JP4541458B2 - 固体ポリマー燃料電池 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な触媒に関するものであり、特には燃料電池とりわけプロトン交換膜燃料電池の、ガス拡散電極に使用される耐毒性触媒に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
燃料電池において、一般に水素である燃料は燃料電極(アノード)で酸化され、一般に空気からの酸素はカソードで還元され、電流を発生し、生成物の水を発生する。両電極に接触する電解質が必要であり、これは、アルカリ性又は酸性、液体又は固体であることができる。190℃〜200℃の温度で作動する液体電解質のリン酸型燃料電池(PAFC)は、商業化が近い燃料電池の型式であり、数100万Wのユーティリティ電力源の需要や、50kW〜数100kWの熱と電力の組み合わせ、即ちコジェネレーションシステムに用途を見出している。固体ポリマー燃料電池(SPFC)又はプロトン交換膜燃料電池(PEMFC)において、電解質は、通常ペルフルオロスルホン酸系の材料を基礎にした固体のプロトン伝導性ポリマー膜である。電解質は、電解質を通るイオン伝導性の低下を防ぐため、運転中は含水した形態を維持する必要がある。このことは、プロトン交換膜燃料電池の運転温度を、運転圧力にもよるが、一般に70℃〜120℃に制限する。ここで、プロトン交換膜燃料電池は、リン酸型燃料電池よりもかなり高いパワー密度の出力を与え、かなり低めの温度で効率的に作動することができる。このため、プロトン交換膜燃料電池は、輸送機関の動力発生や小規模の住宅用エネルギー源として有用性を見出すであろう。特に、自動車のゼロ排ガス規制法が米国の一部の州で通過しており、将来、燃焼エンジンの使用を制限するものと思われる。現在、商業化前のプロトン交換膜燃料電池を動力源としたバスや試作のプロトン交換膜燃料電池を動力源とした自動車がこれらの実用化のためのデモンストレーションを行っている。
【0003】
これらの割合に低い温度のため、酸化と還元の反応は、有用な速度で進行させるための触媒の利用を必要とする。燃料電池の中で酸素の還元や水素の酸化のような電気化学的反応の速度を高める触媒は、電気触媒と称されることが多い。貴金属触媒の特に白金は、300℃未満で作動する全ての低温の燃料電池にとって最も効率的で安定な電気触媒であることが見出されている。白金の電気触媒は高い表面積の非常に小さな粒子(約20〜50Å)として提供され、常にではないが、所望の触媒担持量を与える割合に大きい巨視的伝導性炭素粒子の上に分配・担持されることが多い。伝導性炭素は、触媒を担持する適切な材料である。電極は電気触媒物質を含有し、反応性ガス(即ち、水素又は酸素)、電解質、及び貴金属触媒との間の接触を促進するように設計することが必要である。電極は多孔質であり、ガス拡散(又は気孔性)電極として知られることが多く、これは、反応体ガス流体に曝された電極面(背面)から反応体ガスが電極に進入し、電解質に曝された電極面(前面)を通って電解質が浸透し、生成物の特に水が電極の外に拡散することを可能にするためである。プロトン交換膜燃料電池において、電極は、薄膜の形態の固体ポリマー電解質に結合され、膜電極アセンブリー(MEA)として知られる1つの一体式ユニットを形成する。
【0004】
殆どの実用的な燃料電池システムにおいて、水素燃料は、メタンのような炭化水素系燃料、メタノールのような酸化炭化水素燃料を、リホーミングとして知られるプロセスで水素に転化させることによって製造される。リホーメイトと称されるこの燃料は、水素の他に、約25%の高濃度の二酸化炭素(CO2 )、一般に約1%の濃度の少量の一酸化炭素(CO)のような不純物を含む。200℃未満で作動する燃料電池にとって、とりわけ約100℃の温度で作動するプロトン交換膜燃料電池にとって、COは1〜10ppmのレベルであっても、電極中に存在する白金電気触媒にとって厳しい毒であることがよく知られている。これは燃料電池の性能にかなりの低下をもたらし、即ち、所定の電流密度における燃料電池の電圧を低下させる。この有害な作用は、より低い作動温度のプロトン交換膜燃料電池で一層顕著である。
【0005】
アノードのCO毒化を軽減するため、いろいろな方法が採用されている。例えば、リホーマー技術は、差別的又は選択的酸化リアクターとして知られる追加の触媒リアクリーを取り入れるように再設計された。これは、COをCO2 に酸化させるため、選択的酸化触媒に通す前に、水素を含有する反応体ガスの中に空気又は酸素を注入することを必要とする。これにより、COの濃度を1〜2%から100ppm未満まで下げることができる。しかしながら、これらの濃度であっも、プロトン交換膜燃料電池のアノードの電気触媒は依然として毒化される。
【0006】
また、1〜100ppmの濃度のCOによる電気触媒の毒化は、燃料電池のアノードチャンバーそのものに入る直前に、アノードガス流の中に酸素又は空気を直接注入することによって軽減され得ることが見出されている。これは文献「S. Gottesfeld and J. Pafford, Journal Electrochem. Soc., Vol 135, 1988, p2651 」に記載されている。この技術は、燃料中の残存COをCO2 に酸化させる作用を有し、下記の反応がアノード中に存在する電気触媒部位によって触媒されると考えられる。
【0007】
CO + 1/2O2 → CO2
この技術は、燃料流体の中にCOが全く存在しないときに見られる性能にかなり近い性能を燃料電池に与える。
しかしながら、アノードのCO毒化による燃料電池性能低下を軽減させるための好ましい技術は、それ自身がより耐毒性でありながら、COの存在中で水素酸化触媒として依然として機能するアノード電気触媒を採用することである。例えば、文献「L. Niedrach et al, Electrochemical Technology, Vol.5, 1967, p318」に記載のように、比較的一般に使用される単一金属の白金のみの電気触媒ではなく、白金/ルテニウムを含む2種金属のアノード電気触媒の使用が、典型的なプロトン交換膜燃料電池作動温度においてCOの毒化作用の抑制を示すことが記載されている。しかしながら、やはり、このアプローチだけでは、純粋な水素、即ち燃料流体中にCOが存在しない燃料で得られる性能を完全に達成することは可能でない。
【0008】
この改良について提示されたメカニズムは、改質された電気触媒上の活性部位が毒化種の吸着によって比較的毒化されにくく、より多くの部位が所望の水素−酸素反応を遂行するために残存し、利用できることである。毒化種は、リホーメイト燃料中に微量レベルで存在するCOそのもの、又はリホーメイト中に存在するCO2 と水素の反応によって生成し得る化学的な関連種のいずれでもよい。
【0009】
コストの観点からは、電極の1cm2 あたり1.0mg未満の貴金属電極触媒を担持する電極を使用することが好ましい。このような担持量においては、空気注入が採用されずに毒化種が存在しない水素燃料で得られる性能に近い程に毒化に対する十分な高い耐久性を有するアノード電気触媒を得ることは、未だ可能ではない。
【0010】
空気注入技術は、現在、リホーメイト燃料を用いて運転するプロトン交換膜燃料電池で採用されつつあり、燃料流体中にCOやCO2 が存在しないときに見られる性能にかなり近い性能を提供している。毒化種が存在しないときに見られる性能に近いレベルまでプロトン交換膜燃料電池の性能を改良することはできたとしても、このアプローチが採用された場合、燃料電池性能の長期間にわたる保持能力について問題がある。このことは、全リホーメイト燃料体積の4%以上に及ぶ高濃度の空気注入が必要な場合、特にあてはまる。
【0011】
COとCO2 を含む炭化水素燃料の存在下で作用するアノード電気触媒の性能を改良する多くの試みがなされてきた。これらは、例えば白金/ルテニウム及びその他の成分を含む既存の最高水準の触媒を改良するアプローチを採用してきた。1995年において、チェンら(J. Electrochem. Soc., Vol.142, No.10) は、CO耐久性触媒を開発する必要性を議論し、テフロン結合炭素で担持した白金/ルテニウム/酸化タングステンの電極で不純物H2 の酸化を検討した。不純物H2 に対する白金触媒の改良された活性の促進剤として酸化タングステンを使用することは新しくはない。かなり以前の1965年に、酸電解質燃料電池の白金含有電極において、COの電気酸化を促進するのに酸化タングステン(WO3 )が有効であることが知られている(Niedrach and Weinstock, Electrochem. Technol., 3, 270-5 (1965)) 。
【0012】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
本発明者により、それらの既に知られた触媒を凌駕する、電極毒に対する改良された耐久性を示す新規な触媒が新たに見出された。即ち、本発明は、Pt−M合金とYを含む触媒を提供し、Mは、遷移金属元素、又は周期律表(Handbook of Chemistry and Physics, 64 版、CRC Press)のIIIA又はIVA 族から選択された1種以上の金属であり、Yは青銅を生成する元素又はその酸化物であり、Pt−M合金がYと近接することを特徴とする(但し、YがWO3 であればMはRuではない)。適切には、触媒中の全金属成分(Pt+M+Y)の割合として、Ptの原子割合は40%以上である。
【0013】
Pt−M合金は、白金金属の固有特性を基本的に変化させるように白金と金属Mの間の測定可能な相互作用を形成するように白金と金属Mが計画的に熱処理される点で、PtとMの単なる物理的混合物とは異なる。熱処理は、白金粒子の原子結晶格子又は単位セルの中に、かなりの数の金属M原子を取り込ませる。このプロセスは、通常、白金単位セルの寸法を歪めさせるが、これは、金属Mの原子が一般に白金とサイズが異なるからであり、これは通常X線回折(XRD)のような方法によって測定可能である。白金単位セルの固有寸法(結晶学分野では格子定数と称される)は、異なる原子サイズを有する2種以上の金属が原子レベルで1つの均一な金属合金格子の中に組み込まれたことにより、変化したことが実証できる。
【0014】
成分Yは青銅生成元素又はその酸化物である。青銅物質は、「Wold and Dwight in Solid State Chemistry - Synthesis, Structure, and Properties of Selected Oxides and Sulfides, Chapman & Hass 」によると、「強い色(又は黒)の金属光沢を有し、半導体又は金属の挙動を示す酸化物。青銅の基本的特徴はいろいろな見かけ価を示す組成範囲である。」と定義されている。
【0015】
本願における用語「近接(intimate contact)」は、成分YがPt−M合金と合金化(得られる合金は上記に定義した)していること、又は合金化していないがその合金と物理的に接触していることを意味する。
好ましくは、1種以上の金属(M)は、「Handbook of Chemistry and Physics, 64 版、CRC Press 」の周期律表のIVB 、VB、VIB 、VIIB、VIII、IB、IIB 、IIIA、又はIVA 族から選択され、例えば、Ru、Rh、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ga、Zr、Hf、Snの群から選択され、特にはRu、Mn、Co、Ni、Ruである。本発明のある特定の態様において、Mはルテニウムではない。
