JP2019012601A - 燃料電池触媒担体用鋳型炭素材料、燃料電池触媒担体用鋳型炭素材料の製造方法、燃料電池用触媒層、及び燃料電池 - Google Patents
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Abstract
Description
H2→2H++2e− (E0=0V)
O2+4H++4e−→2H2O (E0=1.23V)
ネック部の最小径とネック部の直径の分布の指標として、窒素吸脱着等温線におけるヒステリシスループの閉じる相対圧及び脱着等温線の傾きが利用出来ることを見出した。
ネック部の最小径を大きくする技術として、MgO賦活処理を見出した。つまり、本発明に係る炭素材料は、概ね以下の工程で作製される。すなわち、MgO鋳型と炭素源との混合物を焼成する(第1の加熱工程)。これにより、炭素源は、その一部(具体的には、揮発性の高い成分)が分解しながらMgO鋳型中に分散し、結晶子の表面に付着する。そして、結晶子の表面に付着した炭素源が炭素化する。図1は、結晶子10aの表面に炭素層20が付着したMgO−炭素複合体を模式的に示す。図1では、複数の結晶子10aによってMgO鋳型粒子10が形成される。そして、結晶子10aの表面に炭素化した炭素源からなる炭素層20が形成される。ついで、MgO−炭素複合体を高温で熱処理(第2の加熱工程)する。この熱処理がMgO賦活処理である。このMgO賦活処理によって、図2に示すように、炭素層20が減肉する。ついで、MgO鋳型を除去することで、図3に示すように、本実施形態に係る炭素材料50を作製する。炭素材料50では、結晶子10aが存在した箇所が主にボトル部20aあるいは他の種類の細孔となり、結晶子同士の連結部分が存在した箇所がネック部20bとなる。炭素層20が減肉されているので、ボトル部20a及びネック部20bの直径が拡大する。すなわち、ネック部20bの最小径が拡大する。
(1)結晶子10aに付着した炭素とMgOとが反応し、CO2ガスが生成する。
(2)生成したCO2ガスは、炭素層20の内壁を酸化(すなわち、賦活)(CO2+C→2CO)する。
(3)CO2ガスの発生と、発生したCO2ガスによる内壁の賦活の相乗効果によって、炭素層20が減肉される。
(1)特許文献1および特許文献2に記載されている実施例は900℃であり、「MgO賦活効果」が得られない温度域での例示となっており、当該文献の発明者らは、本発明の「MgO賦活効果」を実施していない。
(2)また、特許文献1および特許文献2の発明者を含む文献3(T.Morishita他、CARBON,48(2010)2690−2707)では、特許文献1および特許文献2と同様の炭素を報告している。その中の2702ページでは、「炭素の多孔質化効果」は、PVAがMgO表面で炭化するときの収縮によって生成するミクロポアによる効果であると記述しており、本発明の「MgO賦活効果」の「細孔拡大効果」と「ネック部径の拡大効果」とは異なる。このように、MgO賦活効果によってネック部の最小径が大きくなり、かつ、ボトル部の直径が大きくなることは、本発明者によって初めて得られた知見である。
ネック部の直径の分布を狭くするには、結晶子径が揃ったMgO鋳型を用いることが有効な手段であることを見出した。図1〜図3では、結晶子径が揃っている(均一となっている)。この場合、図1〜図3から明らかな通り、MgO賦活処理前においては、炭素層20によって形成される細孔(メソ孔)の直径が揃っている。また、結晶子10a同士の連結部分の直径も揃っているので、この部分を被覆する炭素層20によって形成される細孔(ネック部に相当)の直径も揃っている。そして、このような炭素層20をMgO賦活処理することによって、ボトル部20aの直径が揃い、かつ、ネック部20bの直径も揃う。すなわち、ネック部20bの直径の分布が狭くなる。なお、結晶子径が不揃いのMgO鋳型を使用した場合、MgO賦活処理前においては、炭素層20によって形成される細孔(メソ孔)の直径が不揃いとなる。また、結晶子10a同士の連結部分の直径も不揃いとなるので、この部分を被覆する炭素層20によって形成される細孔(ネック部に相当)の直径も不揃いとなる。そして、このような炭素層20をMgO賦活処理した場合、炭素層20の内壁が不均一に賦活されるので、ボトル部20aの直径が不揃いになるのみならず、ネック部20bの直径も不揃いとなる。
