JP2022510134A - 触媒システム、電極、および燃料電池または電解槽 - Google Patents

Abstract

本発明は、触媒システム（９）と、触媒システム（９）を含む電極（１）と、少なくとも１つのそのような電極（１）を有する燃料電池（１０）または電解槽とに関する。触媒システム（９）は、導電性担体金属酸化物と、導電性金属酸化物触媒材料とを備える。担体金属酸化物および触媒材料の、ｐｚｚｐ値（ゼータ電位がゼロの点）と呼ばれる表面付近のｐＨ値は異なる。触媒材料および担体金属酸化物は、少なくとも２相の分散酸化物複合体を形成する。担体金属酸化物は、第１の酸素格子部位および第１の金属格子部位を含む第１の結晶格子構造を有し、第１の酸素格子部位上の担体金属酸化物は、好ましくは、窒素、炭素、およびホウ素を含む群から選択される少なくとも１つの元素でドープされており、任意選択で水素でさらにドープされている。担体金属酸化物は、第２の酸素格子部位および第２の金属格子部位を含む第２の結晶格子構造を有し、第２の酸素格子部位上の触媒材料は、好ましくは、フッ素、ならびに窒素、炭素、およびホウ素を含む群から選択される少なくとも１つの元素でドープされており、任意選択で水素でさらにドープされている。

Description

本発明は、担体金属酸化物および金属酸化物触媒材料を含む触媒システムに関する。本発明はさらに、触媒システムを含む電極に関する。本発明はさらに、少なくとも１つのそのような電極および高分子電解質膜を含む燃料電池または電解槽に関する。

２０年以上にわたり、大手自動車メーカーはエネルギー担体として水素を用いる燃料電池に取り組んできた。燃料電池の効率は、再生可能資源からの水素生成と合わせて、バッテリ駆動の自動車の効率よりも大幅に低いが、原料からの生成からリサイクルまでチェーン全体で、燃料電池は良好な「ＣＯ_２排出量」を有する。さらに、燃料電池はバッテリよりも性能ダイナミクスが著しく劣る。これは、反応物である水素と酸素は、突然の電力要件が発生した場合に、時間遅延を伴ってのみ、燃料電池の反応室に輸送することができるためである。これが、燃料電池およびリチウムバッテリからなるハイブリッドシステムのモデルがますます普及している理由である。燃料電池は自動車の駆動挙動における基本的な負荷を引き継ぎ、バッテリは自動車の典型的な駆動サイクルにおける短い電力ピーク用の「発電機」としてスイッチが入る。

したがって、焦点は燃料電池の効率を高めることにある。燃料電池は、理論上、高分子電解質膜燃料電池に対するＴ＝８０～９０℃の動作温度ウィンドウにおいて約９０～９５％の熱力学に基づく効率を有する。ただし、技術的には、現時点で最高のケースにおいて達成されている効率は５０～６０％のみである。これの主な理由の１つは、白金触媒上での酸素還元反応の高い過電圧である。これまでのところ、白金は燃料電池内の酸素を還元するための最良の触媒と考えられてきたが、その高価格により、使用を回避するか、または少なくとも非常に節約して使用する必要がある。

例えば、酸化物ベースの化合物は、別のクラスの触媒である。米国特許出願公開第２０１５／０３６８８１７号明細書（ＵＳ２０１５／０３６８８１７Ａ１）は、支持体と、支持体上に配置された複数の触媒粒子とを含む、電解槽のアノード側用の触媒システムを開示している。担体は、複数の金属酸化物粒子またはドープされた金属酸化物粒子を含む。触媒粒子は、貴金属イリジウム、酸化イリジウム、ルテニウム、酸化ルテニウム、白金または白金ブラックをベースとしており、それに応じて高価である。触媒粒子を含む担体の粒子は、バインダ中に分散される。

独国特許出願公開第１０２００８０３６８４９号明細書（ＤＥ１０２００８０３６８４９Ａ１）は、基体と、アノード側のコーティングと、カソード側のコーティングとを含む燃料電池用のバイポーラプレートユニットを開示しており、コーティングは異なる構成を有する。カソード側のコーティングは、金属酸化物、特にフッ素でドープされた酸化スズの形態の金属酸化物を含む。

特に燃料電池または電解槽についてほぼすべての酸化物または部分的に酸化物の触媒システムは、加水分解に対する高い感受性を有し、これは、セル動作における触媒能力の減少につながる。

本発明の目的は、改善された酸素の還元用の触媒システム、特に、燃料電池または電解槽で使用するための触媒システムを提供することであり、これは、貴金属なしで、または貴金属のごくわずかな使用で管理する。本発明のさらなる目的は、そのような触媒システムを含む電極、燃料電池および電解槽を提供することであり、触媒システムの効率が改善されるはずである。

その目的は、触媒システムのために達成され、
－導電率λ_１が少なくとも１０Ｓ／ｃｍの導電性担体金属酸化物が広範に形成され、担体金属酸化物は、非貴金属の群から選択される少なくとも２つの第１の金属元素を有し、少なくとも３０ｎｍの粒径の酸化物粒子を含む構造を有し、
－導電性金属酸化物触媒材料は、少なくとも１０Ｓ／ｃｍの導電率λ_２で形成され、触媒材料は、非貴金属の群から選択される少なくとも１つの第２の金属元素を有し、担体金属酸化物中の第１の金属元素と、少なくとも１つの第２の金属元素とは、固体化学量論化合物または均質な固溶液中の触媒材料中に存在し、担体金属酸化物は、第１の酸素格子部位および第１の金属格子部位を含む第１の結晶格子構造を有し、担体金属酸化物は、第１の酸素格子部位上、フッ素で、および／または窒素、炭素、ホウ素を含む群から選択される少なくとも１つの元素でドープされており、任意選択で、水素でさらにドープされており、
触媒材料は、第２の酸素格子部位および第２の金属格子部位を含む第２の結晶格子構造を有し、第２の酸素格子部位上の触媒材料は、フッ素、および窒素、炭素、ホウ素を含む群から選択される少なくとも１つの元素でドープされており、任意選択で水素でさらにドープされており、
担体金属酸化物および触媒材料は、その組成が異なり、
担体金属酸化物のｐｚｚｐ値（ｐｚｚｐ＝ゼータ電位がゼロの点）と呼ばれる表面付近のｐＨおよび触媒材料のものは異なり、触媒材料および担体金属酸化物は、少なくとも２相の分散酸化物複合体を形成する。

そのような触媒システムの利点は、その大幅に改善されたイオンおよび電子伝導率、酸素およびヒドロキシル基に対する優れた吸着および脱着能、ならびに加水分解に対する感受性の低減およびしたがって高い長期安定性にある。

担体金属酸化物は、特に、第１の酸素格子部位および第１の金属格子部位を含む第１の結晶格子構造を有し、第１の酸素格子部位上の担体金属酸化物は、好ましくは、窒素、炭素、およびホウ素を含む群から選択される少なくとも１つの元素でドープされている。任意選択で、水素は、ドーピング元素としても利用可能である。ドーピング元素は、本明細書では第１の酸素格子部位上の酸素に取って代わる。ドーピングは、担体金属酸化物中の非金属元素に基づいて、好ましくは最大で０．０６のモル分率で存在する。

本発明による触媒材料は、第２の酸素格子部位および第２の金属格子部位を含む第２の結晶格子構造を有し、第２の酸素格子部位上の触媒材料は、フッ素、ならびに窒素、炭素およびホウ素を含む群から選択される少なくとも１つの元素でドープされている。任意選択で、水素は、ドーピング元素としても利用可能である。ドーピング元素は、第２の酸素格子部位上の酸素に取って代わる。ドーピングは、担体金属酸化物中の非金属元素に基づいて、好ましくは最大で０．１のモル分率で存在する。

触媒システムの好ましい実施形態では、担体金属酸化物および触媒材料は、その表面エネルギーが異なり、少なくとも２相の分散酸化物複合体の第１の相は、少なくとも１つのさらなる相のさらなる表面よりも疎水性の表面を有する。特に、第１の相のより疎水性の表面の表面エネルギーは、３０Ｎｍ／ｍｍ^２未満、特に、２２～２８Ｎｍ／ｍｍ^２の範囲である。少なくとも１つのさらなる相のさらなる表面の表面エネルギーは、好ましくは、３５Ｎｍ／ｍｍ^２より大きい。

表面のエネルギー状態の標的調整は、触媒システムの電子伝達能を大幅に改善する。３相反応帯を確実に設定する可能性、ならびに、酸素がより疎水性の表面に優先的に吸着され、「スピルオーバー」機構と称される水よりも疎水性の低い表面に脱着される、さらなる可能性がある。

担体金属酸化物および触媒材料の疎水性表面に対する親水性の特定の調整は、四フッ化炭素ＣＦ_４などのフッ素含有ガスによる特定の処理を通じて行われる。そのような表面処理は、約１００Ｐａの圧力下、アルゴン、ＣＦ_４および微量の水素のガス混合物中、６５０～７５０℃の範囲の温度で行われる。代替として、そのような表面処理は、約１００Ｐａの圧力下、アルゴン、ＣＦ４および微量の水素のガス混合物中、４５０～５５０℃の範囲の温度で行われ、マイクロ波照射によるプラズマの形成を伴う。同時に、担体金属酸化物および触媒材料の表面は、窒素、炭素、ホウ素を含む群から選択される少なくとも１つのドーピング元素の作用を受ける。数学的には、１００ｎｍの粒子およびＤ≒１０～１２ｃｍ^－２の拡散係数では、例えば窒素の濃度平衡化は、ｔ＜１時間の処理時間以内に期待される。

これに続いて、触媒システムの表面の熱力学的安定化および調節のために、２００～４００℃の温度範囲で温度処理が行われる。

触媒材料は、担体金属酸化物中に本来的に分散またはコヒーレントに分散させ得る、および／または担体金属酸化物の表面上に堆積させ得る。

本発明による触媒システムは、貴金属なしで管理する。したがって、価格の面で興味深いものであり、特に自動車産業において、コスト削減の大きな可能性を秘めている。

担体金属酸化物および酸化物触媒材料は、それらをフッ素でドープすることにより安定化される。特に、触媒システムにおけるフッ素の割合は、酸素含有量に基づいて最大２ｍｏｌ％である。フッ素は酸化物格子中に均一に分布し、触媒システムの担体金属酸化物と触媒材料の長期化学的安定性および導電率を高める。

特に、担体金属酸化物を形成するための第１の金属元素は、スズ、タンタル、ニオブ、チタン、ハフニウムおよびジルコニウムからなる群から選択される少なくとも２つの金属を含む。特に、第１の金属元素は組み合わせて使用され、その電気化学的原子価は異なる。特に、第１の金属元素が、スズと、さらに、タンタル、ニオブ、チタン、ハフニウムおよびジルコニウムからなる群から選択される少なくとも１つの金属とを含む。第１の金属元素であるスズとタンタル、またはスズとニオブとの組み合わせが特に好ましい。酸化スズＳｎＯ_２中の１．１ｍｏｌ％酸化タンタルＴａ_２Ｏ_５または酸化スズＳｎＯ_２中の２．１ｍｏｌ％Ｎｂ_２Ｏ_５の固溶体により、担体金属酸化物は７＊１０^２Ｓ／ｃｍの範囲の導電率λ_１を達成する。しかしながら、スズとチタン、スズとハフニウム、スズとジルコニウム、チタンとタンタル、チタンとニオブ、ジルコニウムとニオブ、ジルコニウムとタンタル、ハフニウムとニオブ、またはハフニウムとタンタルの組み合わせは、本明細書で、担体金属酸化物の形成に有用であることが証明された。

酸化物触媒材料は、好ましくは、１ｎｍ～５０ｎｍの範囲の粒径を有する酸化物粒子を含む構造を有する。酸化物触媒材料の少なくとも１つの第２の金属元素は、好ましくは、タンタル、ニオブ、ジルコニウム、ハフニウム、鉄、タングステンおよびモリブデンからなる群から選択される少なくとも１つの非貴金属によって形成される。特に、少なくとも２つの第２の金属元素は組み合わせて使用される。特に、第２の金属元素は、（Ｔａ、Ｆｅ）_２Ｏ_５、（Ｎｂ、Ｗ）_２Ｏ_５などの異なる電気化学的原子価を有する。

担体金属酸化物は、好ましくは、第１の金属元素が配置された第１の金属格子部位上、イリジウムおよびルテニウムを含む群から選択される少なくとも１つの元素でドープされている。この場合、原子価が第１の金属元素のものとは異なるドーピング元素が選択される。ドーピング元素は、好ましくは、第１の金属元素の代わりに第１の金属格子部位に設置される。ドーピングは、好ましくは、担体金属酸化物中の最大で０．１の第１の金属元素のモル分率で存在する。

好ましい実施形態では、担体金属酸化物および触媒材料の、ｐｚｚｐ値（ゼータ電位がゼロの点）と呼ばれる表面付近のｐＨが異なる。表面でさらに酸性になるように設定された触媒の利点は、酸素還元が質量作用の法則に従って生成物（水）の方向にさらに容易にシフトすることである。