【0016】
成分Yは、適切には、IVB 〜VIB 元素とルテニウム又はその酸化物(クロムとその酸化物を除く)の1種以上から選択され、例えば、Ti、V、Nb、Ta、Mo、W、Re、又はこれらの酸化物であり、適切にはTi、V、Ta、Mo、W、又はこれらの酸化物であり、好ましくはMo若しくはW、又はこれらの酸化物である。
【0017】
本発明の第1の態様は、Pt−M合金を含む触媒を提供し、MはRu以外の1種以上の金属から選択され、Pt−M合金はYと近接する。
本発明の第2の態様は、Pt−M合金を含む触媒を提供し、Mは2種以上の金属であってその1種の金属がルテニウムであり、Pt−M合金はYと近接する。
本発明の第3の態様は、Pt−Ru合金を含む触媒を提供し、Pt−Ru合金はタングステンとさらに合金を形成する。
【0018】
本発明の第4の態様は、Yと近接するPt−Ru合金を含む触媒を提供し、Yは、タングステン又は酸化タングステン以外の青銅形成元素又はその酸化物である。
本発明の触媒は、望ましい電気化学反応について高い活性を維持しながら、毒に対する改良された耐久性を示し、従って、不純物を含む供給源を使用する燃料電池のアノード又はカソードの電気触媒として有用である。本触媒は、リン酸型燃料電池と固体ポリマー燃料電池の双方に有益である。具体的には、リホーメイト燃料の毒性物質に対して耐久性を示し、従って、アノードの電気触媒として特に有用である。
【0019】
本発明のもう1つの局面は、本発明の触媒の製造方法を提供し、本方法は、伝導性カーボンブラックの存在中で塩基による可溶性白金塩の加水分解により、伝導性カーボンブラックの上に白金を堆積させ、次いで適切な金属塩溶液を用い、同様な仕方で白金に1種以上の金属(M)を堆積させることを含む。この材料に、いろいろな方法で調製可能なYの溶液を添加する。次いで混合された組成物が蒸発又は濾過によって分離される。このプロセスの正確性は、添加されるY成分の特定の化学的性質によって決まる。次に、分離された材料は、添加された成分の近接を保証するため、不活性雰囲気下で高温で熱処理される。次いでこの触媒は、電極の作成に供される。
【0020】
本発明の触媒は、燃料電池、電解槽、センサーなどの、電極を使用する任意の電気化学装置に使用されるアノード又はカソードのいずれの電極の調製にも使用可能である。従って、本発明のさらにもう1つの局面は、本発明の触媒を備えた電極を提供する。さらに、本発明は、電気化学装置における本発明の電極の用途を提供する。適切には、電気化学装置は燃料電池である。適切には、燃料電池電極はアノードである。
従って、本発明のさらなる局面は、リホーメイト燃料の毒性物質に対する改良された耐久性を示す電気触媒を含むアノードを含んで成る固体ポリマー燃料電池であって、該電気触媒がPt−M合金を含み、MがRh、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ga、Zr、Hf及びSnからなる群から選択された1種以上の金属であり、該電気触媒がさらにYを含み、YがTi、V、Nb、Ta、Mo、W、Re及びこれらの酸化物からなる群から選択され、かつ、該Pt−M合金がYと近接しており、そして該電気触媒が伝導性カーボンブラック基材上に担持されていることを特徴とする固体ポリマー燃料電池である。
上記固体ポリマー燃料電池において、Mは、好ましくはMn、Co、Ni及びRhからなる群から選ばれた1種以上の金属である。
上記固体ポリマー燃料電池において、Yは、好ましくはTi、V、Ta、Mo、W及びこれらの酸化物からなる群から選ばれ、より好ましくはMo、W及びこれらの酸化物からなる群から選ばれる。
【0021】
【実施例】
次に、下記の例に基づいて本発明をさらに説明する。
比較例1、2、3と実施例1〜4と参考例1との触媒の分析値とXRD特性データを表1に示す。
比較例1
純粋水素燃料で作動するプロトン交換膜燃料電池に使用される一般的な従来の最高水準の触媒として、白金担持量が20重量%の(炭素担体を含む全触媒重量に対して)シェブロンシャウインガムのアセチレンカーボンブラック上に担持した白金のみを含む触媒を、EP0450849に記載のようにして、カーボンブラックの存在中で塩基による可溶性白金塩の加水分解によって伝導性カーボンブラック基材上に堆積させることを含むプロセスを用いて調製した。
比較例2
計算上の白金担持量が20重量%、計算上のルテニウム担持量が10重量%(原子比は50:50)として、比較例1に記載したと同様な方法を用い、キャボット社のバルカンXC72Rの上に担持した白金とルテニウムを含む触媒を調製した。この触媒は、あるレベルのCOを含む純粋でない水素で運転するための従来の最高水準の触媒の例と考えられる。
比較例3
白金、ルテニウム、及び酸化タングステンを含む触媒を調製した。比較例2に準じ、キャボット社のバルカンXC72Rの上に19.2重量%Pt、9.1重量%のRuの担持量で担持した最高水準の白金ルテニウム触媒の7.5gを、1リットルの脱イオン水中で1時間にわたってスラリー状に攪拌した。1.98gのタングステンを含む脱イオン水中のタングステン酸ナトリウムの1重量%溶液を調製し、これを、Dowex50−X8イオン交換樹脂を含む交換カラムに通してコロイド状タングステン酸に転化させ、スラリーの中に直接導いた。得られた触媒を終夜にわたって攪拌し、次いで濾過し、空気中で105℃で乾燥させ、CO2 中に6%のCOを含む混合ガス中で500℃に加熱した。
実施例1
白金、コバルト、及びタングステンを含む触媒を調製した。環流下の炭酸水素ナトリウム溶液(18.5g)中のキャボット社のバルカンXC72Rカーボン(32g)の攪拌サスペンションに、計算上で15重量%の白金担持量を得るのに足りるクロロ白金酸の2重量%溶液として5.68gの白金を添加した。得られたスラリーを濾過し、洗浄液中に塩素が検出されなくなるまで脱イオン水で洗浄した。触媒を空気中の100℃で乾燥した。この触媒を、高温の炭酸水素ナトリウム溶液中で再度スラリーにし、塩化コバルト水和物の2重量%溶液として0.40gのコバルトを滴下によって添加した。両工程におけるアルカリと金属塩の比は、完全な加水分解と、金属含水酸化物/水酸化物のカーボン上の沈着を保証する比とした。スラリーを濾過し、洗浄液に塩素が検出されなくなるまで脱イオン水で洗浄した。次いで湿りケーキを脱イオン水中に分散させた。このスラリーに、水溶液中の1.5gのタングステンを添加した。このタングステン溶液は、過酸化水素(27MのH22 の100ml)中にタングステン粉末(1.5g)を溶解させ、次いで白金ブラックによって過剰の過酸化物を分解し、次いで脱イオン水で1%に希釈することによって調製した。次いで混合スラリーを蒸発と乾燥に供した。得られた触媒を窒素の流れの中で900℃に加熱し、成分の還元と合金化を保証した。加熱後の触媒のX線回折分析は、純白金の3.925Åに比較して低下した3.90Åの格子定数を有する単一の白金ベース立方晶相を示し、CoとWの成分が白金格子の中に高度に組み込まれたことを示唆した。
実施例2
白金、コバルト、及びモリブデンを含む触媒を調製した。環流下の炭酸水素ナトリウム溶液中のキャボット社のバルカンXC72Rカーボン(30.23g)の攪拌サスペンションに、計算上で20重量%の白金担持量を与えるクロロ白金酸溶液としての8gの白金と、塩化コバルト水和物の2重量%溶液としての0.56gのコバルトを含む混合溶液を添加した。2.5時間の環流の後、得られたスラリーを濾過し、洗浄液中に塩素が検出されなくなるまで脱イオン水で洗浄した。触媒を空気中で105℃で乾燥し、1リットルの脱イオン水中で室温で1時間にわたって再度スラリーにした。モリブデン酸ナトリウムの水溶液として1.21gのモリブデンを1重量%に調製し、Dowex50−X8イオン交換樹脂を含む交換カラムに通してコロイド状モリブデン酸に転化させ、スラリーの中に直接導いた。混合スラリーを乾燥するまで蒸発させた後、得られた触媒を窒素中の5%の水素の流れの中で650℃に加熱し、成分の還元と合金化を保証した。加熱後の触媒のX線回折分析は、純白金の3.925Åに比較して低下した3.868Åの平均格子定数を有する単一の白金ベース立方晶相を示し、CoとMoの成分が白金格子の中に高度に組み込まれたことを示唆した。
実施例3
白金、ニッケル、及びタングステンを含む触媒を調製した。キャボット社のバルカンXC72Rカーボン(14.56g)を、環流下の脱イオン水(6リットル)中に懸濁させ、理論量の炭酸水素カリウム(16.5g)をそのサスペンションに溶かし、完全な加水分解と、カーボン上の金属酸化物/水酸化物の沈着を保証した。このサスペンションに、20重量%の計算上の白金担持量を得るのに足りる2重量%クロロ白金酸水溶液としての4gの白金、及び2重量%の塩化ニッケル水溶液としての0.28gのニッケルを含む混合溶液を添加した。2.5時間の環流の後、得られたスラリーを濾過し、洗浄液中に塩素が検出されなくなるまで脱イオン水で洗浄した。触媒を空気中で105℃で乾燥し、1リットルの脱イオン水中で室温で1時間にわたって再度スラリーにした。タングステン酸ナトリウムの水溶液として1.16gのタングステンを1重量%に調製し、Dowex50−X8イオン交換樹脂を含む交換カラムに通してコロイド状タングステン酸に転化させ、スラリーの中に直接導いた。次いでこのスラリーを2時間攪拌し、濾過と乾燥を行った。得られた触媒(Pt:Ni:Wの計算上の原子比は65:15:20)を窒素中の5%の水素の流れの中で900℃に加熱し、成分の還元と合金化を保証した。加熱後の触媒のX線回折分析は、純白金の3.925Åに比較して低下した3.892Åの平均格子定数を有する単一の白金ベース立方晶相を示し、NiとWの成分が白金格子の中に高度に組み込まれたことを示唆した。
実施例4
白金、マンガン、及びタングステンを含む触媒を調製した。実施例3の方法を踏襲したが、但し、2重量%の塩化ニッケル水溶液を、2重量%の硝酸マグネシウム6水和物の水溶液としての0.26gのマンガンに代えた。加熱後の触媒(Pt:Mn:Wの計算上の原子比は65:15:20)のX線回折分析は単一の白金ベース立方晶相を示した。NiとWの成分が白金格子の中に高度に組み込まれたことを示唆した。その他の結晶相やサイクリックボルタンメクリーのようなその他の証拠がないことは、1つの合金相が存在することを示した。
参考
白金、ルテニウム、及びニオブを含む触媒を調製した。キャボット社のバルカンXC72Rカーボン(14.94g)を、環流下の脱イオン水(6リットル)中に懸濁させ、理論量の炭酸水素カリウム(50g)をそのサスペンションに溶かし、完全な加水分解と、カーボン上の金属酸化物/水酸化物の沈着、さらに、溶媒和塩酸の除去を保証した。このサスペンションに、20重量%の計算上の白金担持量を得るのに足りる2重量%クロロ白金酸水溶液としての4gの白金、及び2重量%の塩化ルテニウム(III) 水溶液としての0.47gのルテニウムを含む混合溶液を添加し、その直ぐ後に2重量%の塩化ニオブ水溶液として0.59gのニオブを添加した(65:15:20の計算上の原子比を得た)。塩化ニオブ溶液は、最少限の量の濃塩酸(27MのHClの10ml)の中の塩化物の初期の溶液と、含水酸化物ゲルの沈殿が再溶解するまでの脱イオン水の滴下による添加にらって調製した。その容積を脱イオン水をさらに添加することによって調整した。2.5時間の環流の後、得られたスラリーを濾過し、洗浄液中に塩素が検出されなくなるまで脱イオン水で洗浄した。触媒を空気中で105℃で乾燥し、その触媒を窒素中の5%の水素の流れの中で900℃に加熱し、成分の還元と合金化を保証した。加熱後の触媒のX線回折分析は、純白金の3.925Åに比較して低下した3.919Åの格子定数を有する単一の白金ベース立方晶相を示し、RuとNbの成分が白金格子の中に高度に組み込まれたことを示唆した。