まず、本実施形態に係る炭素材料の構成について説明する。本実施形態に係る炭素材料は、燃料電池の触媒担体に好適に使用される。本実施形態に係る炭素材料は、ボトルネック型細孔を多数有するが、ネック部の最小径が大きく、かつ、ネック部の直径の分布が狭くなっている。以下、炭素材料の構成について詳細に説明する。
窒素吸脱着等温線におけるヒステリシスループの閉じる相対圧(P/P0)cが、0.55超、0.8未満である。上述したように、ヒステリシスループの閉じる相対圧(P/P0)cは、ネック部の最小径に相当する。つまり、本実施形態では、ネック部の最小径は、キャビテーションが生じる際の径よりも大きい。したがって、ヒステリシスループが閉じる相対圧(P/P0)cは、ネック部の最小径に依存する。相対圧(P/P0)cが0.55超、0.8未満の範囲であれば、ネック部の最小径が十分大きく、フラッディングが抑制される。言い換えれば、ガス拡散性に優れる。
本実施形態では、ネック部の直径の分布の均一さの指標として、ヒステリシスループが閉じる直前の窒素脱着等温線の傾きを採用した。具体的には、ヒステリシスループが閉じる直前の窒素脱着等温線の傾きに相当する、(P/P0)c+0.1〜(P/P0)c間の窒素脱着量dVが65m3/g超である。窒素脱着量dVが65cm3/g超であれば、ネック部の直径の分布が十分に狭くなる。この結果、ボトルネック型細孔へのガス拡散性が均一になり、ボトルネック型細孔の内部に存在する多くの触媒成分が発電反応に寄与することができる。
本実施形態に係る炭素材料のBET比表面積は、700m2/g超2000m2/g未満となる。BET比表面積が700m2/g超であれば触媒成分を直径2〜4nm程度の微粒子として高分散状態で担持することができる。ここで、BET比表面積が700m2/g以下だと、触媒成分を微粒子として高分散に担持できない場合が生じる。BET比表面積の上限は、制限するものではないが、物理的強度や酸化消耗耐久性を得るための黒鉛性が両立できる2000m2/g程度が実現できる上限となる。
本実施形態に係る炭素材料は、燃料電池として耐酸化消耗性の観点から、黒鉛性が高い(言い換えれば、結晶性の高い)構造を有していることが好ましい。具体的には、ラマン分光スペクトルから得られるGバンドの半価幅△Gが35cm−1超70cm−1未満であることが好ましい。ここで、Gバンドは、1500〜1700cm−1の範囲のピークを意味する。Gバンドの半値幅△Gが35cm−1以下だと結晶性が発達しすぎて、比表面積700m2/g超との両立ができない場合が生じうる。一方、Gバンドの半値幅△Gが70cm−1以上だと、耐酸化消耗性が低く、耐久性を確保することが難しくなる可能性がある。
炭素材料の平均粒子径は、200nm超1000nm未満であることが好ましい。この場合、炭素材料を燃料電池触媒担体としてカソード側の触媒層に用いたとき、ガス拡散に好適な粒子間隙を触媒層中で形成できる。
次に、炭素材料の製造方法について説明する。炭素材料の製造方法は、好ましくは、MgO鋳型の選定工程、炭素源の選定工程、炭素源とMgO鋳型の混合工程、第1の加熱工程、第2の加熱工程、MgO除去工程、及び第3の加熱工程を含む。以下、各工程について詳細に説明する。
この工程では、MgO鋳型を選定する。ここで、MgO鋳型の最小構成粒子は、上述したように、結晶子である。複数の結晶子が凝集することで、ひと塊のMgO鋳型粒子を形成する。MgO鋳型をSEM(走査型電子顕微鏡)で観察すると、結晶子があらゆる箇所で連結してひと塊のMgO鋳型粒子を構成していることが分かる。
