JP2017208240A - Metal particle-supporting catalyst, method for manufacturing the same, and fuel cell arranged by use of metal particle-supporting catalyst - Google Patents
Metal particle-supporting catalyst, method for manufacturing the same, and fuel cell arranged by use of metal particle-supporting catalyst Download PDFInfo
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Abstract
Description
本発明は、金属粒子担持触媒とその製造方法と、その金属粒子担持触媒を用いた燃料電池に関する。特に、白金粒子担持触媒とその製造方法と、その白金粒子担持触媒を用いた燃料電池に関する。 The present invention relates to a metal particle supported catalyst, a production method thereof, and a fuel cell using the metal particle supported catalyst. In particular, the present invention relates to a platinum particle supported catalyst, a method for producing the same, and a fuel cell using the platinum particle supported catalyst.
固体高分子形をはじめとする燃料電池は、次世代の発電システムとして期待されている。中でも固体高分子形燃料電池は、他の燃料電池と比較して動作温度が低く、コンパクトである。このことから、固体高分子形燃料電池は、家庭用、自動車用の電源としての利活用が期待されている。 Fuel cells including solid polymer are expected as next-generation power generation systems. Among them, the polymer electrolyte fuel cell has a low operating temperature and is compact compared to other fuel cells. For this reason, the polymer electrolyte fuel cell is expected to be used as a power source for households and automobiles.
そして、近年の燃料電池の普及に伴い、固体高分子形燃料電池用触媒に対して、様々な改善が求められている。固体高分子形燃料電池用触媒は、活性に優れているが、それ以上に改善が求められている。特に、触媒の耐久性の改善が、固体高分子形燃料電池用触媒に求められており、多数の検討がなされている。 With the recent widespread use of fuel cells, various improvements have been demanded for solid polymer fuel cell catalysts. The solid polymer fuel cell catalyst is excellent in activity, but further improvement is required. In particular, improvement of the durability of the catalyst is required for the polymer electrolyte fuel cell catalyst, and many studies have been made.
その中で、近年注目されている技術として、以下のような技術が開発されている。例えば、発電の活性を向上させるために、合成された白金族金属粒子担持触媒の後処理として、酸性溶液に白金族金属粒子担持触媒を浸す開発がされている。ここで白金族金属粒子担持触媒とは、少なくとも白金族金属を含有する金属粒子をカーボンに担持させたものである。 Among them, the following technologies have been developed as technologies attracting attention in recent years. For example, in order to improve the power generation activity, development of immersing the platinum group metal particle-supported catalyst in an acidic solution has been made as a post-treatment of the synthesized platinum group metal particle-supported catalyst. Here, the platinum group metal particle-supported catalyst is a catalyst in which metal particles containing at least a platinum group metal are supported on carbon.
前述した白金族金属粒子担持触媒の後処理とは、所定濃度の酸化性溶液に白金族金属粒子担持触媒を浸漬し所定時間加熱する処理方法である。この処理により、白金族金属粒子担持触媒のカーボン表面の親水性官能基量が増加し、燃料電池としての発電特性が向上する(特許文献1)。 The post-treatment of the platinum group metal particle-supported catalyst described above is a treatment method in which the platinum group metal particle-supported catalyst is immersed in an oxidizing solution having a predetermined concentration and heated for a predetermined time. By this treatment, the amount of hydrophilic functional groups on the carbon surface of the platinum group metal particle-supported catalyst is increased, and the power generation characteristics as a fuel cell are improved (Patent Document 1).
また、白金族金属粒子担持触媒の耐久性を向上させる目的とし、担体であるカーボンへ白金族金属粒子を担持させる前に、カーボンを1500℃以上の高温で熱処理し、カーボンを結晶化させる。このことで、カーボン劣化による発電特性の劣化を低減、つまり耐久性を向上させることができることが述べられている(先行文献2)。 Further, for the purpose of improving the durability of the platinum group metal particle-supported catalyst, the carbon is crystallized by heat-treating the carbon at a high temperature of 1500 ° C. or higher before the platinum group metal particles are supported on the carrier carbon. Thus, it is described that deterioration of power generation characteristics due to carbon deterioration can be reduced, that is, durability can be improved (prior art document 2).
(特許文献1)
特許文献1に示す触媒製造方法では、担体であるカーボンに白金族金属粒子を担持させた白金族金属粒子担持カーボンを、酸性溶液に接触させ、カーボンの表面に親水性の官能基を付与させて白金族金属粒子担持触媒を製造している。
(Patent Document 1)
In the catalyst production method shown in Patent Document 1, platinum group metal particle-supported carbon in which platinum group metal particles are supported on carbon as a carrier is brought into contact with an acidic solution to impart a hydrophilic functional group to the surface of the carbon. We produce platinum group metal particle supported catalysts.
しかし、カーボンの中には、密度が高い部分、低い部分のバラツキが存在する。例えば一例として、図1(a)と図1(b)にケッチェンブラック(ライオン社製)を用いた白金族金属粒子担持触媒のSTEM画像を示す。 However, in carbon, there are variations in high density and low density areas. For example, FIG. 1A and FIG. 1B show STEM images of platinum group metal particle-supported catalysts using Ketjen Black (manufactured by Lion) as an example.
図1(a)は、密度が低い状態、図1(b)は密度が高い状態を示している。いずれの図でも、場所により、カーボンの密度が低い部分が混在している。その状態で、前述した酸性溶液に、カーボンを接触させると、カーボンの密度が低い部分から、カーボン内部まで酸性溶液が浸透し、カーボン全体が酸化処理されてしまう。このため、上記酸性溶液で処理した白金族金属粒子担持触媒は、強度的に弱い。 FIG. 1A shows a low density state, and FIG. 1B shows a high density state. In any figure, the part where the density of carbon is low is mixed by the place. In this state, when carbon is brought into contact with the acidic solution described above, the acidic solution penetrates from the portion where the density of carbon is low to the inside of the carbon, and the entire carbon is oxidized. For this reason, the platinum group metal particle supported catalyst treated with the acidic solution is weak in strength.
図2は、一例として、ケッチェンブラック(ライオン製)を用いた白金族金属粒子担持触媒を酸性溶液で処理した前後において、白金族金属粒子担持触媒の加熱により発生するガスのマス分析の結果を示したものである。 FIG. 2 shows, as an example, the results of mass analysis of gas generated by heating a platinum group metal particle-supported catalyst before and after the platinum group metal particle supported catalyst using Ketjen Black (manufactured by Lion) is treated with an acidic solution. It is shown.
aのデータは酸性溶液処理前、bのデータは酸性溶液処理後に、室温から500℃まで10℃/minで昇温させた場合に発生する分子量78(ベンゼン)のガスのスペクトルを示している。 The data “a” indicates the spectrum of a gas having a molecular weight of 78 (benzene) generated when the temperature is raised from room temperature to 500 ° C. at a rate of 10 ° C./min before the acidic solution treatment, and the data of b.
これはカーボンから発生するガスであり、酸性溶液で処理によりカーボンからガスが発生する。つまり、カーボンの表面が分解されて弱くなっている。このカーボンを燃料電池の電極として使用し発電させると、発電に伴い電極に発生するH2O2により、カーボンが劣化され、発電特性が低下する。 This is a gas generated from carbon, and gas is generated from carbon by treatment with an acidic solution. In other words, the surface of the carbon is decomposed and weakened. When this carbon is used as an electrode of a fuel cell to generate power, the carbon is deteriorated by H 2 O 2 generated at the electrode along with power generation, and the power generation characteristics are deteriorated.
(特許文献2)
また、特許文献2に示すカーボン処理方法では、1500℃以上の高温でカーボンを熱処理し、カーボンの表面を結晶化させる。このことでカーボンの耐久性が向上させる。
(Patent Document 2)
Further, in the carbon treatment method disclosed in Patent Document 2, carbon is heat-treated at a high temperature of 1500 ° C. or higher to crystallize the carbon surface. This improves the durability of the carbon.
しかし、カーボンを結晶化させることで、カーボンの比表面積が低下してしまう。そのため、カーボン表面に金属粒子を担持させる際、カーボン比表面積が低いため金属粒子が密集して担持される。もしくは、カーボンが凝集してしまう。そのことにより、金属粒子の表面が有効に利用され難く、燃料電池の電極として使用し発電させると、発電特性が低くなってしまう問題がある。 However, by crystallizing carbon, the specific surface area of carbon is reduced. Therefore, when the metal particles are supported on the carbon surface, the metal particles are densely supported because the carbon specific surface area is low. Or carbon will aggregate. As a result, the surface of the metal particles is difficult to be used effectively, and there is a problem that power generation characteristics are lowered when power is generated using the fuel cell electrode.
そこで、本発明の課題は、密度が低い部分を有さず、比表面積が確保されたカーボンを用いた金属粒子担持触媒とその製造方法と、その金属粒子担持触媒を用いた燃料電池を提供することとする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a metal particle-supported catalyst using carbon that does not have a low density portion and has a specific surface area, a method for manufacturing the same, and a fuel cell using the metal particle-supported catalyst. I will do it.
上記目的を達成させるために、カーボンを熱処理する前処理工程と、上記カーボンへ金属粒子を担持させ、金属粒子担持カーボンを形成する金属粒子担持工程と、上記金属粒子担持カーボンを酸性溶液中で処理することで金属粒子担持触媒を形成する酸化処理工程と、含む金属粒子担持触媒の製造方法を用いる。 In order to achieve the above object, a pretreatment step of heat treating carbon, a metal particle supporting step of forming metal particle supporting carbon by supporting metal particles on the carbon, and treating the metal particle supporting carbon in an acidic solution Thus, an oxidation treatment step for forming a metal particle-supported catalyst and a method for producing the metal particle-supported catalyst are used.
また、室温から500℃まで昇温させることで発生するガスとして、カーボン由来のガスが発生しないカーボンを用い、カーボンへ金属粒子を担持させ、金属粒子担持カーボンを形成し、金属粒子担持カーボンを酸性溶液中で処理することで形成された金属粒子担持触媒を用いる。 Further, as a gas generated by raising the temperature from room temperature to 500 ° C., carbon that does not generate a carbon-derived gas is used, metal particles are supported on carbon, metal particle-supported carbon is formed, and metal particle-supported carbon is acidic. A metal particle-supported catalyst formed by processing in a solution is used.
さらに、上記金属粒子担持触媒を用いた燃料電池を用いる。 Further, a fuel cell using the metal particle supported catalyst is used.
本発明によれば、発電電特性が高く、且つ、耐久性が高い燃料電池向け触媒を製造することができる。 According to the present invention, a fuel cell catalyst having high power generation characteristics and high durability can be produced.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の全ての図において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、以下、本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の説明に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々に変更して実施することができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all of the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. The present invention will be described in detail below, but the present invention is not limited to the following description, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention.
<燃料電池の構造>
図3は、本発明の実施形態にかかる燃料電池の基本構成を示す断面図である。本実施形態にかかる燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させる。このことにより、電力と熱とを同時に発生させる高分子電解質型燃料電池である。なお、実施の形態は、高分子電解質形燃料電池に限定されるものではなく、種々の燃料電池に適用可能である。
<Structure of fuel cell>
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the basic configuration of the fuel cell according to the embodiment of the present invention. The fuel cell according to this embodiment electrochemically reacts a fuel gas containing hydrogen with an oxidant gas containing oxygen such as air. This is a polymer electrolyte fuel cell that simultaneously generates electric power and heat. The embodiment is not limited to the polymer electrolyte fuel cell, and can be applied to various fuel cells.
本実施の形態にかかる燃料電池は、図3に示すように、膜電極接合体10(MEA)と、膜電極接合体10の両面に配置された一対の板状のアノードセパレータ20A、20Cとを有するセル5(単電池)を備えている。なお、本実施形態にかかる燃料電池は、このセル5を1つでも複数個積層して構成されていてもよい。この場合、互いに積層されたセル5は、燃料ガス及び酸化剤ガスがリークしないように且つ接触抵抗を減らすために、ボルトなどの締結部材(図示せず)により所定の締結圧にて加圧締結されていることが好ましい。
As shown in FIG. 3, the fuel cell according to the present embodiment includes a membrane electrode assembly 10 (MEA) and a pair of plate-like anode separators 20 </ b> A and 20 </ b> C disposed on both surfaces of the
膜電極接合体10は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜11と、この高分子電解質膜11の両面に形成された一対の電極層とを有している。一対の電極層の一方は、アノード電極(燃料極ともいう)12Aであり、他方はカソード電極(空気極ともいう)12Cである。
The
アノード電極12Aは、高分子電解質膜11の一方の面上に形成され、白金属触媒を坦持した炭素粉末を主成分とするアノード触媒層13Aと、このアノード触媒層13A上に形成され、集電作用とガス透過性と撥水性とを併せ持つアノードガス拡散層14Aとを有している。 The anode electrode 12A is formed on one surface of the polymer electrolyte membrane 11, formed on the anode catalyst layer 13A mainly composed of carbon powder carrying a white metal catalyst, and the anode catalyst layer 13A. It has an anode gas diffusion layer 14A having both electric action, gas permeability and water repellency.
カソード電極12Cは、高分子電解質膜11の他方の面上に形成され、白金属触媒を坦持した炭素粉末を主成分とするカソード触媒層13Cと、このカソード触媒層13C上に形成され、集電作用とガス透過性と撥水性とを併せ持つカソードガス拡散層14Cとを有している。 The cathode electrode 12C is formed on the other surface of the polymer electrolyte membrane 11, and is formed on the cathode catalyst layer 13C mainly composed of carbon powder carrying a white metal catalyst and the cathode catalyst layer 13C. It has a cathode gas diffusion layer 14C having both electric action, gas permeability and water repellency.
アノード電極12A側に配置されたアノードセパレータ20Aには、アノードガス拡散層14Aと当接する主面に、燃料ガスを流すための燃料ガス流路21Aが設けられている。
The anode separator 20A disposed on the anode electrode 12A side is provided with a
燃料ガス流路21Aは、例えば、互いに略平行な複数の溝で構成されている。カソード電極12C側に配置されたカソードセパレータ20Cには、カソードガス拡散層14Cと当接する主面に、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路21Cが設けられている。
The
酸化剤ガス流路21Cは、例えば、互いに略平行な複数の溝で構成されている。 The oxidant gas flow path 21C is constituted by, for example, a plurality of grooves that are substantially parallel to each other.
なお、アノードセパレータ20A及びカソードセパレータ20Cには、冷却水などが通る冷却水流路(図示せず)が設けられていてもよい。燃料ガス流路21Aを通じてアノード電極12Aに燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス流路21Cを通じてカソード電極12Cに酸化剤ガスが供給されることで、電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。ここで、より効率的に電気化学反応を起こすためには、燃料ガスおよび酸化剤ガスを加湿し、前述したアノード電極12Aおよびカソード電極12Cを所定の保水状態に維持することが重要である。これは、反応物質が水分を介して移動するためであり、加湿条件は燃料電池の構成、仕様により適宜調整する。
The anode separator 20A and the cathode separator 20C may be provided with a cooling water passage (not shown) through which cooling water or the like passes. The fuel gas is supplied to the anode electrode 12A through the fuel
なお、この実施の形態では、燃料ガス流路21Aをアノードセパレータ20Aに設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、燃料ガス流路21Aは、アノードガス拡散層14Aに設けてもよい。この場合、アノードセパレータ20Aは平板状であってもよい。同様に、この実施の形態では、酸化剤ガス流路21Cをカソードセパレータ20Cに設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、酸化剤ガス流路21Cは、カソードガス拡散層14Cに設けてもよい。この場合、カソードセパレータ20Cは平板状であってもよい。
In this embodiment, the
アノードセパレータ20Aと高分子電解質膜11との間には、燃料ガスが外部に漏れることを防ぐために、アノード触媒層13A及びアノードガス拡散層14Aの側面を覆うようにシール材としてアノードセパレータ15Aが配置されている。また、カソードセパレータ20Cと高分子電解質膜11との間には、酸化剤ガスが外部に漏れることを防ぐために、カソード触媒層13C及びカソードガス拡散層14Cの側面を覆うようにシール材としてカソードセパレータ15Cが配置されている。 Between the anode separator 20A and the polymer electrolyte membrane 11, an anode separator 15A is disposed as a sealing material so as to cover the side surfaces of the anode catalyst layer 13A and the anode gas diffusion layer 14A in order to prevent fuel gas from leaking to the outside. Has been. Further, between the cathode separator 20C and the polymer electrolyte membrane 11, in order to prevent the oxidant gas from leaking to the outside, the cathode separator is used as a sealing material so as to cover the side surfaces of the cathode catalyst layer 13C and the cathode gas diffusion layer 14C. 15C is arranged.
アノードセパレータ15A及びカソードセパレータ15Cとしては、一般的な熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などを用いることができる。例えば、アノードセパレータ15A及びカソードセパレータ15Cとして、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイミド系樹脂、アクリル樹脂、ABS樹脂、ポリプロピレン、液晶性ポリマー、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリスルホン、ガラス繊維強化樹脂などを用いることができる。 As the anode separator 15A and the cathode separator 15C, a general thermoplastic resin, thermosetting resin, or the like can be used. For example, as the anode separator 15A and the cathode separator 15C, silicon resin, epoxy resin, melamine resin, polyurethane resin, polyimide resin, acrylic resin, ABS resin, polypropylene, liquid crystalline polymer, polyphenylene sulfide resin, polysulfone, glass fiber reinforced resin Etc. can be used.
なお、アノードセパレータ20A及びカソードセパレータ20Cは、それらの一部がアノードガス拡散層14A又はカソードガス拡散層14Cの周縁部に含浸しているほうが好ましい。これにより、発電耐久性及び強度を向上させることができる。 The anode separator 20A and the cathode separator 20C are preferably partially impregnated in the peripheral portion of the anode gas diffusion layer 14A or the cathode gas diffusion layer 14C. Thereby, power generation durability and strength can be improved.
また、アノードセパレータ20A及びカソードセパレータ20Cに代えて、アノードセパレータ20Aとカソードセパレータ20Cとの間に、高分子電解質膜11、アノード触媒層13A、アノードガス拡散層14A、カソード触媒層13C及びカソードガス拡散層14Cの側面を覆うように、セパレータを配置してもよい。これにより、高分子電解質膜11の劣化を抑制し、膜電極接合体10のハンドリング性、量産時の作業性を向上させることができる。
Further, instead of the anode separator 20A and the cathode separator 20C, the polymer electrolyte membrane 11, the anode catalyst layer 13A, the anode gas diffusion layer 14A, the cathode catalyst layer 13C, and the cathode gas diffusion are provided between the anode separator 20A and the cathode separator 20C. A separator may be disposed so as to cover the side surface of the layer 14C. Thereby, deterioration of the polymer electrolyte membrane 11 can be suppressed, and the handling property of the
<触媒の製造方法>
上記燃料電池の構造におけるアノード電極12A、もしくは/または、カソード電極12Cを構成するアノード触媒層13A、もしくは/または、カソード触媒層13Cの触媒として、本実施の形態の白金族金属粒子担持触媒(以降、触媒と述べる)を用いる。
<Method for producing catalyst>
As a catalyst for the anode catalyst layer 13A or the cathode catalyst layer 13C constituting the anode electrode 12A and / or the cathode electrode 12C in the structure of the fuel cell, the platinum group metal particle-supported catalyst of the present embodiment (hereinafter referred to as the catalyst) , Described as catalyst).
実施の形態にかかる触媒の製造方法について図4を用いて説明する。 The manufacturing method of the catalyst concerning embodiment is demonstrated using FIG.
(1)担体であるカーボン材料を前処理し、密度が低いカーボンを除去する工程(以下、前処理工程と延べる。)を実施する。 (1) A step of pretreating a carbon material as a carrier to remove carbon having a low density (hereinafter referred to as a pretreatment step) is performed.
(2)次に前処理工程で所定の処理を行ったカーボンを用い、カーボン上へ少なくとも白金を含有した金属粒子を担持させる(以後、金属粒子担持工程と述べる)。 (2) Next, using carbon that has been subjected to a predetermined treatment in the pretreatment step, metal particles containing at least platinum are supported on the carbon (hereinafter referred to as a metal particle support step).
(3)さらに、金属粒子が担持されたカーボンを、酸化溶液中に含浸させ、カーボン表面に官能基を導入する(以降、酸化処理工程と述べる。)。この工程により、カーボンをより親水性にすることができ、前述した燃料電池を構成し発電する際、アノード電極層、もしくは/および、カソード電極層の保水効果が得られ、効率的に発電させることができる。 (3) Further, carbon carrying metal particles is impregnated in an oxidizing solution, and functional groups are introduced on the carbon surface (hereinafter referred to as an oxidation treatment step). By this process, carbon can be made more hydrophilic, and when the above-described fuel cell is constructed and power is generated, the water retention effect of the anode electrode layer and / or the cathode electrode layer can be obtained and power can be generated efficiently. Can do.
以上、前述した前処理工程、金属粒子担持工程、酸化処理工程の順に処理することを特徴とする。 As described above, the pretreatment process, the metal particle supporting process, and the oxidation treatment process are performed in this order.
前述した各工程における詳細内容を以下に説明する。 The detailed content in each process mentioned above is demonstrated below.
[1.前処理工程]
本実施の形態に用いられるカーボン111としては、比表面積が250〜1200m2/gの炭素粉末を適用することが望ましい。
[1. Pretreatment process]
As the
比表面積を250m2/g以上とすることにより、触媒が付着する面積を増加させることができるので触媒粒子を高い状態で分散させ有効表面積を高くすることが可能となる。 By setting the specific surface area to 250 m 2 / g or more, the area to which the catalyst adheres can be increased, so that the catalyst particles can be dispersed in a high state and the effective surface area can be increased.
一方、比表面積が1200m2/gを超えると、電極を形成する際にイオン交換樹脂の進入しにくい超微細孔(約20Å未満)の存在割合が高くなり触媒粒子の利用効率が低くなる。 On the other hand, when the specific surface area exceeds 1200 m 2 / g, the existence ratio of ultrafine pores (less than about 20 mm) into which the ion exchange resin is difficult to enter when forming the electrode is increased, and the utilization efficiency of the catalyst particles is decreased.
カーボン111の具体例としては、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ等が挙げられる。なお、これらは一種を単独で使用してもよく、二種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
Specific examples of the
カーボン111を600〜1500℃で熱処理した。ここで、熱処理の手段について得に限定されるものではなく、バッチ式焼成炉、ロータリーキルン、ガス循環型焼成炉などを使用することができる。
また、酸素が存在する雰囲気で加熱すると、カーボン111が燃焼してしまうため、不活性ガス中で処理することが望ましい。
また、600℃以下の熱処理であると、密度が低いカーボン111の除去が不十分であり、1500℃以上の熱処理になると、カーボン111の全体が結晶化し表面積の低下を招くため、カーボン111の熱処理温度を、600℃以上1500℃以下にすることが望ましい。
In addition, when heated in an atmosphere in which oxygen is present, the
Further, when the heat treatment is 600 ° C. or lower, the removal of the
そこで熱処理する時間の管理が必要である。除去したい密度が低いカーボン111が熱分解し、残したい密度が高いカーボン111は分解しない温度と処理時間の調整が必要である。
Therefore, it is necessary to manage the heat treatment time. It is necessary to adjust the temperature and processing time at which
さらに本前処理工程の別の手段として、短時間の高温処理をする、大気プラズマやUV光、レーザー光を用いることも有効である。このことにより、処理時間の短縮による製造コスト低減や、温度ムラによる処理のバラツキ等が低減でき品質面で安定する効果が期待できる。本実施の形態では、一般的な大気圧プラズマ処理機を用い、ガス種として空気を用いて処理した。 Furthermore, it is also effective to use atmospheric plasma, UV light, or laser light, which is a high-temperature treatment for a short time, as another means of this pretreatment process. As a result, the manufacturing cost can be reduced by shortening the processing time, the variation in processing due to temperature unevenness and the like can be reduced, and the effect of stabilizing the quality can be expected. In the present embodiment, processing is performed using a general atmospheric pressure plasma processing machine and air as a gas species.
[2.金属粒子担持工程]
上述した前処理を施したカーボン111を用い、カーボン111と金属粒子の原料となる金属前駆体121および必要に応じて添加剤122を溶媒123に混合/分散させ、所定の温度、時間の条件で攪拌した。
[2. Metal particle support process]
Using the
また、攪拌する間、溶液を、pHを4〜10の範囲でpH調整剤124を用いて調整し、温度を30〜40℃で保持した。ここでpHの調整範囲は特に限定されるものではなく、カーボン111および金属前駆体121を均一に分散、溶解させるために、カーボン111の表面のゼータ電位や金属前駆体の溶解性を制御するためである。そのため、使用する材料に合わせて調整することが必要である。
While stirring, the solution was adjusted to a pH in the range of 4 to 10 using the
その後、還元剤125を添加し、金属前駆体121を構成する金属イオンを還元させることで、金属粒子をカーボン111へ担持させる。その後は、濾別し、洗浄、乾燥、焼成により、白金族金属粒子担持カーボンを取り出し、表面に付着した溶媒やこれまでの工程で付着した不純物を除去する。この洗浄、乾燥、焼成の手順は、一般的な方法であり、特に限定されるものではない。
Thereafter, a reducing
本白金族金属粒子担持工程における各材料について更に以下に説明する。 Each material in this platinum group metal particle carrying | support process is further demonstrated below.
[金属前駆体121]
本実施の形態では、金属粒子として白金族粒子を用いた白金族金属粒子担持触媒を製造した。そのために用いる金属前駆体として、白金族の無機化合物(白金族の酸化物、硝酸塩、硫酸塩等)、ハロゲン化物(白金族の塩化物等)、有機酸塩(白金族の酢酸塩等)、錯塩(白金族のアンミン錯体等)、有機金属化合物(白金族のアセトルアセトナート錯体等)等が挙げられる。また、白金族金属そのものを反応溶液中に溶解させて使用してもよい。なお、白金族とは、通常知られているように、Ptの他、Ru、Rh、Pd、Os、Ir等の各元素を含む。
[Metal precursor 121]
In the present embodiment, a platinum group metal particle-supported catalyst using platinum group particles as the metal particles was manufactured. As metal precursors used for that purpose, platinum group inorganic compounds (platinum group oxides, nitrates, sulfates, etc.), halides (platinum group chlorides, etc.), organic acid salts (platinum group acetates, etc.), Examples thereof include complex salts (such as platinum group ammine complexes) and organometallic compounds (such as platinum group acetolacetonate complexes). Further, the platinum group metal itself may be used after dissolved in the reaction solution. Note that the platinum group includes elements such as Ru, Rh, Pd, Os, and Ir in addition to Pt, as is generally known.
中でも、白金族塩としては、白金族を含有する無機化合物、白金族のハロゲン化物、又は白金族を含有する有機金属化合物を用いることが好ましく、具体的には、白金族の塩化物を用いることが特に好ましい。 Among them, as the platinum group salt, it is preferable to use an inorganic compound containing a platinum group, a platinum group halide, or an organometallic compound containing a platinum group. Specifically, a platinum group chloride is used. Is particularly preferred.
なお、白金族塩は、何れか一種を単独で用いてもよく、二種以上を任意の組み合わせ及び比率で組み合わせて用いてもよい。 In addition, a platinum group salt may be used individually by 1 type, and may be used combining 2 or more types by arbitrary combinations and ratios.
[添加剤122]
次に添加剤について説明する。この添加剤は、カーボン111および金属前駆体121を溶媒中に均一に分散/溶解させるために用いる。そのため添加剤は、それ自身溶媒に溶解もしくは分散し、金属前駆体の溶媒への溶解を妨げない、カーボン111の溶媒への親和性を向上させる、以後の工程で金属粒子やカーボンを凝集させない制約の範囲で選定する必要がある。
[Additive 122]
Next, the additive will be described. This additive is used to uniformly disperse / dissolve the
上述した範囲であれば、添加剤としては、一般的な錯化剤、分散剤や界面活性剤と称される添加剤を用いることができる。錯化剤の具体的なものとして、エチレンジアミン(ethylenediamine)(略称EDA:分子式:H2N(CH2)2NH2)やジエタノールアミン(Diethanolamine)(略称DEA:分子式:(HOCH2CH2)2NH)などのような、窒素原子もしくは酸素原子を含む化合物が望ましい。また界面活性剤として臭化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム(hexadecyltrimethylammonium bromide)(略称CTAB:分子式(CH3(CH2)15N(CH3)3Br)などのような、親水性のアミノ基と疎水性の炭化水素からなる化合物が望ましい。また、錯化剤と界面活性剤の両方の特性を有する化合物を使用することも出来る、しかしここで錯化剤や界面活性剤の種類について限定されるものではない。 If it is the range mentioned above, the additive called a general complex agent, a dispersing agent, or surfactant can be used as an additive. Specific examples of the complexing agent include ethylenediamine (abbreviation EDA: molecular formula: H 2 N (CH 2 ) 2 NH 2 ) and diethanolamine (abbreviation DEA: molecular formula: (HOCH 2 CH 2 ) 2 NH. A compound containing a nitrogen atom or an oxygen atom, such as In addition, as a surfactant, a hydrophilic amino group such as hexadecyltrimethylammonium bromide (abbreviation CTAB: molecular formula (CH 3 (CH 2 ) 15 N (CH 3 ) 3 Br)) and a hydrophobic group are used. Compounds composed of hydrocarbons are desirable, and compounds having the properties of both a complexing agent and a surfactant can be used, but the types of complexing agents and surfactants are not limited here. .
[溶媒123]
溶媒の種類は、本発明の課題を解決し効果を奏する限り何ら制限されないが、通常は水または有機溶媒が使用される。有機溶媒の例としては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール等のアルコール類が挙げられる。
[Solvent 123]
The type of the solvent is not limited as long as it solves the problems of the present invention and has an effect, but usually water or an organic solvent is used. Examples of the organic solvent include alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, and 2-propanol.
中でも、溶媒としては、pHを制御しやすいという観点から、水が好ましく、特に蒸留水やイオン交換水を用いることが好ましい。 Among these, water is preferable as the solvent from the viewpoint of easy control of pH, and distilled water or ion exchange water is particularly preferable.
