倍相当の白金(Pt)を含む塩化白金酸カリウム水溶液を滴下することにより、上記銅−パラジウム担持カーボンの銅(Cu)を白金(Pt)に置換した。
工程(P1):上述のようにして得られた銅−パラジウム担持カーボンの銅(Cu)が白金(Pt)に置換された白金パラジウム担持カーボンの粒子の粉体を乾燥させずに超純水に分散させた第P1の液を調製した。
工程(P2):次に、第P1の液をろ過装置を使用し、超純水でろ過洗浄した。洗浄後に得られるろ液の電気伝導率が10μS/cm以下になるまで洗浄を繰り返し、得られた電極用触媒前駆体を超純水に分散させて、電極用触媒前駆体−超純水分散液(I)を得た。
工程(P3):次に、該分散液(I)をろ過し、得られたろ物を70℃、空気中で約24時間乾燥させた。これにより、製造例1で得られた電極用触媒前駆体1を得た。
これにより以下の実施例においては、原料の電極用触媒前駆体の第1の臭素(Br)種の濃度は3000ppmとなる。
(実施例1)
[第1’の工程]
製造例1で得られた電極用触媒前駆体1を5.0g量りとり容器に入れた。次に、該容器に超純水1000(mL)を加え、この液を室温(25℃)に保ちながら、この液中に水素ガス(約100%)を約10mL/分の割合で、約60分間通気した。
[第5の工程]
水素ガスを通気した後の液をろ過し、得られたろ物を温度70℃、空気中で、約24時間の条件下で乾燥させ、電極用触媒を得た。実施例1で得られた電極用触媒を触媒1とした。
得られた触媒1について、白金と、パラジウムの担持量(質量%)を以下の方法で測定した。
触媒1を王水に浸し、金属を溶解させた。次に、王水から不溶成分のカーボンを除去した。次に、カーボンを除いた王水をICP分析した。
ICP分析の結果は、白金担持量が20.9質量%、パラジウム担持量が22.5質量%であった。
[第1の工程]
製造例1で得られた電極用触媒前駆体1を5.0g量りとり、容器に入れた。次に、当該容器に濃度0.01Mのギ酸ナトリウム水溶液を1000mL加え、得られた水性分散液を室温(25℃)に保ち、撹拌しながら約240分間保持した。
[第2〜4の工程]
第1の工程の後に得られる液に超純水を添加して分散液(第1の液)を得た。
次に、超純水を用いて、前記分散液に含まれる不溶成分を濾別し、そして洗浄した。洗浄後に得られるろ液の電気伝導率が10μS/cm以下になるまで洗浄を繰り返し、得られた電極用触媒前駆体を超純水に分散させて、電極用触媒前駆体−超純水分散液(第2の液、以下、「分散液(II)」という)を得た。該分散液(II)をろ過し、得られたろ物を温度70℃、空気中、24時間の条件下で乾燥し、電極用触媒を得た。実施例2で得られた電極用触媒を触媒2とした。
触媒2について、実施例1と同様のICP分析を行い、表1に示す白金担持量、パラジウム担持量を測定した。
実施例2において、第1の工程のギ酸ナトリウム水溶液を炭酸ナトリウム水溶液とした以外は実施例2と同様にして、電極用触媒を得た。実施例3で得られた電極用触媒を触媒3とした。
触媒3について、実施例1と同様のICP分析を行い、表1に示す白金担持量、パラジウム担持量を測定した。
実施例3において、第1の工程の保持温度を90℃とした以外は実施例3と同様にして、電極用触媒を得た。実施例4で得られた電極用触媒を触媒4とした。
触媒4について、実施例1と同様のICP分析を行い、表1に示す白金担持量、パラジウム担持量を測定した。
実施例2において、第1の工程の保持温度を室温から90℃とし、第1の工程〜第4の工程を行い、第1の工程〜第4の工程を1セットとして、所定回数繰り返した以外は実施例2と同様にして、電極用触媒を得た。実施例5で得られた電極用触媒を触媒5とした。
触媒5について、実施例1と同様のICP分析を行い、表1に示す白金担持量、パラジウム担持量を測定した。
製造例1で製造された電極用触媒前駆体1を比較例1の電極用触媒とした。
(臭素(Br)種の濃度)
実施例1〜5、及び比較例1で得られた電極用触媒の臭素(Br)種の濃度を蛍光X線(XRF)分析法により測定した。電極用触媒中の臭素(Br)種濃度の測定は、波長分散型蛍光X線測定装置Axios(スペクトリス株式会社製)により測定した。具体的には、以下の手順により行った。
さらに、表1によれば、本発明の電極用触媒の製造方法により得られた電極用触媒は、電極用触媒前駆体に所定の臭素(Br)種除去法を適用しなかった電極用触媒に比較して、臭素(Br)種の含有量が十分に低減されており、臭素(Br)種による触媒活性の低下が十分に防止された電極用触媒を得ることができることが明らかとなった。
これらの結果は、本発明の電極用触媒の製造方法が量産化に適しており、製造コストの低減に適した製造方法であることを示している。