この工程では、炭素源を選定する。炭素源は、特に制限されず、例えば従来の鋳型法に使用される炭素源であってもよい。例えば、炭素源は、各種の有機物であってもよい。炭素源の例としては、具体的には、ポリビニルアルコール、脂肪族系もしくは芳香族系のポリエステル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリアクリロニトリル系樹脂、ポリブタジエンやポリイソプレン等を主体とするエラストマー、天然ゴム、石油樹脂、フェノール系樹脂、フラン系樹脂、エポキシ系樹脂、アルキド系樹脂、ポリイミド等が挙げられる。炭素源は、これらの例のうち、実質的に炭素、水素、酸素のみで構成されるもの、すなわち、ポリビニルアルコール、ポリエステル系樹脂、スチレン系樹脂、石油樹脂などであることが好ましい。これらの炭素前駆体は、粉末状、ペレット状、塊状など任意の形状であってもよく、有機溶剤に溶解あるいは分散されていても良い。また、上記で挙げた例は室温で固体の有機物であるが、炭素源は、室温で液体の有機物であってもよい。このような例としては、フルフリルアルコール、アクリロニトリル、酢酸ビニル等が挙げられる。炭素源は、上記で列挙された樹脂のうち、熱可塑性樹脂であることがより好ましい。熱可塑性樹脂の例としては、上述したポリビニルアルコール等が挙げられる。炭素源に熱可塑性樹脂を用いると、第1の加熱工程の際に、炭素源が溶融するので、結晶子の表面に炭素源が均一に被覆しやすくなる。この結果、結晶子の表面に炭素層が均一に形成されるので、より均質な炭素材料を得ることができる。
この工程では、炭素源とMgO鋳型とを混合する。炭素材料を均質にするという観点から、炭素源とMgO鋳型とは、均一に(つまり、成分の偏りがなるべく少なくなるように)混合されることが好ましい。混合方法は、炭素源とMgO鋳型とを均一に混合できる方法であることが好ましいが、特に制限されない。混合方法の例としては、乾式または湿式のボールミルによる混合が挙げられる。この混合方法によれば、炭素源とMgO鋳型とを均一に混合することができる。
第1の加熱工程では、MgO鋳型の結晶子に炭素源を被覆し、かつ、炭素源を炭素化する。具体的には、第1の加熱工程では、炭素源とMgO鋳型との混合物を不活性雰囲気下で焼成する。これにより、炭素源は、その一部(具体的には、揮発性の高い成分)が分解しながらMgO鋳型中に分散し、結晶子の表面に付着する。そして、結晶子の表面に付着した炭素源(具体的には、揮発性の低い成分)が炭素化する。これにより、MgO−炭素複合体を作製する。
第2の加熱工程では、MgO−炭素複合体を高温で熱処理する。すなわち、上述した「MgO賦活処理」を行う。このMgO賦活処理によって、MgO−炭素複合体中の炭素層が減肉する。これにより、ボトルネック型細孔のボトル部及びネック部が拡大する。つまり、ネック部の最小径が大きくなり、ボトル部の直径が大きくなる。
この工程では、炭素−MgO複合体を酸洗することで、MgO鋳型を酸洗液中に溶解する。これにより、炭素−MgO複合体からMgO鋳型を除去する。工程後の炭素材料に残留するMgO成分は、炭素材料の総質量に対して0.5質量%以下であることが好ましい。炭素材料中のMgO成分の残存量は、炭素材料を酸化雰囲気で燃焼させた後、残存した灰分を、王水などの酸で溶解させ、その溶液をICP発光分光分析法などの成分分析法を行うことで、定量できる。炭素材料に残存するMgO成分の残存量が0.5質量%超であると、炭素材料を燃料電池に適用した際に、発電反応中に溶解したMgOが電解質樹脂と反応し、プロトン伝導性が低下し、結果として燃料電池性能が低くなる影響が大きくなる。酸洗に用いる酸は、MgOが可溶であればよく、好ましい例としては、硫酸が挙げられる。酸洗後、炭素材料を水洗し、乾燥させる。以上の工程により、本実施形態に係る炭素材料を得ることができる。この炭素材料では、ネック部の最小径が大きくなっており、かつ、ネック部の直径の分布が狭くなっている。具体的には、ヒステリシスループが閉じる相対圧(P/P0)cが0.55超、0.8未満であり、(P/P0)c+0.1〜(P/P0)c間の窒素脱着量dVが65cm3/g超となっている。したがって、この炭素材料を燃料電池に使用した場合、ネック部においてフラッディングが発生しにくい。さらに、各ボトルネック型細孔に均等に酸化性ガスが供給される。したがって、ガス拡散性が向上し、発電性能が向上する。特に、高加湿環境下での発電時等での発電性能が向上する。
MgO除去工程を行った段階での炭素材料も十分な発電性能を発揮するが、炭素材料の耐久性をさらに高めるために、第3の加熱工程を行うことが好ましい。第3の加熱工程では、炭素材料の結晶性を向上させることで、炭素材料に燃料電池用触媒担体として必要な耐久性を具備させることができる。
本実施形態に係る触媒担体用炭素材料は、例えば図6に示す固体高分子形燃料電池100に適用可能である。固体高分子形燃料電池100は、セパレータ110、120、ガス拡散層130、140、触媒層150、160、及び電解質膜170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100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。
つぎに、本実施形態の実施例について説明する。まず、各パラメータの測定方法について説明する。
マイクロトラック・ベル社製のBELSORPminiを用いて窒素ガス吸着測定を行い、窒素吸着等温線および窒素脱着等温線を得た。測定温度は77Kとした。窒素吸着等温線は、相対圧0〜0.995の範囲で測定し、窒素脱着等温線の測定は、窒素吸着等温線測定から連続して行った。窒素脱着等温線は、相対圧0.995〜0.3までの範囲で測定した。
相対圧を0.995から下げて窒素脱着等温線を測定する過程で、窒素脱着等温線の吸着量と、窒素吸着等温線の吸着量の差(dD)が初めて10cm3/g以下となった相対圧をヒステリシスループの閉じる相対圧(P/P0)cとした。
BELSORPminiに付属の解析ソフトにより、窒素吸着等温線をBET法により解析し、BET比表面積を算出した。
ディスク式粒度分布測定装置(Brookhaven製、BI−DCP)を用いて炭素材料およびMgO鋳型粒子の粒子径分布を測定した。溶媒は水を使用し、遠心場の回転速度は3000rpmとした。そして、装置の専用の解析ソフトによってメジアン径を測定し、このメジアン径を平均粒子径とした。
X線回折装置(リガク社製、SmartLab)を用いてMgO鋳型の結晶子径を測定した。具体的には、X線回折装置の測定結果を解析ソフトよりX線回折パターンに変換し、42度付近の回折ピークから、MgO鋳型の結晶子径を算出した。
MgO鋳型の結晶子径の分布は、液体窒素温度における窒素吸着等温線をBJH法で解析した結果を指標にした。具体的には、MgO鋳型の窒素吸着等温線をBJH法で解析して得られる細孔径分布において、直径1〜50nmにピークを持ち、かつ、MgOの細孔径分布のピークの半値幅R1/2と3/4値幅R3/4の比(R1/2)/(R3/4)が0.7未満ならピークがシャープであると評価した。この場合、結晶子径が均一である(○)と評価した。一方、(R3/4)/(R1/2)が0.7以上ならピークがブロードであり、結晶子径は不均一(×)であると評価した。
炭素材料を約3mg測り採り、レーザーラマン分光光度計(日本分光(株)製、NRS−7100型)を用い、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 x 100μm、対物レンズ:x 100、スポット径:1μm、露光時間:30sec、観測波数:3200〜750cm−1、積算回数:2回の測定条件で炭素材料のラマン分光スペクトルを測定した。そして、各測定で得られたラマン分光スペクトルからGバンドと呼ばれる1500〜1700cm−1の範囲のピークを抽出し、このピークの半値幅(△G)を測定した。