なお、溶媒は、何れか一種を単独で使用してもよく、二種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。しかしpHの制御という観点から、水とアルコール類の混合比は、全体容量に対しアルコール類の混合容量が50%以下が望ましい。 In addition, a solvent may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio. However, from the viewpoint of pH control, the mixing ratio of water and alcohols is desirably 50% or less of the mixing capacity of alcohols with respect to the total volume.
[pH調整剤124]
次に、上述した金属前駆121、カーボン、および添加剤122を溶媒123に溶解、分散させた混合溶液を、pH調整剤124によりpHを調整した。これは、溶液中の微粒子は表面に電荷を有しており、その電荷はpH依存性があることが一般的である。そのためpHにより電荷がプラス〜0〜マイナスと変化する。電荷が0に近いとカーボンが凝集してしまい、後の工程でカーボン上に担持される金属粒子の担持位置に偏りが発生する懸念がある。
[PH adjuster 124]
Next, the pH of the mixed solution in which the
その場合はpHを酸性側もしくはアルカリ性側に調整して、カーボンの凝集を防ぐことが望ましい。 In that case, it is desirable to adjust the pH to the acidic side or the alkaline side to prevent carbon aggregation.
またpHを調整する手法は制限されないが、通常はpH調整剤を用いる。pH調整剤の例としては、硝酸、硫酸、塩酸、アンモニア、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム等が挙げられる。中でも、塩酸、硝酸、水酸化ナトリウムが好ましい。なお、pH調整剤は、何れか一種を単独で使用してもよく、二種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 Moreover, although the method of adjusting pH is not restrict | limited, Usually, a pH adjuster is used. Examples of the pH adjuster include nitric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, ammonia, potassium hydroxide, sodium hydroxide and the like. Of these, hydrochloric acid, nitric acid, and sodium hydroxide are preferable. In addition, a pH adjuster may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio.
[還元剤125]
還元剤125は、金属前駆体121およびカーボン111を溶解/分散している溶媒に可溶なものであれば、その種類は制限されない。
[Reducing agent 125]
The kind of the reducing
還元剤の具体例としては、ヒドラジン等の窒素化合物、水素化ホウ素ナトリウム等のホウ素化合物、ホルムアルデヒド等のアルデヒド類、L−アスコルビン酸および類似するカルボン酸類、メタノール等のアルコール類、等が挙げられる。 Specific examples of the reducing agent include nitrogen compounds such as hydrazine, boron compounds such as sodium borohydride, aldehydes such as formaldehyde, L-ascorbic acid and similar carboxylic acids, alcohols such as methanol, and the like.
中でも、還元剤としては、水素化ホウ素ナトリウム、ヒドラジンが好ましい。 Of these, sodium borohydride and hydrazine are preferable as the reducing agent.
なお、上記例示の還元剤は、何れか一種を単独で使用してもよく、二種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 In addition, any one of the reducing agents illustrated above may be used alone, or two or more may be used in any combination and ratio.
還元剤の使用量としては、上記の白金族塩溶液中に含有される全ての白金族錯体を、十分に白金族に還元できる量が好ましい。 The amount of the reducing agent used is preferably an amount that can sufficiently reduce all the platinum group complexes contained in the platinum group salt solution to the platinum group.
一般的には、金属1当量に対して、通常1倍当量以上であればよく、還元反応の効率を考慮すれば、好ましくは1.2倍当量以上、より好ましくは1.5倍当量以上、更に好ましくは2倍当量以上が望ましい。また、未反応物の後処理等を考慮すると、上限としては通常、500倍当量以下、中でも100倍当量以下、更には40倍当量以下が好ましい。 In general, it may be usually 1-fold equivalent or more with respect to 1 equivalent of metal, and preferably 1.2-fold equivalent or more, more preferably 1.5-fold equivalent or more, considering the efficiency of the reduction reaction. More preferably, a double equivalent or more is desirable. In consideration of post-treatment of unreacted materials, the upper limit is usually 500 times equivalent or less, preferably 100 times equivalent or less, and more preferably 40 times equivalent or less.
また、白金族塩溶液と炭素粉末分散液と還元剤125とを接触させる方法は制限されない。通常は、前述の白金族塩溶液と前述の炭素粉末分散液を混合した混合溶液に還元剤125を加えて混合し、白金族金属の還元反応を行なえばよい。
Further, the method for bringing the platinum group salt solution, the carbon powder dispersion, and the reducing
なお、白金族塩溶液に還元剤125を直接加えて混合してもよいが、白金族塩溶液に対する混合、溶解を容易にするために、還元剤125を予め溶媒に溶解させておき、この溶液(以下、「還元剤溶液」という)を白金族塩溶液に加えて混合してもよい。
The reducing
この場合、溶媒としては、還元剤125を溶解させることが可能なものであれば、その種類は制限されない。また、一種の溶媒を単独で用いてもよく、二種以上の溶媒を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。但し、通常は白金族塩溶液の溶媒と同種の溶媒を用いる。
In this case, the type of the solvent is not limited as long as it can dissolve the reducing
還元剤溶液における還元剤125の濃度や、還元剤溶液の使用量も特に制限されない。還元剤溶液を白金族塩溶液に加えた場合に、白金族塩溶液中の金属に対する還元剤の量が上記範囲を満たすように、適宜調整すればよい。
The concentration of the reducing
還元反応時の温度は、通常4℃以上、好ましくは10℃以上、また、通常沸点以下、好ましくは95℃以下、より好ましくは90℃以下の範囲である。還元反応時の温度が高過ぎると、還元反応が速く進行する為、目的の白金族化合物以外が生成する場合がある一方、温度が低過ぎると、還元力が弱すぎて目的の白金族化合物を得ることができない場合がある。 The temperature during the reduction reaction is usually 4 ° C. or higher, preferably 10 ° C. or higher, and usually lower than the boiling point, preferably 95 ° C. or lower, more preferably 90 ° C. or lower. If the temperature at the time of the reduction reaction is too high, the reduction reaction proceeds faster, so that other than the target platinum group compound may be generated. On the other hand, if the temperature is too low, the reducing power is too weak and the target platinum group compound is You may not get it.
なお、還元反応を開始する手順としては、以下の二つの手法(1)、(2)が挙げられるが、何れの手順を用いてもよい。 In addition, as a procedure for starting the reduction reaction, the following two methods (1) and (2) may be mentioned, but any procedure may be used.
(1)還元剤を加えても還元反応が進行しない程度の低い温度(上記規定還元温度範囲未満の温度。通常は常温以下、好ましくは10℃以下、より好ましくは5℃以下)において、白金族塩溶液と炭素粉末分散液の混合溶液に還元剤(還元剤溶液)を加えて混合し、その後に還元反応が進行するのに十分な温度(上記規定温度範囲内の温度)まで昇温する手法。 (1) The platinum group at such a low temperature that the reduction reaction does not proceed even when a reducing agent is added (temperature below the above-mentioned normal reduction temperature range, usually room temperature or lower, preferably 10 ° C. or lower, more preferably 5 ° C. or lower). A method of adding a reducing agent (reducing agent solution) to a mixed solution of a salt solution and a carbon powder dispersion, mixing the mixture, and then raising the temperature to a temperature sufficient for the reduction reaction to proceed (a temperature within the specified temperature range). .
(2)白金族塩の還元反応が十分に進行する温度(上記規定温度範囲内の温度)まで白金族塩溶液と炭素粉末分散液の混合溶液を予め加熱しておき、その状態で還元剤を加えて還元反応を開始する手法。 (2) The mixed solution of the platinum group salt solution and the carbon powder dispersion is heated in advance to a temperature at which the reduction reaction of the platinum group salt sufficiently proceeds (temperature within the above specified temperature range). In addition, a technique to start a reduction reaction.
これまでの工程を経て、カーボン上に金属粒子を担持させた金属粒子担持カーボンが分散した溶液が製造できた。この分散した金属粒子担持カーボンを濾別し、水やエタノールなどで十分に洗浄した。ここで洗浄は、濾液がアルカリ性ではなく、十分中性になったことを確認し、洗浄操作を終了とした。 Through the steps so far, a solution in which metal particle-supporting carbon in which metal particles are supported on carbon is dispersed can be produced. The dispersed metal particle-supporting carbon was separated by filtration and thoroughly washed with water or ethanol. Here, the washing was completed after confirming that the filtrate was not alkaline but sufficiently neutral.
また、濾別した金属粒子担持カーボンに付着した溶媒成分を除去するため、50〜110℃で乾燥、もしくは、減圧雰囲気下に放置した。さらに、必要に応じて、錯化剤や界面活性剤の残渣が残る場合は、100〜400℃で焼成して除去することも可能である。 Moreover, in order to remove the solvent component adhering to the metal particle carrying | support carbon separated by filtration, it dried at 50-110 degreeC, or was left to stand in a pressure-reduced atmosphere. Further, if necessary, if a complexing agent or surfactant residue remains, it can be removed by baking at 100 to 400 ° C.
[3.酸性処理工程]
上述した濾別された金属粒子担持カーボンを、再度水に分散させた。そして硝酸、硫酸、塩酸から少なくとも1種類以上の酸溶液131を添加し、pHを1〜2になるように調整した。
[3. Acid treatment process]
The metal particle-supporting carbon separated by filtration described above was dispersed again in water. And at least 1 or more types of
また、酸の濃度は1〜3mol/L、温度は50〜80℃で設定し、0.5〜12h攪拌した後、金属粒子担持カーボンを濾別し、水やエタノールなどで十分に洗浄した。ここで洗浄は、濾液が酸性ではなく、十分中性になったことを確認した。この工程により、カーボン表面をより親水性にすることができ、前述した燃料電池を構成し発電する際、アノード電極層、もしくは/および、カソード電極層の保水効果が得られる。その結果、反応物質が水分を介して伝導し易くなり、効率的に発電させることができる。 The acid concentration was set to 1 to 3 mol / L, the temperature was set to 50 to 80 ° C., and after stirring for 0.5 to 12 hours, the metal particle-supported carbon was separated by filtration and sufficiently washed with water or ethanol. The washing here confirmed that the filtrate was not acidic and became sufficiently neutral. By this step, the carbon surface can be made more hydrophilic, and the water retention effect of the anode electrode layer and / or the cathode electrode layer can be obtained when the above-described fuel cell is configured to generate power. As a result, the reactant is easily conducted through moisture, and can efficiently generate power.
[4.触媒完成]
上述した前述した[1.前処理工程]、[2.金属粒子担持工程]、[3.酸化処理工程]を経て、金属粒子担持カーボン144を得る。
[4. Catalyst completed]
[1. Pretreatment step], [2. Metal particle supporting step], [3. Through the oxidation treatment step, the metal particle-supporting
(実施例)
更に本実施の形態における白金族金属粒子担持触媒の製造方法について、比較および実施例を以下に示す。基本の製造方法の一例を以下に示す。
(Example)
Furthermore, a comparison and an Example are shown below about the manufacturing method of the platinum group metal particle carrying | support catalyst in this Embodiment. An example of a basic manufacturing method is shown below.
まず、カーボンとしてケッチェンブラックEC(ライオン社製)を用い、熱処理手段として、バッチ式焼成炉、および、プラズマ処理装置を用いて、カーボンの前処理工程を変化させて検討した。 First, Ketjen Black EC (manufactured by Lion Corporation) was used as carbon, and a batch-type firing furnace and a plasma processing apparatus were used as heat treatment means, and the carbon pretreatment process was changed and examined.
次に金属前駆体121としてヘキサクロロ白金(4価)酸六水和物(H2Cl6Pt・6H2O)を用い、添加剤としてエチレンジアミンを錯化剤として用いた。この金属前駆体121と添加剤122の混合比は、モル比で1:2〜1:10の割合で、水:エタノール比率1:0.1〜1:0.4のエタノール水溶液中に溶解させた。その溶解液を、30〜50℃で12〜24h加熱攪拌した。ここで、カーボン111の分散性を向上させるために、界面活性剤を添加することも可能である。またpH調整剤124として硝酸と水酸化ナトリウムを用い、所定のpHで保持するように調整した。
Next, hexachloroplatinic (tetravalent) acid hexahydrate (H 2 Cl 6 Pt · 6H 2 O) was used as the
次に、前述した攪拌後の溶解液に、水素化ホウ素ナトリウムを投入し所定時間攪拌することで白金を還元させ、金属粒子をカーボン111上へ担持し、金属粒子担持カーボンを溶液中で製造した。
Next, sodium borohydride was added to the above-mentioned solution after stirring, and platinum was reduced by stirring for a predetermined time to support the metal particles on the
その後、濾別、洗浄、乾燥することで、金属粒子担持カーボンを得た。 Thereafter, the carbon carrying metal particles was obtained by filtering, washing and drying.
ここで使用するカーボン111の詳細な条件は以下に示し、それぞれのカーボン111を用いた場合の評価結果を表1、2に示す。表1と表2とは、前処理の熱処理の手段が異なる。カーボン111を、表1では、バッチ炉で熱処理、表2では、大気圧プラズマ、UV照射で処理をした。
Detailed conditions of the
[比較例1]
金属粒子担持工程で用いるカーボン111は、前処理を施さない状態で使用した。
[比較例2]
金属粒子担持工程で用いるカーボン111は、300℃で熱処理を施したカーボンを用い、それ以外は比較例1と同等の方法で触媒を製造方法した。
[実施例1]
金属粒子担持工程で用いるカーボン111は、600℃で熱処理を施したカーボンを用い、それ以外は比較例1と同等の方法で触媒を製造方法した。
[実施例2]
金属粒子担持工程で用いるカーボン111は、900℃で熱処理を施したカーボンを用い、それ以外は比較例1と同等の方法で触媒を製造方法した。
[実施例3]
金属粒子担持工程で用いるカーボン111は、1500℃で熱処理を施したカーボン111を用い、それ以外は比較例1と同等の方法で触媒を製造方法した。
[実施例4]
金属粒子担持工程で用いるカーボン111は、2000℃で熱処理を施したカーボン111を用い、それ以外は比較例1と同等の方法で触媒を製造方法した。
[比較例3]
金属粒子担持工程で用いるカーボン111は、大気圧プラズマ処理を0.1sec間処理したカーボン111を用い、それ以外は比較例1と同等の方法で触媒を製造方法した。
[実施例5]
金属粒子担持工程で用いるカーボン111は、大気圧プラズマ処理を0.3sec間処理したカーボン111を用い、それ以外は比較例1と同等の方法で触媒を製造方法した。
[実施例6]
金属粒子担持工程で用いるカーボン111は、大気圧プラズマ処理を0.5sec間処理したカーボン111を用い、それ以外は比較例1と同等の方法で触媒を製造方法した。
[実施例7]
金属粒子担持工程で用いるカーボン111は、大気圧プラズマ処理を0.1sec間を5回処理したカーボン111を用い、それ以外は比較例1と同等の方法で触媒を製造方法した。
[実施例8]
金属粒子担持工程で用いるカーボン111は、UV照射処理を0.1sec間を5回処理したカーボン111を用い、それ以外は比較例1と同等の方法で触媒を製造方法した。
[Comparative Example 1]
The
[Comparative Example 2]
As the
[Example 1]
As the
[Example 2]
As the
[Example 3]
[Example 4]
The
[Comparative Example 3]
As the
[Example 5]
The
[Example 6]
The
[Example 7]
As the
[Example 8]
As the
<評価項目>
[TG分析による重量減少量評価]
前処理工程にて処理されたカーボンの熱分析結果の一例を図5に示す。この熱分析の測定条件は以下である。
<Evaluation items>
[Evaluation of weight loss by TG analysis]
An example of the thermal analysis result of the carbon processed in the pretreatment process is shown in FIG. The measurement conditions for this thermal analysis are as follows.
測定機器: TG−DTA6200(SII製)
キャリアーガス:窒素
測定温度条件:r.t.〜600℃ (昇温速度:10℃/min)、600℃で30min保持
上記測定条件で測定し、測定初期の重量を100%とし、600℃で30min保持した時点での重量減少率(測定中の重量減少量/測定開始時の重量*100)<図中のA>を重量減少量として表1、2に表示した。
Measuring instrument: TG-DTA6200 (manufactured by SII)
Carrier gas: nitrogen Measurement temperature condition: r. t. ˜600 ° C. (temperature increase rate: 10 ° C./min), held at 600 ° C. for 30 min. Measured under the above measurement conditions, the initial weight is 100%, and the weight loss rate at the time of holding at 600 ° C. for 30 min (during measurement) The weight reduction amount / weight at the start of measurement * 100) <A in the figure> is shown in Tables 1 and 2 as the weight reduction amount.
ここで、この重量減少はカーボンが分解することによりガス化することで重量が減少したことを示いる。また、このガス化はカーボンの密度が低い箇所から、ガス化していると考え、カーボンに結合強度が弱い部分が存在することを表している。つまりその重量減少量が多いほど、カーボンの耐久性が低いと考える。 Here, this weight reduction indicates that the weight is reduced by gasification due to decomposition of carbon. In addition, this gasification is considered to be gasified from a location where the density of carbon is low, and this indicates that there is a portion with low bond strength in carbon. In other words, the greater the weight loss, the lower the durability of the carbon.
そこで重量減少率の合否は−2.4%以下とした。−2.4%より大きくなると、ガスの発生が多く、後述する膜電極接合体の電圧降下量が大きくなる、つまり耐久性悪化するためである。 Therefore, the success or failure of the weight reduction rate is set to -2.4% or less. If it exceeds -2.4%, there is a large amount of gas generation, and the voltage drop amount of the membrane electrode assembly described later increases, that is, the durability deteriorates.
[ガス分析評価]
前処理工程にて処理されたカーボンのガス分析結果を以下の条件で測定した。
[Gas analysis evaluation]
The gas analysis results of the carbon treated in the pretreatment process were measured under the following conditions.
測定機器:JMS−Q1000GCK9(JEOL社製)
キャリアーガス:ヘリウムガス(1mL/min)
測定温度条件:100℃〜500℃(昇温速度:20℃/min)
上記測定条件で測定し、分子量78のピークが検出されるか否かを確認し、検出された場合を有、検出されなかった場合を無と表1、2に表示した。
Measuring instrument: JMS-Q1000GCK9 (manufactured by JEOL)
Carrier gas: helium gas (1 mL / min)
Measurement temperature conditions: 100 ° C. to 500 ° C. (temperature increase rate: 20 ° C./min)
The measurement was performed under the above measurement conditions, and it was confirmed whether or not a peak having a molecular weight of 78 was detected.
ここで、分子量78はベンゼンを示していると考え、カーボンが分解・ガス化する際、ベンゼンもしくは類似した形状でガス化していると推定している。通常カーボンが分解してガス化する際、カーボンを構成するベンゼン環が切断され、低分子量(分子量78より小さい分子量)に分解されて検出される。 Here, it is assumed that the molecular weight 78 indicates benzene, and when carbon is decomposed and gasified, it is estimated that it is gasified in benzene or a similar shape. Usually, when carbon is decomposed and gasified, the benzene ring constituting the carbon is cleaved, and is detected by being decomposed to a low molecular weight (molecular weight smaller than molecular weight 78).
しかし分子量78が検出されるということは、高分子量の状態でガス化している、つまり、カーボンを構成するベンゼン環同士の結合が弱いと考える。そのため、分子量78が検出された場合は、カーボンの耐久性が低いことを示していると判断した。ガスが検出されたものが不合格、ガスが検出されなかったものは合格とした。 However, when the molecular weight 78 is detected, it is considered that the gas is gasified in a high molecular weight state, that is, the bond between the benzene rings constituting the carbon is weak. Therefore, when the molecular weight 78 was detected, it was judged that the durability of carbon was low. Those in which gas was detected were rejected, and those in which gas was not detected were considered acceptable.
ここで、この分子量78のガス化はカーボンの密度が低い箇所から、発生していると考える。 Here, it is considered that the gasification of the molecular weight 78 is generated from a portion where the density of carbon is low.
[膜電極接合体電圧<初期>]
燃料電池の構成の項目で説明した構造を有する発電評価装置を用いた。その中で、膜電極接合体10の製造方法について説明する。
[Membrane electrode assembly voltage <initial>]
The power generation evaluation apparatus having the structure described in the item of the configuration of the fuel cell was used. In the description, a method for manufacturing the
具体的には、カソード電極12Cに本実施の形態における触媒を用い、燃料電池を構成し、その発電特性を検討するものである。カソード電極12Cの製造では、本実施の形態の比較例、実施例により製造した触媒を、所定比率に混合したエチルアルコール/水混合溶媒、もしくは2−プロパノール/n−プロパノール/水混合溶媒に分散させた。必要に応じて超音波を照射して分散させた。 Specifically, the catalyst in the present embodiment is used for the cathode electrode 12C to constitute a fuel cell, and its power generation characteristics are examined. In the production of the cathode electrode 12C, the comparative example of this embodiment and the catalyst produced in the example are dispersed in an ethyl alcohol / water mixed solvent or a 2-propanol / n-propanol / water mixed solvent mixed in a predetermined ratio. It was. Ultrasound was irradiated and dispersed as necessary.
次に、その分散溶液にイオン交換樹脂(商品名:ナフィオンDupont製)の5%溶液を添加し攪拌混合した。 Next, a 5% solution of an ion exchange resin (trade name: manufactured by Nafion Dupont) was added to the dispersion solution and mixed with stirring.
次に、この混合溶液を、電解質膜へスプレー塗布し、白金量を0.2〜0.3mg/cm2の所定量になるように調整して、塗布膜を形成した。 Next, this mixed solution was spray-coated on the electrolyte membrane, and the amount of platinum was adjusted to be a predetermined amount of 0.2 to 0.3 mg / cm 2 to form a coated film.
次に、この塗布膜を130〜150℃、5〜30kg/cm2でホットプレスし、カソード電極を形成した。 Next, this coating film was hot-pressed at 130 to 150 ° C. and 5 to 30 kg / cm 2 to form a cathode electrode.
アノード電極12Aは、アノード標準触媒としてTEC10E50E(田中貴金属製)を用い、カソード電極12Cと同等の製造方法で製造した。 The anode electrode 12A was manufactured by the same manufacturing method as the cathode electrode 12C using TEC10E50E (manufactured by Tanaka Kikinzoku) as an anode standard catalyst.
完成した膜電極接合体10を用い、燃料電池を構成して、以下の条件で発電特性を評価した。
A fuel cell was constructed using the completed
ここで、膜電極接合体10の評価の電圧は、セル温度80℃、カソードおよびアノードの露点温度を65℃、酸素利用率、水素利用率の利用率を50〜70%。電流密度0.25mA/cm2で発電させた電圧を測定した。ここで0.25mA/cm2に設定した理由は、家庭用燃料電池で使用する電流密度を想定して設定している。しかし本発明において、この電流密度について特に限定されるものではない。
Here, the evaluation voltage of the
[膜電極接合体電圧<耐久後>]
さらに上述した膜電極接合体電圧<初期>の測定後、15min間発電させた後、アノードおよびカソードに供給させる酸素および水素の供給をストップさせて15min、発電を停止させた。この発電と発電停止の操作を繰り返し、1000サイクル後の膜電極接合体10の電圧を測定した。
[Membrane electrode assembly voltage <after endurance>]
Furthermore, after measuring the membrane electrode assembly voltage <initial> described above, power was generated for 15 minutes, and then supply of oxygen and hydrogen supplied to the anode and cathode was stopped to stop power generation for 15 minutes. This operation of power generation and power generation stop was repeated, and the voltage of the
[耐久前後の電圧降下量]
膜電極接合体10の電圧<初期>から膜電極接合体10の電圧<耐久後>の電圧差を電圧降下量として、数値化した。
[Voltage drop before and after endurance]
The voltage difference between the voltage <initial> of the
この数値の良し悪しは、燃料電池の仕様によっても異なるが、まず電圧降下量15mV以下の場合を良好(○と表示)15mV以上の場合を不良(×と表示)とした。 The quality of this value depends on the specifications of the fuel cell, but first, a voltage drop of 15 mV or less was judged as good (shown as ◯), and a case where it was 15 mV or more was judged as bad (shown as ×).
また、電圧降下量は15mV以下だが、初期の電圧が低下している場合を△と表示した。 Moreover, although the voltage drop amount was 15 mV or less, a case where the initial voltage was lowered was indicated by Δ.
<考察>
比較例1では、カーボン111の前処理が施されていない。比較例2では、処理温度が低い。これらのため、カーボン111の密度が低い箇所において、酸化処理工程でカーボン骨格が分解され、結合エネルギーが弱い状態の部分が発生していたと考えられる。そのため、カーボン111のTG分析によるTG重量減少量が多い。また、熱によりカーボン骨格が分解、ガス化し、ガス分析でカーボン担体由来と考えられるピークが検出されたと考える。
<Discussion>
In Comparative Example 1, the pretreatment of the
これらの結果より、TG重量減少量は2.8%より小さくなるようにカーボン111を前処理することが望ましいと考える。またガス分析においてカーボン由来のガスが発生しないカーボンになるまで前処理することが望ましい。
From these results, it is considered desirable to pre-treat the
一方、実施例1〜3において、カーボンの前処理として600〜1500℃の熱処理を施すことにより、上述したカーボン111の密度が低い箇所が事前に除去され、カーボンのTG分析によるTG重量減少量が減少したと考える。また、それに伴い、ガス分析によるカーボン担体由来と考えられるピークが検出されなくなったと考える。
On the other hand, in Examples 1 to 3, by performing a heat treatment at 600 to 1500 ° C. as a pretreatment of carbon, the above-mentioned portion where the density of the
また、実施例4では、2000℃の熱処理を施した。このことにより、膜電極接合体10の電圧降下量は少なく良好であるが、膜電極接合体10の電圧<初期><耐久後>の絶対値が他に比べ低いことが確認される。これはカーボン111の前処理温度が高温であったため、それに伴いカーボン111の結晶化が進行し、表面積が低下したと考える。
In Example 4, a heat treatment at 2000 ° C. was performed. This confirms that the voltage drop amount of the
そのため、カーボン111の表面へ担持された金属粒子は、高分散にカーボン上に担持されず、部分的に凝集もしくは粒子の肥大化が発生したと推測する。そのため、カーボン111の前処理の温度は2000℃より低くする必要がある。好ましくは、1550度以下が好ましい。
For this reason, the metal particles supported on the surface of the
さらに、加熱手段として大気圧プラズマ処理を実施した例を、表2の比較例3および実施例5〜8に示す。 Furthermore, the example which implemented the atmospheric pressure plasma process as a heating means is shown in the comparative example 3 of Table 2, and Examples 5-8.
比較例3では処理時間0.1secであり処理時間が不十分であったが、実施例5にように処理時間を0.3secに伸ばすことで、密度が低いカーボン111の除去が進行し、燃料電池の耐久性が向上したと考えられる。
In Comparative Example 3, the processing time was 0.1 sec and the processing time was insufficient. However, as the processing time was increased to 0.3 sec as in Example 5, the removal of
しかし、実施例6のように処理時間が長いと燃料電池の発電電圧が低下することが確認された。これは、処理時間が長いことによりカーボン111の温度が急激に上昇し、結晶化が進行したためと推測している。そこで実施例7で示すように、短時間の照射を複数回繰り返すことで上述したカーボンの温度が急激に上昇する不具合を解消することも可能である。
However, it was confirmed that the power generation voltage of the fuel cell decreases when the processing time is long as in Example 6. This is presumably because the temperature of the
また、実施例8の様に、大気圧プラズマ処理ではなく、UV照射処理によっても同様な効果が得られる。このことより、カーボンの結晶化が進行しないように短時間で高温処理することが重要である。そのためには、前処理を短時間で複数回繰り返すことが有効である。 Further, the same effect can be obtained not by the atmospheric pressure plasma treatment as in the embodiment 8 but also by the UV irradiation treatment. For this reason, it is important to perform the high temperature treatment in a short time so that the crystallization of carbon does not proceed. For this purpose, it is effective to repeat the pretreatment a plurality of times in a short time.
以上の結果よりこの内容を実現する範囲では、特に処理方法が限定されることはなく、大気圧プラズマ処理、UV照射処理以外にレーザー光などによる処理も可能であると考える。ここで、上記処理方法で長時間処理すると、カーボンが1500℃以上になる時間が長く、結晶化が進むと考える。そこで、1500℃以上に加熱される時間が0.3sec以下になるように処理時間、回数、処理間隔などを調整することが、のぞましいと考える。 From the above results, the processing method is not particularly limited as long as this content is realized, and it is considered that processing using laser light or the like is possible in addition to atmospheric pressure plasma processing and UV irradiation processing. Here, it is considered that when the treatment is performed for a long time by the above treatment method, the time for carbon to be 1500 ° C. or more is long and crystallization proceeds. Therefore, it is desirable to adjust the processing time, the number of times, the processing interval, etc. so that the time for heating to 1500 ° C. or more is 0.3 sec or less.
本発明の触媒の製造方法の用途は、特に制限されるものではないが、例えば固体高分子形燃料電池の電極触媒として用いることが可能である The use of the method for producing a catalyst of the present invention is not particularly limited, but it can be used, for example, as an electrode catalyst for a polymer electrolyte fuel cell.
5 セル
10 膜電極接合体
11 高分子電解質膜
12A アノード電極
12C カソード電極
13A アノード触媒層
13C カソード触媒層
14A アノードガス拡散層
14C カソードガス拡散層
15A アノードセパレータ
15C カソードセパレータ
20A アノードセパレータ
20C カソードセパレータ
21A 燃料ガス流路
21C 酸化剤ガス流路
5
Claims (11)
前記カーボンへ金属粒子を担持させ、金属粒子担持カーボンを形成する金属粒子担持工程と、
前記金属粒子担持カーボンを酸性溶液中で処理することで金属粒子担持触媒を形成する酸化処理工程と、を含む金属粒子担持触媒の製造方法。 A pretreatment process for heat treating carbon;
A metal particle supporting step of supporting metal particles on the carbon to form metal particle supporting carbon;
An oxidation treatment step of forming the metal particle-supported catalyst by treating the metal particle-supported carbon in an acidic solution.
A fuel cell using the metal particle-supported catalyst according to claim 10.
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