ここで、表1の実施例5について、臭素種の濃度が「0ppm」とは、蛍光X線(XRF)分析で臭素(Br)種が未検出と判定される水準の濃度を示す。なお、ここでの蛍光X線(XRF)分析における臭素(Br)種の検出限界は100ppmであった。
1A 電極用触媒
1B 電極用触媒
1C 電極用触媒
2 担体
3 触媒粒子
3a 触媒粒子
4 コア部
4s コア部露出面
5 シェル部
6 第1シェル部
6s 第1シェル部露出面
7 第2シェル部
S 燃料電池スタック
100 セパレータ
100a セパレータ(アノード側)
100b セパレータ(カソード側)
200 ガス拡散電極
200a ガス拡散電極(アノード)
200b ガス拡散電極(カソード)
220 ガス拡散層
240 電極用触媒層
300 電解質
400 膜・電極接合体(MEA)
また、本発明の電極用触媒の製造方法は、製造プロセスの簡略化及び製造コストを低減させることができる。
従って、本発明は、燃料電池、燃料電池自動車、携帯モバイル等の電機機器産業のみならず、エネファーム、コジェネレーションシステム等に適用することができる電極用触媒の製造方法であり、エネルギー産業、環境技術関連の発達に寄与する。
Claims (17)
- 担体と、前記担体上に形成されるコア部と、前記コア部の表面の少なくとも一部を覆うように形成されるシェル部と、を含むコア・シェル構造を有する電極用触媒の製造方法であって、
工程(1);超純水と、還元剤と、臭素(Br)種を含む材料を使用して製造されており蛍光X線(XRF)分析法により測定される臭素(Br)種の濃度が予め設定された第1の臭素(Br)種の濃度以上の電極用触媒前駆体と、を含む液を、10℃〜95℃の範囲で予め設定された少なくとも1段階の設定温度でかつ予め設定された保持時間で保持する第1の工程と、
工程(2);前記第1の工程の後に得られた液に超純水を添加して、
前記第1の工程の後に得られた液に含まれる触媒前駆体を超純水に分散させた第1の液を調製する第2の工程と、
工程(3);超純水を用いて、前記第1の液に含まれる触媒前駆体をろ過洗浄して、
洗浄した後に得られるろ液のJIS規格試験法(JIS K0552)により測定される電気伝導率ρが予め設定された第1の設定値以下となるまで洗浄を繰り返し、
前記電気伝導率ρが予め設定された第1の設定値以下となった液に含まれる触媒前駆体を超純水に分散させた第2の液を調製する第3の工程と、
工程(4);前記第2の液を乾燥する工程と、
を含む、電極用触媒の製造方法。 - 担体と、前記担体上に形成されるコア部と、前記コア部の表面の少なくとも一部を覆うように形成されるシェル部と、を含むコア・シェル構造を有する電極用触媒の製造方法であって、
工程(1’);超純水と、水素を含む気体と、臭素(Br)種を含む材料を使用して製造されており蛍光X線(XRF)分析法により測定される臭素(Br)種の濃度が予め設定された第1の臭素(Br)種の濃度以上の電極用触媒前駆体と、を含む液を、
10℃〜60℃の範囲で予め設定された少なくとも1段階の設定温度でかつ予め設定された保持時間で保持する第1’の工程、を含む、電極用触媒の製造方法。 - 前記第1の臭素(Br)種の濃度が3000ppmである、請求項1又は2に記載
の電極用触媒の製造方法。 - 前記還元剤が有機酸及び有機酸塩から選択される少なくとも1種の化合物である、請求項1に記載の電極用触媒の製造方法。
- 前記還元剤がギ酸、及びギ酸ナトリウムからなる群より選択される少なくとも1種の化合物である、請求項1に記載の電極用触媒の製造方法。
- 前記還元剤が無機酸及び無機酸塩から選択される少なくとも1種の化合物である、請求項1に記載の電極用触媒の製造方法。
- 前記還元剤が炭酸、及び炭酸ナトリウム、からなる群から選択される少なくとも1種の化合物である、請求項1に記載の電極用触媒の製造方法。
- 工程(5);前記第1の工程、又は第1’の工程の後に得られた分散液を乾燥する第5の工程をさらに含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載の電極用触媒の製造方法。
- 工程(2);前記第1’の工程の後に得られた液に超純水を添加して、
前記第1’の工程の後に得られた液に含まれる電極用触媒前駆体を超純水に分散させた第1の液を調製する第2の工程と、
工程(3);超純水を用いて、前記第1の液に含まれる電極用触媒前駆体をろ過洗浄して、
洗浄した後に得られるろ液のJIS規格試験法(JIS K0552)により測定される電気伝導率ρが予め設定された第1の設定値以下となるまで洗浄を繰り返し、
前記電気伝導率ρが予め設定された第1の設定値以下となった液に含まれる電極用触媒前駆体を超純水に分散させた第2の液を調製する第3の工程と、
