JP2775760B2 - 液体燃料電池用燃料極の製造方法 - Google Patents

液体燃料電池用燃料極の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は液体燃料としてメタノール,ヒドラジン,ホ
ルマリンなどの還元剤を用い、空気や酸素を酸化剤とす
る液体燃料電池用燃料極の製造方法に関するものであ
る。
従来の技術 液体燃料電池には電解液としてか性カリ水溶液を用い
るアルカリ型と、硫酸水溶液を用いる酸性型とがある
が、経済性を考慮すると酸化剤として空気を用いるのが
一般的である。この観点から空気を用いても電解液の変
質のない酸性型の液体燃料電池が広く研究されている。
この種の燃料電池の特性向上には、電極に用いる貴金属
触媒に係わる電極製造方法に関与する所が大きく、とく
に炭素粒粒子上に高活性な触媒を担持させる事が重要な
技術とされている。したがって、貴金属触媒の調整法に
関しても多くの研究がなされている。例えば、白金錯化
合物から酸化剤により酸化し、酸化生成物のコロイド粒
子を生成し、導電性カーボン基体上に沈積した後、この
カーボン粉末を過,水洗,乾燥する。その後カーボン
基体上に沈積した酸化白金を水素ガスにより還元させて
触媒の白金粒子を高分散の状態に形成させる事が提案さ
れている(特公昭61−1869号広報)。この貴金属触媒を
担持した炭素微粉末にフッ素樹脂系の結着剤、例えばPT
FE(ポリテトラフルオロエチレン)分散液を混合した
後、加圧成型し、不活性雰囲気中で熱処理する事により
電極を製造している。この電極製造方法は、電極製造工
程中において水素ガスにより触媒還元する工程があり、
安全性の観点からこの工程を省略する事を提案したが、
次の様な技術課題が発生した。
発明が解決しようとする課題 この様な従来の製造方法は、安全性を高めるために、
電極製造工程の中で水素ガスによる貴金属触媒の還元作
用を省略しているので、貴金属触媒を担持した炭素微粉
末を結着剤と共に加圧成型した後、窒素雰囲気中で熱処
理すると機械的強度を有する電極を製造する事は出来る
が、燃料極としての性能が良くないと云う技術課題を有
している。
そこで、本発明はこの様な課題を解決するものであ
り、製造工程中において水素ガスを用いることもなく、
安全性が高く、しかも炭素粒子上に触媒が高分散状態で
担持された高性能な液体燃料電池用燃料極の製造方法を
得ることを目的とするものである。
課題を解決するための手段 この課題を解決するために、本発明は白金とルテニウ
ムを含む貴金属触媒を担持した後還元を施さない炭素微
粉末aに、フッ素樹脂系の防水剤を加えて撥水化処理し
た炭素微粉末bを混合し、この混合物(a+b)を加圧
成型して得られた電極基板を酸化雰囲気中において200
〜400℃の温度で熱処理して触媒活性を高める工程を有
する液体燃料電池用燃料極の製造方法を提供するもので
ある。
さらに別な発明として、前記混合物(a+b)を酸化
雰囲気中において200〜400℃の温度でホットプレスする
工程を有するものである。さらには、前記炭素微粉末a
を酸化雰囲気中において200〜400℃の温度で熱処理して
触媒活性を高めた炭素微粉末a′に、撥水化処理した炭
素微粉末bを混合し、この混合物(a′+b)を加圧成
型して得られる電極基板を不活性雰囲気中で熱処理する
ものである。
作用 このような製造方法により、白金とルテニウムを含む
貴金属触媒を担持した後還元を施さない炭素微粉末を酸
化雰囲気中で熱処理すると、白金の高次酸化中の酸素が
炭素微粒子の表面において、何らかの触媒作用によっ
て、低次の酸化物に変化するため、あるいは白金とルテ
ニウムの合金化がより活性な部分で形成されるために電
極性能が向上することとなる。不活性雰囲気中での熱処
理では、触媒が活性化する前に触媒酸化物の周囲を包囲
する為、あるいは最適な合金比率になりにくいために電
極性能が良くないものと考えられる。
実 施 例 (実施例1) 市販の炭素微粉末(アセチレンブラック)を硝酸水溶
液などに浸漬し、親水化処理した後、この炭素微粉末を
触媒担持用カーボン担体とした。ついで、市販の塩化白
金酸(H2PtCl6)10gを1の水に溶解させた。次に亜硫
酸水素ナトリウム(NaHSO3)の100g/の水溶液100mlを
徐々に且つ連続的に加え、白金を含有する粒子の分散液