【0022】
【表1】
【0023】
本発明の触媒の「固有の活性」を、電極を最初にプロトン伝導性ポリマー層でコーティングしておいた液体電解質ハーフセルを用い、ガス拡散電極の評価によって測定した。当該技術で通常行われているフィルター転写法を用い、予めテフロン処理した伝導性炭素繊維ペーパー(例えば、Stackpole PC206)の上に電気触媒とポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の混合物を堆積させた。電極を乾燥させ、空気中で350℃で焼成した。次いでこの電極を、可溶化された形態の過フッ化膜のNafion(商標)EW1100(米国ペンシルバニア州にあるソルーションテクノロジー社より市販されており、約18%の水を含む低級脂肪族アルコールの実質的な有機溶媒中に5重量%の溶液として含まれる)でコーティングした。
【0024】
電極は、液体電解質のハーフセル装置の中で評価した。ハーフセルは、電極の背面に大気圧で反応体ガスを供給を提供されるテスト電極用のホルダー、Ptホイルの対向電極、及びテスト電極の表面近くに配置されたルギン細管を備えた参照電極区画からなった。使用した液体電解質は1MのH2 SO4 で、セルを80℃まで加熱した。
【0025】
また、選択されたアノード触媒の燃料電池性能を、プロトン交換膜燃料電池の完全な1つのセルのアノードとして評価した。選択された触媒はアノードの中に組み込まれ、それが膜電極アセンブリーに形成される。膜電極アセンブリーの電極は、EP0731520の例2の記載と同様にして調製した。膜電極アセンブリーは、固体プロトン伝導性電解質膜の各面に対してアノードと純白金触媒カソード(0.6mgPt/cm2 の白金担持量)をホットプレスすることによって作成した。使用した膜は過フッ化膜のNafion(商標)115(デュポン社より入手)であった。膜電極アセンブリーは、当該技術で通常行われているように、膜のガラス転移点を上回る温度において膜電極アセンブリーの全体に400psi(1psi=6.89×103 N/m2 )の圧力でホットプレスすることによって作成した。膜電極アセンブリーは、反応ガス、調湿水、及び加熱又は冷却水を分配して生成物を取り出す流路が機械加工されたグラファイト板からなるプロトン交換膜燃料電池のシングルセルで評価した。膜電極アセンブリーは、適切な流路板の間に配置する。セルは、一般に、反応体ガス圧を上回る70psigのゲージ圧に加圧される。
【0026】
電圧と電流密度の関係を測定することによって燃料電池性能を評価した。燃料電池は、実際のプロトン交換膜燃料電池で採用される代表的な条件下で運転した。これらの条件は、一般に、80℃の反応体ガス入口温度、3気圧の水素と空気の双方の圧力、及び1.5の水素と2.0の空気の反応体化学量論である。シングルセルのリホーメイト耐久性実験に関し、アノードのガスの流れを、時間t=0で純水素から少量のCO不純物を含む水素に切り換えた。次いで実際的条件下でいろいろな触媒のCO耐久性を評価するため、経時的にセル電圧をモニターした。
【0027】
図1と2は、アノードの電位又は電圧(内部抵抗について補正)と電流密度の関係(電極における反応に利用できる実際のPt表面積について補正し、通常行われているように、その場のCO吸着/脱着ボランメトリー技術を用いて測定し、mA/cm2 Pt表面積として表した)を求めることによって評価した。この形態の性能プロットは、通常、比活性プロットと称される。ハーフセルは、100ppmの一酸化炭素(CO)を含む水素燃料の反応体ガス組成を用いて運転した。