工程(4);前記第2の液を乾燥する工程と、
を更に含む、
請求項2に記載の電極用触媒の製造方法。 - 前記第1の設定値が100μS/cm以下の範囲から選択される値である、
請求項1又は9に記載の電極用触媒の製造方法。 - 前記第1の工程、又は前記第1’の工程に供される電極用触媒前駆体が、
工程(P1);臭素(Br)種を含む材料を使用して製造されており、蛍光X線(XRF)分析法により測定される臭素(Br)種の濃度が予め設定された第2の臭素(Br)種の濃度以上の電極用触媒前駆体を、超純水に添加して、前記電極用触媒前駆体を超純水に分散させた第P1の液を調製する第P1の工程と、
工程(P2);超純水を用いて、前記第P1の液に含まれる前記電極用触媒前駆体を洗浄して、洗浄した後に得られるろ液のJIS規格試験法(JIS K0552)により測定される電気伝導率ρが予め設定された第P1の設定値以下となるまで洗浄を繰り返し、得られた触媒前駆体を超純水に分散させて第P2の液を調製する第P2の工程と、
工程(P3);前記第P2の液を乾燥する工程と、
を含む前処理を施されているものである、
請求項1〜10のいずれか1項記載の電極用触媒の製造方法。 - 前記第2の臭素(Br)種の濃度が3000ppmである、請求項11に記載の電極用触媒の製造方法。
- 予め設定された第P1の設定値が100μS/cm以下の範囲から選択される値である、
請求項11に記載の電極用触媒の製造方法。 - 前記シェル部には、白金(Pt)及び白金(Pt)合金のうちの少なくとも1種の金属が含有されており、
前記コア部には、パラジウム(Pd)、パラジウム(Pd)合金、白金(Pt)合金、金(Au)、ニッケル(Ni)、及びニッケル(Ni)合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属が含まれている、
請求項1〜13いずれか1項に記載の電極用触媒の製造方法。 - 前記シェル部を構成する金属の原料として、白金(Pt)臭化物が使用されている、
請求項14に記載の電極用触媒の製造方法。 - 前記シェル部が、前記コア部の表面の少なくとも一部を覆うように形成される第1シェル部と、当該第1シェル部の表面の少なくとも一部を覆うように形成される第2シェル部と、を有している、
請求項1〜15のいずれか1項に記載の電極用触媒の製造方法。 - 前記第2シェル部を構成する金属の原料として、白金(Pt)臭化物が使用されている請求項16に記載の電極用触媒の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015163165A JP6524856B2 (ja) | 2015-08-20 | 2015-08-20 | 電極用触媒の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015163165A JP6524856B2 (ja) | 2015-08-20 | 2015-08-20 | 電極用触媒の製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2017041384A true JP2017041384A (ja) | 2017-02-23 |
JP6524856B2 JP6524856B2 (ja) | 2019-06-05 |
Family
ID=58203019
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2015163165A Active JP6524856B2 (ja) | 2015-08-20 | 2015-08-20 | 電極用触媒の製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6524856B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2020250673A1 (ja) * | 2019-06-11 | 2020-12-17 | 国立大学法人山梨大学 | 過酸化水素発生抑制用触媒及びそれを用いた過酸化水素の発生を抑制する方法、並びに膜-電極接合体及びそれを用いた燃料電池 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011218278A (ja) * | 2010-04-07 | 2011-11-04 | Toyota Motor Corp | カーボン担持コアシェル型触媒微粒子の製造方法、当該製造方法により得られるコアシェル型触媒微粒子を用いた触媒インクの製造方法、及び、当該製造方法により得られる触媒インクを含む触媒層 |