実施例1〜9、比較例1〜17に関わる炭素材料のいずれかを選択した。ついで、選択した炭素材料をオーブン中85℃で4時間乾燥した。その後、セラミック製のボートに、乾燥した炭素材料1gを入れ、電気炉中で、大気中、600℃5hr燃焼させた。ボート上に残存した灰分が室温まで冷えた後、灰分をテフロン製のビーカーにいれ、王水(濃硝酸:濃塩酸=3:1)6mLを加え、ホットプレート上150℃で2時間、分解を行った。分解液を50mLの全量フラスコに移し入れ、水で評線まで薄めた。得た希釈液の一部をICP発光分光分析装置(AMETEK社製CIROS−120)のアルゴンプラズマ中に噴霧し、MgOの定量を行った。定量によって算出した炭素材料1g中のMgOの質量%を、MgO成分の残存量として、表2に記載した。
(2−1.MgO鋳型の準備(炭素材料の下準備。共通))
MgO鋳型として、表1に示したMgO−A〜Fを準備した。MgO−A〜Fは表1に示した販売元(神島化学工業製、関東電化工業社製、IoLiTec社製、タテホ化学社製)から入手した。MgO−D〜MgO−Fをボールミルで粉砕し、MgO鋳型粒子の粒子径を表1記載のサイズに調整した。MgO鋳型粒子の粒子径、結晶子径、(R1/2)/(R3/4)、及び結晶子径の分布の均一さの判定結果を表1に示す。
実施例1〜5、比較例1〜11では、表2に示したMgO鋳型を用いて以下の工程を行った。これにより、実施例1〜5、比較例1〜11に係る炭素材料を作製した。
炭素源としてポリビニルアルコール粉末(電気化学工業社製、デンカポバール)を準備した。そして、MgO鋳型と炭素源とを質量比1:2の割合で混合し、混合物を石英製の坩堝に入れた。坩堝を電気炉に挿入し、電気炉内にアルゴンガスを100mL/分で流通させた。ついで、電気炉内を10℃/分で昇温し、表2に記載した第1の加熱温度で1時間温度保持した。自然放冷後、MgO−炭素複合体を取り出した。
MgO−炭素複合体をアルミナボート上に2〜3g秤量し、横型管状電気炉内にセットした。ついで、電気炉内に窒素ガスを100ml/分で流通し、電気炉内を表2に記載した第2の加熱温度で1時間温度保持した。
第2の加熱工程後のMgO−炭素複合体をナスフラスコに投入し、さらにMgO−炭素複合体に対し質量比で100倍量の1M希硫酸をナスフラスコに投入した。ついで、ナスフラスコ中の混合液を、60℃に温度保持したオイルバス中で3時間撹拌した。これにより、MgO鋳型を混合液中に溶出させた。その後、混合液を室温まで冷却させた。ついで、混合液をろ過することで、炭素材料を単離した。ついで、炭素材料を純水で洗浄し、濾過後、乾燥した。以上の工程により、炭素材料を得た。
実施例6〜9、比較例12〜13では、表2に示したMgO鋳型を用いて以下の工程を行った。これにより、実施例6〜9、比較例12〜13に係る炭素材料を作製した。
炭素源としてポリビニルアルコール粉末(電気化学工業社製、デンカポバール)を準備した。そして、MgO鋳型と炭素源とを質量比1:2の割合で混合し、混合物を石英製の坩堝に入れた。坩堝を電気炉に挿入し、電気炉内にアルゴンガスを100mL/分で流通させた。ついで、電気炉内を10℃/分で昇温し、800℃で1時間温度保持した。自然放冷後、MgO−炭素複合体を取り出した。
MgO−炭素複合体をアルミナボート上に2〜3g秤量し、横型管状電気炉内にセットした。ついで、電気炉内に窒素ガスを100ml/分で流通し、電気炉内を表2に記載した第2の加熱温度で1時間温度保持した。