触媒材料は、第２の酸素格子部位および第２の金属格子部位を含む第２の結晶格子構造を有し、第２の金属格子部位上の触媒材料は、好ましくは、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、鉄、タングステン、モリブデン、イリジウム、ロジウム、ルテニウムおよび白金を含む群から選択される少なくとも１つの元素でドープされている。導電率を調整するためにイリジウムを使用することは、混合酸化物相の安定した発生器として特に好ましい。この場合、少なくとも１つの第２の金属元素とは異なるドーピング元素が選択される。ドーピング元素は、好ましくは、第２の金属元素の代わりに第２の金属格子部位に設置される。ドーピングは、好ましくは、少なくとも１つの第２の金属元素の最大で０．１のモル分率で存在する。

本明細書で特に好ましいのは、触媒システムであって、
α－酸化スズ酸化タンタル相／ソーローライト相ＳｎＴａ_２Ｏ_７
α－酸化スズ－酸化ニオブ相／ｆｒｏｏｄｉｔｅ相ＳｎＮｂ_２Ｏ_７
α－酸化スズ－酸化タンタル相／β－酸化タンタル－酸化スズ相
α－酸化スズ－酸化ニオブ相／β－酸化ニオブ－酸化スズ相に基づく触媒システムである。

最初の２つの場合、高導電性のα－酸化スズ相が担体金属酸化物として働くか、またはソーローライト相もしくはｆｒｏｏｄｉｔｅ相が触媒材料を形成する。後者の２つの場合、α－酸化スズ相はここでも担体金属酸化物として存在し、β相は触媒材料を形成する。

白金はさらに、触媒システムの表面に、コーティング面積に基づいて、触媒システムのコーティング厚とは無関係に、最大で０．１ｍｇ／ｃｍ^２の量で塗布され得る。これは、コストを大幅に増加させることなく、触媒システムの伝導率を増加させる。

この目的はまた、本発明による触媒システムを含む電極についても達成される。このタイプの電極で達成できる電流密度は、前述の従来技術からの既知の酸化化合物を使用した場合よりも、７００～８００ｍＶの範囲のセル電圧で５～８倍高い。特に、電極はカソードとして設計されている。

電極は、さらに好ましくは、少なくとも１つのアイオノマーおよび少なくとも１つのバインダを含む。少なくとも１つのバインダは、好ましくは、少なくとも１つのフッ素化炭化水素および／または少なくとも１つの多糖類を含む。特に、多糖類は、カルボキシメチルセルロースおよび／またはキサンタンおよび／またはアルギン酸塩および／または寒天および／または別の酸安定性多糖からなる。

電極は、好ましくは、０．５～２０μｍの範囲のコーティング厚を有する。有利なさらなる開発において、白金は、最大で０．２ｍｇ／ｃｍ^２の量で電極の自由表面に塗布される。これにより、電極の導電率が増加するが、再び、そのためのコストは大幅に増加しない。

この目的はまた、本発明による少なくとも１つの電極および少なくとも１つの高分子電解質膜を含むように設計されているという点で、燃料電池または電解槽についても達成される。特に、燃料電池は酸素－水素燃料電池である。

特に、電極はセルのカソードを形成する。電極は、好ましくは、バイポーラプレートのカソード側に配置され、ガス拡散層は、電極とバイポーラプレートの金属担体プレートとの間に配置され得る。

高分子電解質膜および電極のアイオノマーは、好ましくは同一の材料から形成される。これは、カソードとして設計された電極の表面、すなわちカソード表面上に形成された酸素イオンの高分子電解質膜への輸送を大幅に改善し、したがって、燃料電池または電解槽の効率を大幅に改善する。

図１から図６および表２は、本発明を例示的に説明することを意図している。

触媒システムを含む電極を有するバイポーラプレートを示す図である。 複数の燃料電池を備える燃料電池システムを概略的に示す図である。 図１による配置を通る断面ＩＩＩ－ＩＩＩを示す図である。 ２つのバイポーラプレートとそれらの間に配置された図２による高分子電解質膜を通る断面を示す図である。 １２００℃を超えるＴａ_２Ｏ_５－ＳｎＯ_２の相図を示す図である。 １５００℃でのＴａ_２Ｏ_５およびＳｎＯ_２の計算された活性を示す図である。

図１は、担体プレート２ａを有するバイポーラプレート２上の電極１を示す。電極１は、触媒システム９（図３参照）を含み、カソードを形成する。電極１は、１～２μｍの範囲のコーティング厚を有し、触媒システム９に加えて、アイオノマーおよび寒天の形態の結合剤も含む。バイポーラプレート２は、開口部４を有する流入領域３ａと、燃料電池にプロセスガスを供給し、燃料電池から反応生成物を除去するために使用されるさらなる開口部４’を有する出口領域３ｂとを有する。バイポーラプレート２はまた、両側にガス分配構造５を有し、これは、高分子電解質膜７（図２参照）との接触のために設けられる。

図２は、複数の燃料電池１０を備える燃料電池システム１００を概略的に示す図である。各燃料電池１０は、バイポーラプレート２，２’の両側に隣接する高分子電解質膜７を含む。図１と同じ参照記号は同じ要素を示す。

図３は、図１によるバイポーラプレート２を通る断面ＩＩＩ－ＩＩＩを示す。図１と同じ参照記号は同じ要素を示す。本明細書ではステンレス鋼から形成された担体プレート２ａが見られ、これは１つの部品またはいくつかの部品で構成され得る。ガス拡散層６は、担体プレート２ａと、触媒システム９を含む電極１との間に配置される。担体プレート２ａのさらなるアノード側コーティング８が設けられていることもまた分かる。これは、好ましくは、独国特許出願公開第１０２０１６２０２３７２Ａ１号に従って設計されたコーティング８である。さらなるガス拡散層６’は、コーティング８と担体プレート２ａとの間に配置される。ガス拡散層６，６’は、導電性であるように設計されている。

図４は、一緒に燃料電池１０を形成する２つのバイポーラプレート２，２’と、それらの間に配置された図２による高分子電解質膜７を通る断面を示す。図１および図３と同じ参照記号は同じ要素を示す。カソードとしてのバイポーラプレート２の電極１と、アノードとしてのバイポーラプレート２’のコーティング８が、高分子電解質膜７に隣接して配置されていることが分かる。ガス拡散層６，６’も見ることができる。

以下において、触媒システム９は、擬２元酸化物相図Ｔａ_２Ｏ_５－ＳｎＯ_２の例を用いて提示される。

図５は、Ｔ＝１２００℃を超える温度での触媒システムＴａ_２Ｏ_５－ＳｎＯ_２の計算された相図を示し、これはＡ．Ｒａｂｉｓによる論文「Ｔｈｅ Ｉｍｐａｃｔ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃａｔａｌｙｔｉｃ Ａｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ Ｐｔ Ｃａｔａｌｙｓｔｓ」，ＥＴＨ Ｚｕｒｉｃｈ ２０１５に由来する。低温での相互溶解度を外挿して推定する必要がある。相図では、酸化タンタル中の酸化スズの初期溶解度は上記の温度で約７ｍｏｌ％であるが、酸化スズ中の酸化タンタルの初期溶解度は１．１ｍｏｌ％である。したがって、溶解度は、室温でまたは燃料電池の動作温度では、より低いと仮定できる。

それぞれの混合相における１５００℃での２つの酸化物の活性プロファイルは、図６に示すとおりである（Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．，９５ ［１２］，４００４－４００７，（２０１２））。図６のこの相図には、安定したソーローライト相ＳｎＴａ_２Ｏ_７は含まれていない。スズはこの化合物では４価である。酸化スズの導電率は、酸化タンタルを加えた酸化スズの固溶体により、劇的に増加する。１．１ｍｏｌ％の最大α－溶解度まで酸化タンタルを酸化スズに添加することより、７ｘ１０^２Ｓ／ｃｍ^２の導電率が達成される。

導電率の増加は、前述の相境界までの溶液の濃度とともに着実に上昇し、その後再び減少する。図６に示す相図による溶解限界を超えると、２相領域が、平衡状態のＳｎＯ_２－Ｔａ_２Ｏ_５相およびソーローライトＳｎＴａ_２Ｏ_７から形成される。不均一な構造の組成は、てこの原理に従って所定の濃度で計算できる。例えば、ＳｎＯ_２中の合計濃度が１０ｍｏｌ％のＴａ_２Ｏ_５の場合、結果として、酸化物複合体として８８％のＳｎ_０．９９Ｔａ_０．０１Ｏ_２と２％のＳｎＴａ_２Ｏ_７の不均一な構造の組成になる。

高導電性の二酸化スズ相Ｓｎ_０．９９Ｔａ_０．０１Ｏ_２は担体金属酸化物を形成し、ソーローライト相ＳｎＴａ_２Ｏ_７は担体金属酸化物の粒子に微細に分散した触媒材料を形成する。析出状態は、一方では生成された粒径によって、他方では構造を設定するための温度－時間図によって決定される。組成を変えることにより、酸化物複合体の２つの相の比率が変化する。

しかしながら、酸化物中の第１および第２の金属元素の化学的活性は、それぞれの基本的な電気的および化学的な物性と同様に、２相領域では変化しない。触媒作用の場合、担体金属酸化物の三相境界の長さおよびエネルギー表面状態は、量とサイズの比率によって設定できる。２つの相、つまり担体金属酸化物と触媒材料は、互いに異なる結晶構造で存在するため、本質的に互いに溶解する、つまり、触媒材料は、担体金属酸化物に本質的に溶解した分散質として存在する。

ＲＤＥの調査（ＲＤＥ＝リングディスク電極）では、タンタルに富むβ相とソーローライト相のＳｎＴａ_２Ｏ_７の両方が、酸素還元に対して比較的良好な触媒活性を有することが分かった。これは、商品名ＮａｔｉｏｎまたはＦｌｅｍｉｏｎとしても知られている高分子電解質材料またはアイオノマーを炭素基材（ガラス状炭素）に塗布して電極を形成し、触媒システムを、２－［１－［ジフルオロ［（トリフルオロエテニル）オキシ］メチル］－１，２，２，２－テトラフルオロエトキシ］－１，１，２，２－テトラフルオロエタンスルホン酸を含む溶液で処理した実験で検証された。発現電圧Ｕは白金についての電圧の範囲内であった。しかし、発見された特定の電流ｉは低く、Ｕ＝０．６５Ｖでｉ＜０．１Ａ／ｃｍ^２。

次のステップで、二物質混合物から個々の相を除去した。上記のように、使用した担体金属酸化物は、約１ｍｏｌ％のＴａ_２Ｏ_５を伴うＳｎＯ_２であり、この相の質量分率は７０～９５重量％の範囲であった。

以下の表１は、このタイプの触媒システムの結果を示す。結果は、２つのエンドプレート、２つのグラファイトプレート、グラファイト製の２つのバイポーラプレート２，２’、２つのガス拡散層６，６’、本発明による電極１（カソード側）、標準のＰｔ／Ｃ触媒（アノード側）、およびＮａｔｉｏｎ製の高分子電解質膜７からなる単セルによって決定された。プロセスガス、本明細書では空気および水素は、カソード側とアノード側で異なって加湿された。

電極１は、３０ｍｍ×３０ｍｍの電極面積を有していた。セルは、Ｔ＝８５℃、ｐ＝２．５ｂａｒで動作した。使用した設定は、水素側ではλ＝１．５および空気側ではλ＝２であった。基準加湿温度Ｔ_Ｂは８０℃とした。

電極１の準備されたコーティング厚は、１～５μｍの範囲であった。

表１によれば、本発明による触媒システムの電流密度は、個々の酸化物相が炭素基板上に堆積された実験よりも５～８倍高い。表１の結果は、「炭素担体上の白金」の従来のシステムと同様に良好な活性で、非白金または大幅に白金が低減されたおよび非炭素の電極を製造することが可能であることを見事に示している。

三相境界長（ＴＰＢ）、ナノ分散析出電気触媒活性ソーローライト相（＝触媒材料）、および微細構造内の個々の粒径は、Ｓｎ－Ｔａ－Ｏ系からの析出状態によって最適化され得る。このようにして、酸素還元用の触媒システムの電解活性もまた最適化され得る。

酸化タンタルが最大溶解限度（約１．１ｍｏｌ％）まで溶解される酸化スズの導電率は、焼結温度に大きく依存する。粉末上の酸素分圧が常に十分に高く、完全に酸化された化合物が確立されるようにすることが重要である。そうでなければ、セル動作中の後酸化および活性の喪失が予想され得る。選択された酸化試験条件下で、ソーローライト相またはタンタルが豊富なβ相が実際に発生するか否かは、現在のところ不明である。試験結果によると、これは触媒システムの有効性にとって決定的なものではない。

さらに、焼結温度は、後の粒子凝集が予想されないほど高く設定する必要があり、その一方で、触媒システムは、より低い温度での使用に対しても十分に安定している。このリスクは、α相とβ相の相互溶解度が大幅に変化する場合に発生する。これが、温度プログラムがＴ＝９００℃までのより高い温度で初期に焼結され、粒が冷却プログラムにおけるセル動作の条件に可能な限り近くなるように適合された理由である。したがって、好ましくは、Ｔ＝２５０℃で６０分の保持相を冷却プログラムに設定する。