WO2013035741A1 (ja) * | 2011-09-06 | 2013-03-14 | 住友化学株式会社 | 電極触媒の分散液の製造方法、電極触媒の分散液、電極触媒の製造方法、電極触媒、電極構造体、膜電極接合体、燃料電池および空気電池 |
JP2013215697A (ja) * | 2012-04-11 | 2013-10-24 | Noritake Co Ltd | コアシェルナノ粒子担持触媒体とその製造方法ならびに該触媒体を用いた燃料電池 |
JP2014239033A (ja) * | 2013-05-10 | 2014-12-18 | 日本ゴア株式会社 | 燃料電池用電極触媒、及び触媒を活性化させる方法 |
JP2015000398A (ja) * | 2013-06-18 | 2015-01-05 | 学校法人同志社 | 白金コアシェル触媒の製造方法及びそれを用いた燃料電池 |
-
2015
- 2015-08-20 JP JP2015163165A patent/JP6524856B2/ja active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011218278A (ja) * | 2010-04-07 | 2011-11-04 | Toyota Motor Corp | カーボン担持コアシェル型触媒微粒子の製造方法、当該製造方法により得られるコアシェル型触媒微粒子を用いた触媒インクの製造方法、及び、当該製造方法により得られる触媒インクを含む触媒層 |
WO2013035741A1 (ja) * | 2011-09-06 | 2013-03-14 | 住友化学株式会社 | 電極触媒の分散液の製造方法、電極触媒の分散液、電極触媒の製造方法、電極触媒、電極構造体、膜電極接合体、燃料電池および空気電池 |
JP2013215697A (ja) * | 2012-04-11 | 2013-10-24 | Noritake Co Ltd | コアシェルナノ粒子担持触媒体とその製造方法ならびに該触媒体を用いた燃料電池 |
JP2014239033A (ja) * | 2013-05-10 | 2014-12-18 | 日本ゴア株式会社 | 燃料電池用電極触媒、及び触媒を活性化させる方法 |
JP2015000398A (ja) * | 2013-06-18 | 2015-01-05 | 学校法人同志社 | 白金コアシェル触媒の製造方法及びそれを用いた燃料電池 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2020250673A1 (ja) * | 2019-06-11 | 2020-12-17 | 国立大学法人山梨大学 | 過酸化水素発生抑制用触媒及びそれを用いた過酸化水素の発生を抑制する方法、並びに膜-電極接合体及びそれを用いた燃料電池 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6524856B2 (ja) | 2019-06-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5846671B2 (ja) | 電極用触媒の製造方法 | |
JP5846670B2 (ja) | 電極用触媒、ガス拡散電極形成用組成物、ガス拡散電極、膜・電極接合体、燃料電池スタック | |
JP6133483B2 (ja) | 電極用触媒、ガス拡散電極形成用組成物、ガス拡散電極、膜・電極接合体、燃料電池スタック | |
JP5846673B2 (ja) | 電極用触媒、ガス拡散電極形成用組成物、ガス拡散電極、膜・電極接合体、燃料電池スタック | |
JP5846672B2 (ja) | 電極用触媒の製造方法 | |
JP6524856B2 (ja) | 電極用触媒の製造方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20180316 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20190306 |
|
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: 20190409 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20190422 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6524856 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |