JP2017208224A - 触媒担体用炭素材料、触媒担体用炭素材料のポリエチレングリコール樹脂吸着量評価試験方法、固体高分子形燃料電池用触媒、固体高分子形燃料電池用触媒層、及び固体高分子形燃料電池 - Google Patents
触媒担体用炭素材料、触媒担体用炭素材料のポリエチレングリコール樹脂吸着量評価試験方法、固体高分子形燃料電池用触媒、固体高分子形燃料電池用触媒層、及び固体高分子形燃料電池 Download PDFInfo
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Abstract
Description
H2→2H++2e− (E0=0V)
O2+4H++4e−→2H2O (E0=1.23V)
上述したように、本発明者は、触媒担体用炭素材料の電解質材料に対する親和性を汎用的かつ定量的に評価する評価試験として、ポリエチレングリコールを用いた樹脂吸着量評価試験、いわゆるポリエチレングリコール樹脂吸着量評価試験に想到した。そこで、まず、樹脂吸着量評価試験について説明する。
本実施形態に係る樹脂吸着量評価試験は、触媒担体用炭素材料のポリエチレングリコールに対する親和性を評価する試験であり、第1〜第4の工程に区分される。第1の工程では、ポリエチレングリコール樹脂、触媒担体用炭素材料、及び水を含む混合液を、95〜100℃の範囲で1〜10時間撹拌する。このように、本実施形態に係る樹脂吸着量評価試験では、各種の電解質材料のモデルとなる樹脂として、ポリエチレングリコールを使用する。ポリエチレングリコールは、各種の電解質材料に類似する吸着特性を示すと推察されるからである。ただし、本発明者がポリエチレングリコールについてさらに詳細に検討したところ、ポリエチレングリコールの質量平均分子量が非常に重要であることがわかった。具体的には、ポリエチレングリコールの質量平均分子量は、1000〜20000であることが好ましい。ポリエチレングリコールの質量平均分子量を1000〜20000とすることで、評価結果の信頼性がより高くなる。具体的には、本実施形態では、樹脂吸着率Wが30〜100質量%となる触媒担体用炭素材料が選択される。そして、ポリエチレングリコールの質量平均分子量が1000〜20000となる場合、当該選択された触媒担体用炭素材料は、より安定して高い特性(具体的には、発電性能)を示す。すなわち、当該選択された触媒担体用炭素材料は、各種の電解質材料に対する親和性が安定して高くなる。
第2の工程では、混合液からポリエチレングリコール樹脂が付着した触媒担体用炭素材料を分離する。分離の方法は特に問われないが、例えばろ過等で分離を行ってもよい。
第3の工程では、ポリエチレングリコール樹脂が付着した触媒担体用炭素材料の質量から第1の工程で使用した触媒担体用炭素材料の質量を減算することで、樹脂吸着量を測定する。すなわち、樹脂吸着量評価試験では、樹脂吸着量に基づいて、触媒担体用炭素材料のポリエチレングリコールに対する親和性を評価する。
第4の工程では、樹脂吸着量と、第1の工程で使用した触媒担体用炭素材料の質量とに基づいて、樹脂吸着率W、すなわちポリエチレングリコールの吸着率を算出する。具体的には、樹脂吸着率Wは、樹脂吸着量を第1の工程で使用した触媒担体用炭素材料の質量で除算することで得られる。
つぎに、本実施形態に係る触媒担体用炭素材料について説明する。本実施形態に係る触媒担体用炭素材料は、少なくとも以下の要件(a)〜(d)を満たす。
(a)上記樹脂吸着量評価試験により算出される樹脂吸着率Wが30〜100質量%である。
(b)窒素吸着等温線をBJH解析することで得られる直径3〜10nmのメソ孔の比容積V3−10(mL/g)が1.0〜2.0mL/gである。
(c)BET法で評価されるBET比表面積SBET(m2/g)が500〜1500m2/gである。
(d)ラマン分光法により測定されるGバンドの半値幅△Gが30〜70cm−1である。
要件(a)は、触媒担体用炭素材料の電解質材料に対する親和性を規定する要件の1つである。樹脂吸着率Wが30質量%未満となる場合、触媒担体用炭素材料の電解質材料に対する親和性が低すぎて、触媒担体用炭素材料に電解質材料が十分に被覆しない。このため、電極反応に寄与しない触媒成分の数が増える。すなわち、触媒利用率が低下する。一方、樹脂吸着率Wが100質量%を超える場合、触媒担体用炭素材料の電解質材料に対する親和性が高すぎて、触媒担体用炭素材料に電解質材料が過剰に被覆する。この場合、ガス(具体的には、還元性ガス及び酸化性ガス。特に、酸化性ガス。)が電解質材料の層を透過しにくくなる。すなわち、電解質材料中の触媒成分にガスが到達しにくくなる。したがって、この場合にも、電極反応に寄与しない触媒成分の数が増える。すなわち、触媒利用率が低下する。樹脂吸着率Wは、40〜90質量%であることが好ましい。なお、「触媒利用率」は、触媒層中触媒成分の総数と、電極反応に利用される触媒成分の数との比である。実験では、触媒成分の目付け量が同じであり、かつ燃料電池の特性が高くなった場合、触媒利用率が高くなったと言える。
要件(b)も、触媒担体用炭素材料の電解質材料に対する親和性を規定する要件の1つである。比容積V3−10(mL/g)が1.0mL/g未満となる場合、触媒担体用炭素材料の電解質材料に対する親和性が低すぎて、触媒担体用炭素材料に電解質材料が十分に被覆しない。このため、電極反応に寄与しない触媒成分の数が増える。すなわち、触媒利用率が低下する。一方、比容積V3−10(mL/g)が2.0mL/gを超える場合、触媒担体用炭素材料の電解質材料に対する親和性が高すぎて、触媒担体用炭素材料に電解質材料が過剰に被覆する。この場合、ガスが電解質材料の層を透過しにくくなる。すなわち、電解質材料中の触媒成分にガスが到達しにくくなる。したがって、この場合にも、電極反応に寄与しない触媒成分の数が増える。すなわち、触媒利用率が低下する。比容積V3−10(mL/g)は、好ましくは1.35〜1.95(mL/g)である。
要件(c)は、触媒成分が担持される面(具体的には、表面積)を確保するための要件である。BET比表面積が500m2/g未満であると触媒成分を十分に担持するための表面積が不足し、十分な発電性能を発揮し得ない場合が生じる可能性がある。一方、BET比表面積が1500m2/gを超える場合、触媒担体用炭素材料の欠陥部位が多くなる。したがって、触媒担体用炭素材料それ自体の強度が低下し、燃料電池用の触媒として使用できなくなる可能性がある。BET比表面積は、好ましくは1100〜1300m2/gである。
要件(d)は、触媒担体用炭素材料の耐久性を確保するための要件である。Gバンドの半値幅△Gが30cm−1より小さい場合、触媒担体用炭素材料の結晶性が高くなり過ぎて触媒成分を担持させる工程で触媒金属を高分散に担持させ難くなる可能性がある。一方、Gバンドの半値幅△Gが70cm−1を超える場合、起動・停止といった負荷変動の繰返しに対する十分な耐久性が得られない可能性がある。Gバンドの半値幅△Gは、好ましくは35〜50cm−1である。
(e)酸素含有率Omassが0.2〜1.0質量%である。
(f)窒素含有率Nmassが0.25〜1.5質量%である。
ここで、含窒素化合物は、触媒担体用炭素材料に含窒素官能基を導入することができる化合物であれば特に制限されない。含窒素化合物の例としては、メラミン、ヘキサメチレンテトラミン等の含窒素複素環式化合物等が上げられる。含窒素複素環式化合物の他の例として、ピロール、イミダゾール、ピラゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、チアゾール、ピラゾリン及びこれらの誘導体等の5員環型の化合物や、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン、テトラジン、ウラシル及びこれらの誘導体等の6員環型の化合物や、インドール、イソインドール、ベンゾイミダゾール、プリン、キサンチン、インダゾール、ベンゾオキサゾール、ベンゾチアゾール及びこれらの誘導体等の5員環+6員環型の化合物や、キノリン、キノキサリン、キナゾリン、シンノリン、プテリジン及びこれらの誘導体等の6員環+6員環型の化合物等を挙げることができ、更には、テトラフェニルポルフィリン、フタロシアニン、フェナジン、フェノチアジン、アクリジン、タクリン、メラニン等の多環型の化合物等が挙げられる。また、熱処理の温度は、例えば600〜1200℃であってもよく、熱処理の時間は、例えば0.5〜10時間であってもよい。熱処理の温度及び時間によって、窒素含有率Nmassを調整することができる。
つぎに、触媒担体用炭素材料の製造方法について説明する。まず、触媒担体用炭素材料の出発物質を準備する。触媒担体用炭素材料の出発物質は、化学的に安定な炭素材料であることが好ましい。炭素材料の好ましい例としては、カーボンブラックが挙げられる。炭素材料は、他の種類の炭素材料、例えば、黒鉛、炭素繊維、活性炭等、これらの粉砕物、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等の炭素化合物等であってもよい。また、炭素材料は、これらの2種類以上の混合物であってもよい。
本実施形態に係る触媒担体用炭素材料は、例えば図3に示す固体高分子形燃料電池1に適用可能である。固体高分子形燃料電池1は、セパレータ10、20、ガス拡散層30、40、触媒層50、60、及び電解質膜70を備える。
H2→2H++2e− (E0=0V)
O2+4H++4e−→2H2O (E0=1.23V)
固体高分子形燃料電池1の製造方法は特に制限されず、従来と同様の製造方法であればよい。ただし、カソード側の触媒担体には本実施形態に係る触媒担体用炭素材料を用いることが好ましい。
触媒担体用炭素材料の出発物質として、ライオン社製のケッチェンブラックEC600JD(以下、「EJ」と略記する。)、新日鐵住金化学社製エスカーボンMCND(以下、「MC」と略記する。)、及び東海カーボン社製トーカブラック#4500(以下、「TC」と略記する。)を用意した。
(2−1.樹脂吸着率Wの測定)
ポリエチレングリコール(関東化学社製ポリエチレングリコール4000、質量平均分子量4000)を0.50質量%溶解した蒸留水100mLに触媒担体用炭素材料1.00gを投入し、十分に分散させた。ついで、超音波分散機(エスエムテー社製UH−50)で5分間さらに分散処理した。これにより、混合液を作製した。ついで、混合液を100℃にセットしたオイルバスで加熱しながら磁気回転子で5時間撹拌した(第1の工程)。ついで、分散液を60℃まで急冷した。ついで、分散液を樹脂製メンブレンフィルターで濾過することで、触媒担体用炭素材料を分離した(第2の工程)。ついで、触媒担体用炭素材料をビーカーに採り、500mLの蒸留水を加えて分散させ、触媒担体用炭素材料を洗浄した。分散液を再び濾過した後、触媒担体用炭素材料を90℃で5時間真空乾燥した。ついで、触媒担体用炭素材料(この触媒担体用炭素材料には、ポリエチレングリコールが付着している)の質量を測定した。ついで、測定値から第1の工程で使用した触媒担体用炭素材料の質量1.00gを減算することで、樹脂吸着量を測定した(第3の工程)。ついで、樹脂吸着量を第1の工程で使用した触媒担体用炭素材料の質量1.00gで除算することで、樹脂吸着率Wを算出した。例えば、第3の工程で得られた測定値が1.54gであれば、樹脂吸着率Wは54質量%である。なお、触媒担体用炭素材料「E30」(表1参照)の樹脂吸着率Wに関しては、上述したポリエチレングリコール4000の他、質量平均分子量が1000(和光純薬工業株式会社製ポリエチレングリコール1000)、20000(和光純薬工業株式会社製ポリエチレングリコール20000)となるポリエチレングリコールを用いて樹脂吸着率Wを算出した。
触媒担体用炭素材料の試料約50mg測り採り、これを90℃で2時間真空乾燥した。得られた乾燥後の試料を自動ガス吸着測定装置(マイクロトラックベル社製、BELSORP−MAX)にセットし、液体窒素温度における窒素ガスの吸着等温線を測定した。ついで、付属の解析ソフトのBJH解析により、比容積(mL/g)を算出した。
触媒担体用炭素材料の試料約50mgを測り採り、これを90℃で2時間真空乾燥した。得られた乾燥後の試料を自動ガス吸着測定装置(マイクロトラックベル社製、BELSORP−MAX)にセットし、液体窒素温度において窒素ガスの吸着等温線を測定した。ついで、付属の解析ソフトのBET解析により、BET比表面積(m2/g)を算出した。
触媒担体用炭素材料の試料約3mgを測り採り、レーザラマン分光光度計(日本分光(株)製、NRS−7100型)にセットした。ついで、励起レーザー532nm、レーザーパワー100mW(試料照射パワー:0.1mW)、顕微配置:Backscattering、スリット:100μm×100μm、対物レンズ:×100、スポット径:1μm、露光時間:30sec、観測波数:3200〜750cm−1、積算回数:2回の測定条件でGバンドの半値幅(cm−1)を測定した。
分析装置としてLECO製RH402型を用い、C、H、O、Nの通常の不活性ガス融解熱伝導方式を適用して酸素含有率Omass及び窒素含有率Nmass(質量%)を測定した。
(3−1.触媒担体用炭素材料の作製)
実験例1では、以下の賦活処理、黒鉛化処理、酸素導入処理、及び窒素導入処理のいずれか1種以上を組み合わせて行うことで、触媒担体用炭素材料を作製した。
CO2フロー雰囲気中で、触媒担体用炭素材料を900〜1600℃の温度で、0.2〜4時間加熱した。例えば、EJを900℃で3時間CO2賦活処理した場合には、CO2賦活処理後のEJを「EJ−C09/30」と表記する。また、EJを1400℃で0.2時間CO2賦活処理した場合には、CO2賦活処理後のEJを「EJ−C14/02」と表記する。
アルゴンガスを90℃に保持した蒸留水中に通した。ついで、得られた加湿アルゴンガスを1200〜1400℃に保持した触媒担体用炭素材料に5時間接触させた。例えば、EJを1200℃で5時間H2O賦活処理した場合には、H2O賦活処理後のEJを「EJ−H12/05」と表記する。
触媒担体用炭素材料を黒鉛化炉(進成電炉社製タンマン型黒鉛化炉)にセットし、アルゴンガス流通下で1600〜2300℃の温度で1時間熱処理した。例えば、EJを1800℃で黒鉛化処理した場合、黒鉛化処理後のEJを「EJ18」と表記する。
触媒担体用炭素材料1.0gを69質量%の硝酸水溶液200mLに投入し、充分に撹拌した。次いで、分散液を90℃のオイルバスで2時間加温処理した。以上の工程により酸化処理を行った。ついで、分散液をアルゴンガス雰囲気中で600〜1400℃の温度で1時間熱処理した。なお、一部の触媒担体用炭素材料には酸化処理のみを行った。例えば、EJ18を酸化処理した場合には、酸化処理後のEJ18を「EJ18−NA」と表記する。また、EJ18に酸化処理を行った後、700℃で熱処理した場合、熱処理後のEJ18を「EJ18−NA07」と表記する。
触媒担体用炭素材料1.0gを入れた反応容器にメラミン(関東化学社製、一般試薬)を4.0g投入し、これらを混合した。ついで、窒素ガス流通下で当該混合物を毎分3℃の速度で昇温した。ついで、窒素ガス流通下で混合物を600〜1300℃で1時間熱処理した。以上の工程により、窒素導入処理を行った。例えば、EJ18に1000℃で窒素導入処理を行った場合には、熱処理後のEJ18を「EJ18−ML10」と表記する。
(3−2−1.白金担持処理)
上記3−1.で作製された触媒担体用炭素材料を蒸留水中に分散させた。ついで、分散液にホルムアルデヒドを加え、分散液を40℃に設定したウォーターバスにセットした。分散液の温度がウォーターバスと同じ40℃になった後、分散液を撹拌しながら分散液中にジニトロジアミンPt錯体硝酸水溶液をゆっくりと注ぎ入れた。ついで、約2時間撹拌を続けた。ついで、分散液を濾過し、得られた固形物を洗浄した。このようにして得られた固形物を90℃で真空乾燥した後、乳鉢で粉砕した。ついで、粉砕物を水素雰囲気中150℃で1時間熱処理した。以上の工程により、触媒担体用炭素材料にPt粒子を担持させた。すなわち、Pt触媒(触媒担体用炭素材料にPt粒子が担持されたもの)を作製した。なお、触媒担持率は、40質量%とした。触媒担持率は、誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP−AES: Inductively Coupled Plasma−Atomic Emission Spectrometry)により確認した。
電解質材料としてDupont社製ナフィオンDE2020(登録商標:Nafion;パースルホン酸系イオン交換樹脂)を用意した。ついで、Pt触媒及びナフィオンDE2020を、Ar雰囲気下で触媒担体用炭素材料の質量に対してナフィオンDE2020の固形分の質量が1.25倍となる割合で混合した。ついで、混合物を軽く撹拌した。ついで、超音波でPt触媒を解砕した。ついで、Pt触媒とナフィオンDE2020とを合わせた合計の固形分濃度が1.1質量%となるように混合物にエタノールを加えた。以上の工程により、塗布インクを作製した。
塗布インクにさらにエタノールを加え、白金濃度が0.5質量%となるスプレー用インクを作製した。ついで、白金の触媒層単位面積当たりの質量(以下、「白金目付量という。)が0.2mg/cm2となるようにスプレー条件を調節し、上記スプレー用インクをテフロン(登録商標)シート上にスプレーした。ついで、塗布層をアルゴン中120℃で60分間乾燥した。以上の工程により、触媒層を作製した。
ナフィオン膜(Dupont社製NR211)から一辺6cmの正方形状の電解質膜を切り出した。また、テフロン(登録商標)シート上に形成された触媒層からカッターナイフで一辺2.5cmの正方形状の触媒層を2つ切り出した。一方の触媒層はアノード用の触媒層となり、他方の触媒層はカソード用の触媒層となる。
作製したMEAをそれぞれセルに組み込み、燃料電池測定装置を用いて燃料電池の性能を評価した。具体的には、以下の評価を行った。
0.70V以上0.80V未満:○(合格)
0.80V以上0.90V未満:◎(良)
0.90V以上:◎◎(優良)
空気及び純水素の加湿状態がセル温度80℃で飽和加湿状態となるように加湿器を制御した。ついで、出力電圧一定の測定モードで、セル端子間電圧を1.0Vに1.5秒間保持した。次いでセル端子間電圧を1.35Vに上昇させて1.5秒間保持した。ついで、セル端子間電圧を1.0Vに戻した。以上のサイクルを3000回繰り返した。その後、上述した発電性能試験を行い、出力電圧を測定した。
実験例2では、表4に示す触媒担体用炭素材料を用いたこと、及び塗布インクの調整にDupont社製ナフィオンDE2021(登録商標:Nafion;パースルホン酸系イオン交換樹脂。DE2020とはスルホン酸基濃度が異なる)を使用したことを除き、実験例1と同様の処理を行った。結果を表4に示す。なお、DE2021とDE2020は、モノマー構造は同一で、主鎖に対するスルホン酸を含む側鎖の量が異なる樹脂である。すなわち、DE2021とDE2020は、高分子の単位質量当たりの乖離プロトン量が異なる樹脂である。
実験例1、2により、以下の点が確認できた。要件(a)〜(d)が満たされる場合、良好な判定結果が得られた。したがって、要件(a)〜(d)を満たす触媒担体用炭素材料は、電解質材料に対する親和性が高い。すなわち、このような触媒担体用炭素材料を用いた固体高分子形燃料電池は、触媒利用率が高い。ここで、要件(c)、(d)は電解質材料に対する親和性にあまり寄与しないと考えられることから、要件(a)、(b)が電解質材料に対する親和性に大きく寄与する。さらに、実験例2によれば、要件(a)、(b)が満たされる場合、電解質材料が変動しても良好な判定結果が得られた。したがって、樹脂吸着率W及び比容積V3−10(mL/g)は、電解質材料に対する親和性を汎用的に特定するパラメータとなりうる。
10、20 セパレータ
30、40 ガス拡散層
50、60 触媒層
70 電解質膜
Claims (12)
- 固体高分子形燃料電池用の触媒成分を担持可能な触媒担体用炭素材料であって、
ポリエチレングリコール樹脂吸着量評価試験により算出される樹脂吸着率Wが30〜100質量%であり、
窒素吸着等温線をBJH解析することで得られる直径3〜10nmのメソ孔の比容積V3−10(mL/g)が1.0〜2.0mL/gであり、
BET法で評価されるBET比表面積SBET(m2/g)が500〜1500m2/gであり、
ラマン分光法により測定されるGバンドの半値幅△Gが30〜70cm−1であることを特徴とする触媒担体用炭素材料。 - 酸素含有率Omassが0.2〜1.0質量%であることを特徴とする、請求項1記載の触媒担体用炭素材料。
- 窒素含有率Nmassが0.25〜1.5質量%であることを特徴とする、請求項1または2記載の触媒担体用炭素材料。
- 酸素含有率Omassが0.2〜1.0質量%であり、かつ、
窒素含有率Nmassが0.25〜1.5質量%であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の触媒担体用炭素材料。 - 前記樹脂吸着率Wが40〜90質量%であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の触媒担体用炭素材料。
- 固体高分子形燃料電池用の触媒成分を担持可能な触媒担体用炭素材料のポリエチレングリコール樹脂吸着量評価試験方法であって、
ポリエチレングリコール樹脂、前記触媒担体用炭素材料、及び水を含む混合液を、95〜100℃の範囲で1〜10時間撹拌する第1の工程と、
前記混合液から前記ポリエチレングリコール樹脂が付着した触媒担体用炭素材料を分離する第2の工程と、
前記ポリエチレングリコール樹脂が付着した前記触媒担体用炭素材料の質量から前記第1の工程で使用した前記触媒担体用炭素材料の質量を減算することで、樹脂吸着量を測定する第3の工程と、
前記樹脂吸着量と、前記第1の工程で使用した前記触媒担体用炭素材料の質量とに基づいて、樹脂吸着率Wを算出する第4の工程と、を含むことを特徴とする、ポリエチレングリコール樹脂吸着量評価試験方法。 - 前記ポリエチレングリコール樹脂の質量平均分子量は、1000〜20000であることを特徴とする、請求項6記載のポリエチレングリコール樹脂吸着量評価試験方法。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の触媒担体用炭素材料と、
前記触媒担体用炭素材料に担持された触媒成分と、を含むことを特徴とする、固体高分子形燃料電池用触媒。 - 触媒担持率が10〜80質量%であることを特徴とする、請求項8記載の固体高分子形燃料電池用触媒。
- 請求項8または9に記載の固体高分子形燃料電池用触媒を含むことを特徴とする、固体高分子形燃料電池用触媒層。
- 請求項10記載の固体高分子形燃料電池用触媒層を含むことを特徴とする、固体高分子形燃料電池。
- 前記固体高分子形燃料電池は、前記固体高分子形燃料電池用触媒層をカソード側の触媒層として含むことを特徴とする、請求項11記載の固体高分子形燃料電池。
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