本発明による触媒システムの実施形態を以下に提示する。この目的のために、粉末を、窒素処理および／もしくは炭素処理により（特にＣ_２Ｈ_２により）ならびに／またはＣＦ_４を活用してフッ素化した。炭素または窒素で処理した試料で、例外的に良好な結果が既に達成された。一方では、酸素還元のための発現電圧は、Ｐｔ／Ｃ白金標準と比較して約５０～１００ｍＶだけ正にシフトし、領域特異的電流密度は白金触媒と同等であるかそれよりも高い。

試料を小型セルにおいて実際に測定する前に、ＣＶストレス試験、すなわち、ＮＨＥ基準で－１００ｍＶ～２０００ｍＶ間での反復曝露にそれぞれ供した。これらの「迅速な検査」により、一方では、その水素感受性およびその酸化抵抗性が確実に決定され得る。ＣＦ_４処理なしの試料は、動作中にますます不動態化することが分かった。ＣＦ_４処理ありの試料（表２で比較）は、厳正な条件下で５０回を超える繰り返しサイクルの後さえ、安定なままであった。

さらに、ナノ分散白金粒子のさらなる堆積が触媒システムの電極触媒効果にどのように影響するかについての研究が行われた。白金は、０．１ｍｇ／ｃｍ^２未満のカバー領域で、スパッタリング技術により、表２による触媒システム４番の表面に堆積された。白金を用いるこの触媒システム４番の場合、酸素還元の驚くほど高い活性が見られた。

総じて、表２による触媒システムの本発明による実施形態では、白金なしでも白金ありでも、酸素還元の驚くほど高い活性が見られると述べることができる。ｐＨ＝３およびＴ＝８５℃の硫酸溶液中で、最大２０００ｍＶ ＮＨＥのアノード電位のＣＶ測定で非常に負荷のかかった電気化学的調査を使用して、３０回の繰り返しサイクルで高い酸化安定性を実証することもできた。最大３０００ｍＶ ＮＨＥでさえ、特にソーローライトまたはβ相が豊富な相でさえ、試料が不活性化および溶解に対して非常に優れた耐性を示すことが示されることもある。白金でさらに負荷をかけた試料（表１および表２参照）は、サイクルとともに変化したが、より低い特定の電流に向かった。

同じタイプのニオブ含有酸化スズ複合体でも同様の結果が得られた。酸化ニオブは、酸化タンタルよりも酸化スズへの溶解度がわずかに高くなっている。酸化ニオブの限界溶解度は２．５ａｔ．％である。酸化ニオブでは、ソーローライト相と同様の安定した化学量論相のＳｎＮｂ_２Ｏ_７（「ｆｒｏｏｄｉｔｅ」）が形成される。測定された活性はタンタルベースの触媒システムよりも低く、これはとりわけ、異なるｐｚｚｐ値セットによって説明できる。ただし、ここで活性は製造条件に大きく依存することに留意されたい。

本発明による触媒システムを将来の燃料電池に使用すると、経済的にも、長期安定性および触媒活性の向上の点でも、かなりの利点がもたらされる。

触媒システムの温度処理は、触媒システムの活性および導電率に関して、いくつかの点で望ましい結果に大きな影響を与える。一方、担体金属酸化物、例えば化学量論酸化スズの密度は、９５０℃を超える焼結温度での化合物の分解圧力を考慮して、温度処理によって設定される。他方では、温度処理は、分散質、すなわち、触媒材料の析出状態を決定する。例えば、酸化物が適切に処理されると、純粋なＴａ_２Ｏ_５が酸化スズの粒界に析出する。このことから、上記のような温度処理は、燃料電池の動作に対して安定した相が確立されるような方法で行われなければならない。例えば、ＳｎＯ_２－Ｔａ_２Ｏ_５担体材料は、出発材料がボールミル内にて所望の比で密接に混合され、７００～８００℃の範囲の温度で、酸素下、ｔ_１＝３０分の期間にわたって焼き戻しされるような方法で生成される。次いで、これを２５０℃の温度に冷却し、この温度をｔ_２＝１時間の期間にわたって維持する。最後に、触媒システムを室温に冷却する。

１，１’ 電極（カソード側）
２，２’ バイポーラプレート
２ａ，２ａ’ 担体プレート
３ａ 流入領域
３ｂ 出口領域
４，４’ 開口部
５ ガス分配構造
６，６’ ガス拡散層
７ 高分子電解質膜
８ コーティング（アノード側）
９ 触媒システム
１０ 燃料電池
１００ 燃料電池システム

Claims (15)