第2の加熱工程後のMgO−炭素複合体をナスフラスコに投入し、さらにMgO−炭素複合体に対し質量比で100倍量の1M希硫酸をナスフラスコに投入した。ついで、ナスフラスコ中の混合液を、60℃に温度保持したオイルバス中で3時間撹拌した。これにより、MgO鋳型を混合液中に溶出させた。その後、混合液を室温まで冷却させた。ついで、混合液をろ過することで、炭素材料を単離した。ついで、炭素材料を純水で洗浄し、濾過後、乾燥した。
MgO鋳型を除去した炭素材料を黒鉛製の坩堝に入れ、坩堝をタンマン炉にセットした。ついで、タンマン炉内にアルゴンガス100mL流通させた。ついで、タンマン炉内温度を表2記載の第3の加熱温度まで10℃/分で昇温し、1時間温度保持した。その後、タンマン炉内温度を室温まで冷却させた。以上の工程により、炭素材料を得た。
比較例14〜16では、表2に示したMgO鋳型を用いて以下の工程を行った。これにより、比較例14〜16に係る炭素材料を作製した。
炭素源としてポリビニルアルコール粉末(電気化学工業社製、デンカポバール)を準備した。そして、MgO鋳型と炭素源とを質量比1:2の割合で混合し、混合物を石英製の坩堝に入れた。坩堝を電気炉に挿入し、電気炉内にアルゴンガスを100mL/分で流通させた。ついで、電気炉内を10℃/分で昇温し、800℃で1時間温度保持した。自然放冷後、MgO−炭素複合体を取り出した。
第1の加熱工程後のMgO−炭素複合体をナスフラスコに投入し、さらにMgO−炭素複合体に対し質量比で100倍量の1M希硫酸をナスフラスコに投入した。ついで、ナスフラスコ中の混合液を、60℃に温度保持したオイルバス中で3時間撹拌した。これにより、MgO鋳型を混合液中に溶出させた。その後、混合液を室温まで冷却させた。ついで、混合液をろ過することで、炭素材料を単離した。ついで、炭素材料を純水で洗浄し、濾過後、乾燥した。以上の工程により、炭素材料を得た。
比較例17では、表2に示したMgO鋳型を用いて以下の工程を行った。これにより、比較例17に係る炭素材料を作製した。
炭素源としてポリビニルアルコール粉末(電気化学工業社製、デンカポバール)を準備した。そして、MgO鋳型と炭素源とを質量比1:2の割合で混合し、混合物を石英製の坩堝に入れた。坩堝を電気炉に挿入し、電気炉内にアルゴンガスを100mL/分で流通させた。ついで、電気炉内を10℃/分で昇温し、表1に記載した第1の加熱温度で1時間温度保持した。自然放冷後、MgO−炭素複合体を取り出した。
MgO−炭素複合体をアルミナボート上に2〜3g秤量し、横型管状電気炉内にセットした。ついで、電気炉内に窒素ガスを100ml/分で流通し、電気炉内を表2に記載した第2の加熱温度で1時間温度保持した。
第2の加熱工程後のMgO−炭素複合体をナスフラスコに投入し、さらにMgO−炭素複合体に対し質量比で1.5倍量の1M希硫酸をナスフラスコに投入した。ついで、ナスフラスコ中の混合液を、室温で0.5時間撹拌した。これにより、MgO鋳型を混合液中に溶出させた。その後、混合液をろ過することで、炭素材料を単離した。ついで、炭素材料を純水で洗浄し、濾過後、乾燥した。以上の工程により、炭素材料を得た。
比較例18〜20に係る炭素材料として、市販カーボンブラック(ライオン社製、ケッチェンブラック)、EC300J、EC600JDと活性炭YP80Fを準備した。
(3−1.触媒の作製)
実施例1〜9、比較例1〜20に係る炭素材料のいずれかを選択した。ついで、選択した炭素材料を、塩化白金酸、水、及びエタノールを所定比率で配合した混合溶液中に分散させ、その後脱気処理した。次に、沈殿剤(還元剤)としてアンモニア水を混合溶液中にゆっくり滴下し、混合溶液を1時間撹拌した。ついで、アンモニア水を用いて得られた沈殿物の洗浄と瀘過を行った。得られた固形分をHeガス中で350℃、3時間焼成し、白金担持量40質量%の白金担持炭素材料を得た。
触媒金属成分(白金)の触媒層単位面積当たりの質量(以下、触媒金属成分の目付量)を0.2mg/cm2に設定し、狙った目付量になるようにスプレー条件を調節した。ついで、上記塗布インクをテフロン(登録商標)シート上にスプレーした後、アルゴン中120℃で60分間の乾燥処理を行った。以上の工程により、触媒層を作製した。