【0028】
図1は、本発明の実施例1と2と、比較例1、2、3のCO耐久活性を比較する。理解できるように、純白金は、ハーフセルのアノード電位が急速に高くなることで実証されているように、COによる毒化に対して耐久性が乏しい。PtRuとPtRuWO3 は、比活性基準で、純白金に比較してCOに対するそれ程増加した毒化を示さない。ここで、例1と例2の触媒を用いて作成した電極のハーフセルデータは、アノード電位の全範囲にわたってはるかに高い比活性が得られることを示し、本発明の触媒のCO耐久性のはるかに高いレベルを例証している。
【0029】
図2は、本発明の実施例3と4と、比較例1、2、3のCO耐久活性を比較する。理解できるように、明らかに分かるように、例3と例4の触媒を用いて作成した電極のハーフセルデータは、アノード電位の全範囲にわたってはるかに高い比活性が得られることを示し、比較例1、2、3の触媒を用いて作成した電極よりも、本発明の触媒のCO耐久レベルがはるかに高いことを例証している。
【0030】
図3は、12ppmのCOを含む水素でのPt、PtRu、PtMoCo触媒における運転について、セル電圧と時間の燃料電池性能データを示す。アノード白金担持量はそれぞれ0.37、0.34、0.32mgPt/cm2 である。図3は、Pt、PtRu、PtMoCoのアノードを使用する3つの膜電極アセンブリーのシングルセル電圧がt=0、即ち、純水素燃料の存在中で全て非常に似ていることを示す。Pt触媒のセル電圧は、t=0の水素燃料に12ppmのCOを導入した後、僅か0.45ボルトのセル電圧まで非常に急速に衰えた。現状の最高水準のCO耐久性触媒は0.6ボルトのセル電圧までかなり遅く衰えたが、依然として純水素のセル電圧から約70〜80mVの低下を示し、実際のスタックにおいては燃料電池効率の許容できない低下を呈するはずである。ここで、本発明のPtMoCo触媒を採用したアノードを用いると、12ppmのCOの存在下におけるセル電圧は0.635ボルトまでのはるかに小さい傾斜を示し、本発明の触媒の高い固有活性が、実用サイズの燃料電池の実際の利益として生かされることを明確に実証している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1と2と、比較例1、2、3のCO耐久活性を比較するグラフである。
【図2】本発明の実施例3と4と、比較例1、2、3のCO耐久活性を比較するグラフである。
【図3】12ppmのCOを含む水素でのPt、PtRu、PtMoCo触媒における運転について、セル電圧と時間の燃料電池性能データを示すグラフである。

Claims (4)

  1. リホーメイト燃料の毒性物質に対する改良された耐久性を示す電気触媒を含むアノードを含んで成る固体ポリマー燃料電池であって、該電気触媒がPt−M合金を含み、MがRh、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ga、Zr、Hf及びSnからなる群から選択された1種以上の金属であり、該電気触媒がさらにYを含み、YがTi、V、Nb、Ta、Mo、W、Re及びこれらの酸化物からなる群から選択され、かつ、該Pt−M合金がYと近接しており、そして該電気触媒が伝導性カーボンブラック基材上に担持されている、ことを特徴とする固体ポリマー燃料電池。
  2. がMn、Co、Ni及びRhからなる群から選ばれた1種以上の金属である、請求項に記載の固体ポリマー燃料電池。
  3. YがTi、V、Ta、Mo、W及びこれらの酸化物からなる群から選ばれた、請求項1又は2に記載の固体ポリマー燃料電池。
  4. YがMo、W及びこれらの酸化物からなる群から選ばれた、請求項に記載の固体ポリマー燃料電池。
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