を形成させた。その後、か性ソーダ(NaOH)水溶液など
を加え、pHを4〜6に調整し、30vol%の過酸化水素(H
2O2)水溶液を必要量の約10倍以上の100ml加え、濃度10
g/の塩化ルテニウム(RuCl3)水溶液1を約30分に
かけて徐々に加え、白金とルテニウムのコロイド分散液
を形成した。この分散液に50gの懸濁状の炭素微粉末を
超音波分散処理しながら添加し、白金,ルテニウム触媒
を炭素微粒子上に担持させた。それを過,洗浄,乾燥
して高分散の白金−ルテニウム触媒担持の炭素粉末を得
た。この触媒担持炭素微粉末aに、フッ素樹脂系(PTF
E:ポリテトラフルオロエチレン)の分散液で撥水化処理
した炭素微粉末(カーボンブラック)bを混合し、この
混合物(a+b)を集電体であるカーボンペーパーを介
在し加圧成型して電極基板を得た。電極aとbの混合割
合は触媒量がPt換算で2mg/cm2になるように厚さを調整
した。この電極基板を大気中で350℃の温度で約3〜5
分間熱処理した後リードを取付けメタノール極とした。
このメタノール極をAとする。
(実施例2) 実施例1と同じ製法で得た白金−ルテニウム触媒担持
炭素微粉末aに、フッ素樹脂(PTFE)の分散液で撥水化
処理した炭素微粉末(カーボンブラック)bを混合し、
この混合物(a+b)を集電体であるカーボンペーパー
を介在させて、大気中において、350℃の温度で約5分
間100kg/cm2の圧力でホットプレスを行ない電極基板を
得た。この電極基板にリードを取り付けメタノール極と
した。このメタノール極をBとする。
(実施例3) 実施例1と同じ製法で得た白金−ルテニウム触媒担持
炭素微粉末aを大気中で350℃の温度において約5分間
熱処理した後、この炭素微粉末a′に実施例1と同じ撥
水処理した炭素微粉末bを混合し、この混合物(a′+
b)を集電体であるカーボンペーパを介在して200kg/cm
2の圧力で加圧成型して得られた電極基板をアルゴンガ
ス中において300℃の温度で熱処理した。この電極板に
リードを取り付けメタノール極とした。このメタノール
極をCとする。
(比較例) 実施例1と同じ製法で得た電極基板を窒素ガス雰囲気
中において350℃の温度で約5分間熱処理した後、リー
ドを取り付けメタノール極とした。このメタノール極を
Dとする。
以下実施例2,実施例3において大気中で熱処理する工
程をすべて窒素ガス雰囲気中とした以外はすべて実施例
2,3と同じ製法で作ったメタノール極をE,Fとする。
この様にして製造したメタノール極の性能を測定する
ために、水素標準電極と組合せ、水素電極電位に対する
メタノール極の単極電位を測定した。その測定結果を表
1に示す。電解液は2MのH2SO4水溶液、メタノール濃度
は1.5M、測定温度は60℃、電流密度は60mA/cm2と100mA/
cm2で比較した。
表1において、本発明の電極製造方法によるメタノー
ル極A,B,Cは、比較例の電極製造方によるメタノール極
D,E,F,と比べて優れた電位を示している。水素極電位を
基準としているので、この電位との差が小さい程電極の
分極がちいさく、優れた電極と云える。メタノール極A
とDを比歎すると、0.035V(60mA/cm2),0.055V(100mA
/cm2),メタノール極BとEを比較すると0.035V(60mA
/cm2),0.07V(100mA/cm2),メタノール極CとFを比
較すると0.04V(60mA/cm2),0.07V(100mA/cm2),程、
本発明の製法によるメタノール極の方が優れている。メ
タノール極A,B,C間での電位には大きな差が認められな
いが、電流密度が大きくなるとAよりはB,Cの方がやや
悪くなっている。Bについてはホットプレスによって触
媒粒子が溶融樹脂の一部で被覆されているためであり、
Cについてはアルゴンガスによる吸着種の影響であろう
と考えられる。それよりもD,E,F間における電位に大き
な差が現われている。窒素ガスによる触媒活性が一部消
失しているのか、水素ガスによる還元作用を含まないの
で、もとの触媒に活性がなかったのかまだ詳細は明らか
になっていないが、X線電子分光分析などの表面分析に
よる結果からは明らかに、触媒金属種である白金酸化
物,ルテニウム酸化物の酸化度が減少しており、空気中
での熱処理(200〜400℃)によって触媒活性が向上して
いるものと考えられる。さらには、酸化物の酸化度の変