1. 触媒システム（９）であって、
   －導電率λ_１が少なくとも１０Ｓ／ｃｍである導電性担体金属酸化物であって、前記担体金属酸化物は、非貴金属の群から選択される少なくとも２つの第１の金属元素を有し、かつ少なくとも３０ｎｍの粒径の酸化物粒子を含む構造を有する、導電性担体金属酸化物と、
   －導電率λ_２が少なくとも１０Ｓ／ｃｍである導電性金属酸化物触媒材料であって、前記触媒材料は、非貴金属の群から選択される少なくとも１つの第２の金属元素を有し、前記担体金属酸化物中の前記第１の金属元素と、前記触媒材料中の前記少なくとも１つの第２の金属元素とは、固体化学量論化合物中または均質な固溶液中にそれぞれ存在する、導電性金属酸化物触媒材料とを含み、
   前記担体金属酸化物は、第１の酸素格子部位および第１の金属格子部位を含む第１の結晶格子構造を有し、前記第１の酸素格子部位上の前記担体金属酸化物は、フッ素および／または窒素、炭素、ホウ素を含む群から選択される少なくとも１つの元素でドープされており、任意選択で水素でさらにドープされており、
   前記触媒材料は、第２の酸素格子部位および第２の金属格子部位を含む第２の結晶格子構造を有し、前記第２の酸素格子部位上の前記触媒材料は、フッ素、および窒素、炭素、ホウ素を含む群から選択される少なくとも１つの元素でドープされており、任意選択で水素でさらにドープされており、
   前記担体金属酸化物および前記触媒材料は、その組成が異なり、前記担体金属酸化物および前記触媒材料のｐｚｚｐ値（ｐｚｚｐ＝ゼータ電位がゼロの点）と呼ばれる表面付近のｐＨが異なり、前記触媒材料および前記担体金属酸化物は、少なくとも２相の分散酸化物複合体を形成する、触媒システム。
2. 前記担体金属酸化物および前記触媒材料が、その表面エネルギーが異なり、前記少なくとも２相の分散酸化物複合体の第１の相が、少なくとも１つのさらなる相のさらなる表面よりも疎水性の表面を有する、請求項１に記載の触媒システム（９）。
3. 前記第１の相の前記より疎水性の表面の表面エネルギーが、３０Ｎｍ／ｍｍ^２未満、特に、２２～２８Ｎｍ／ｍｍ^２の範囲である、請求項２に記載の触媒システム（９）。
4. 前記少なくとも１つのさらなる相の前記さらなる表面の表面エネルギーが、３５Ｎｍ／ｍｍ^２より大きい、請求項２または３に記載の触媒システム（９）。
5. 前記第１の金属元素が、スズ、タンタル、ニオブ、チタン、ハフニウムおよびジルコニウムからなる群から選択される少なくとも２つの金属によって形成される、請求項１から４のいずれか一項に記載の触媒システム（９）。
6. 前記第１の金属元素が、スズと、さらに、タンタル、ニオブ、チタン、ハフニウムおよびジルコニウムからなる群から選択される少なくとも１つの金属とによって形成される、請求項５に記載の触媒システム（９）。
7. 前記少なくとも１つの第２の金属元素が、タンタル、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム、鉄、タングステンおよびモリブデンを含む群から選択される少なくとも１つの金属によって形成される、請求項１から６のいずれか一項に記載の触媒システム（９）。
8. 前記触媒材料が、１ｎｍ～５０ｎｍの範囲の粒径を有する酸化物粒子を含む構造を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の触媒システム（９）。
9. 前記担体金属酸化物が、前記第１の金属格子部位上、イリジウムおよびルテニウムを含む群から選択される少なくとも１つの元素でドープされている、請求項１から８のいずれか一項に記載の触媒システム（９）。
10. 前記触媒材料のｐｚｚｐ値が、前記担体金属酸化物のｐｚｚｐ値よりも低い、請求項１から９のいずれか一項に記載の触媒システム（９）。
11. 白金が最大で０．１ｍｇ／ｃｍ^２の量で前記触媒システムの表面に塗布されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載の触媒システム（９）。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の触媒システム（９）を含む電極（１）。
13. 白金が最大で０．２ｍｇ／ｃｍ^２の量で前記電極（１）の自由表面に塗布される、請求項１２に記載の電極（１）。
14. 請求項１２または１３のいずれか一項に記載の少なくとも１つの電極（１）と、少なくとも１つの高分子電解質膜（７）とを備える燃料電池（１０）、特に酸素－水素燃料電池、または電解槽。
15. 前記高分子電解質膜（７）と、前記電極（１）に含有されるアイオノマーが同一の材料から形成される、請求項１４に記載の燃料電池（１０）または電解槽。

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