作製した上記の触媒層を用いて、以下の方法でMEA(膜電極複合体)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、テフロンシート上に塗布されたアノード及びカソードの各触媒層については、それぞれカッターナイフで一辺2.5cmの正方形状に切り出した。
(3−4−1.低電流密度の発電性能の評価)
本実施形態の目的に沿って、フラッディングしやすい高加湿のガスを用いた大電流出力直後の低電流密度の発電性能を評価した。
次に、上記試験で1000mA/cm2で1時間保持した後にセル電圧が0.3V以上となる燃料電池を対象として、耐久試験の評価を行った。
10a 結晶子
20 炭素層
A ヒステリシスループ
30 ボトルネック型細孔
20a、30a ボトル部
20b、30b ネック部
100 固体高分子形燃料電池
110、120 セパレータ
130、140 ガス拡散層
150、160 触媒層
170 電解質膜
Claims (10)
- 窒素吸脱着等温線によって形成されるヒステリシスループが閉じる相対圧(P/P0)cが0.55超、0.8未満であり、
(P/P0)c+0.1〜(P/P0)c間の窒素脱着量dVが65cm3/g超であり、
BET比表面積が700m2/g超であることを特徴とする、燃料電池触媒担体用鋳型炭素材料。 - ラマン分光スペクトルから得られるGバンドの半値幅△Gが35cm−1超、70cm−1未満であることを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池触媒担体用鋳型炭素材料。
- BET比表面積が900m2/g超、1500m2/g未満であることを特徴とする、請求項1または2に記載の燃料電池触媒担体用鋳型炭素材料。
- 前記炭素材料の平均粒子径が200nm超1000nm未満であることを特徴とする、請求項1〜3の何れか1項に記載の燃料電池触媒担体用鋳型炭素材料。
- 請求項1〜4の何れか1項に記載の燃料電池触媒担体用鋳型炭素材料を製造する燃料電池触媒担体用鋳型炭素材料の製造方法であって、
MgOと炭素源を混合し、混合物を不活性雰囲気にて500〜1000℃で1時間以上焼成する第1の加熱工程と、
前記第1の加熱工程により得られたMgO−炭素複合体を不活性雰囲気で1100℃〜1400℃で0.5〜5時間、熱処理する第2の加熱工程と、
前記第2の加熱工程で得られたMgO−炭素複合体からMgOを除去する工程と、
を含み、
前記MgOの窒素吸着で得られる窒素吸着等温線をBJH法で解析して得られる細孔径分布曲線において、直径1〜50nmに細孔容積のピークが観測され、かつ、細孔容積のピークの3/4値幅R3/4と半値幅R1/2との比(R3/4)/(R1/2)が0.7未満であることを特徴とする、燃料電池触媒担体用鋳型炭素材料の製造方法。 - 前記MgOの平均粒子径が200nm超1000nm未満であることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池触媒担体用鋳型炭素材料の製造方法。
- 前記MgOを除去する工程の後、不活性雰囲気下の加熱炉で1500〜2500℃の熱処理を施す第3の加熱工程を含むことを特徴とする、請求項5または6に記載の燃料電池触媒担体用鋳型炭素材料の製造方法。
- 請求項1〜4の何れか1項に記載の燃料電池触媒担体用炭素材料を含むことを特徴とする、燃料電池用触媒層。
- 請求項8記載の燃料電池用触媒層を含むことを特徴とする、燃料電池。
- 前記燃料電池用触媒層は、カソード側の触媒層であることを特徴とする、請求項9記載の燃料電池。
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