化にともなってPt−Ru合金組成が1:1になるように調整
され、大気中の酸素がPt−Ru触媒の活性に役立っている
ように考えられる。とくに水素による還元作用を用いな
くとも優れたメタノール電極の性の性能が得られる事が
わかる。この場合、窒素ガス中での熱処理が一般的な方
法であるがこの方法では水素ガスによる還元工程を含ま
ない電極製造方法では逆に性能が悪くなり、酸化性雰囲
気中で熱処理すると電極性能が向上する事が明白であ
る。
実施例からも明らかなように白金とルテニウム触媒を
炭素微粉末に担持した後に大気中で熱処理することで効
果が表われる。この製造工程で窒素ガスで熱処理した後
から再度大気中で熱処理しても特性の大きな回復は認め
られない。窒素ガスによる吸着種が何らかの影響を与え
ているものと考えられる。いずれにしても、炭素粒子上
に沈積している状態ではPt−Ruの酸化物あるいは一部酸
化物等の状態で存在している。これが熱処理によって酸
化物になり触媒活性を示していることも考えられる。ま
た白金−ルテニウム触媒担持炭素微粉末を空気中で熱処
理する場合、200℃以下では触媒粒子と炭素微粒子表面
との相互作用の効果が少なく、十分な触媒活性が得られ
ない。示差熱分析などの結果から、200℃以下ではRu(O
H)などの水酸化物が存在しており、200℃以上になる
とRuO・H2OからRuO2と変化し、活性が向上している。ま
た、400℃以上では炭素微粉末の酸化現象が見られ、炭
素微粒子表面が変質する危険性がある。これも示差熱分
析から確かめている。したがって200〜400℃の温度範囲
の熱処理が電極特性を向上させる上で最適である。炭素
材料によっては500℃以上でも大気中で酸化しにくいも
のもあるが、触媒を担持するとその酸化温度が下がって
くるので400℃以下が望ましい。しかも長時間の熱処理
よりは短時間の方が効果があるので、20〜30分以内が好
ましい。
本実施例では液体燃料電池用電極の一例としてメタノ
ール電極を取り上げたが、ヒドラジン,ホルマリンを燃
料極に適用することも可能である。また貴金属触媒とし
て塩化白金酸、塩化ルテニウムを用いたが、他の貴金属
塩を用いても酸化、還元されやすい材料については同様
な効果が期待できる。
また、実施例では貴金属触媒として白金とルテニウム
の二元系について述べたが、他の金属、例えば、Sn,Rh,
Pd,Auなどの金属を少量混合した三元系の触媒クラスタ
ーを形成させても同様な効果が期待できる。
発明の効果 以上の様に、本発明によれば触媒担持後の工程で水素
ガスなどの還元工程を用いなくとも高分散に炭素微粒子
の上に白金−ルテニウム触媒を担持する事ができるの
で、高性能な燃料極を得る事が可能となる。しかも、安
全性の高い液体燃料電池用燃料極の製造方法を提供でき
ると云う効果が得られる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田辺 美恵子 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 4/88

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】白金とルテニウムを含む貴金属触媒を担持
    させた後、還元は施さない炭素微粉末aに、フッ素樹脂
    系の防水剤を加えて、撥水化処理した炭素微粉末bを混
    合し、この混合物(a+b)を加圧成型して得られた電
    極基板を酸化雰囲気中において、200〜400℃の温度で熱
    処理した事を特徴とする液体燃料電池用燃料極の製造方
    法。
  2. 【請求項2】前記混合物(a+b)を酸化雰囲気中にお
    いて200〜400℃の温度でホットプレスをした事を特徴と
    する液体燃料電池用燃料極の製造方法。
  3. 【請求項3】前記炭素微粉末aを酸化雰囲気中におい
    て、200〜400℃の温度で熱処理した後、この炭素微粉末
    a′にフッ素樹脂系の防水剤を加えて撥水処理した炭素
    微粉末bを混合し、この混合物(a′+b)を加圧成型
    して得られた電極基板を不活性雰囲気中において熱処理
    した事を特徴とする液体燃料電池用燃料極の製造方法。
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