JP4949255B2 - 燃料電池用電極触媒 - Google Patents
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Description
沈殿法は、液体状態でほとんどの工程が行われ、工程変数による影響が大きくはないため、製造過程が比較的に単純であり、且つ、工程のスケールアップが容易に行われるという長所を有するが、白金の分散が不均一であり、且つ、粒子がやや大きいという欠点がある。これに対し、コロイド法は、白金が総重量に対して20〜40重量%担持される場合、1.5〜3nm範囲の微細な白金粒子を得ることができ、粒子が均一に分散されるというメリットを有している。しかしながら、担持量が50重量%以上に増えるに伴い、白金粒径が急激に大きくなる現象が起こるだけではなく、さらなる水素還元工程が必要になり、沈殿法に比べて10倍以上の水の投入量が求められるという欠点がある。このため、既存の方法の長所を兼ね備え、一層単純な製造工程と微細な白金粒子を得ることのできる最適化した電極触媒の製造方法が望まれる。
本発明は、支持体上に触媒反応に参加可能な触媒成分が高担持及び高分散できるだけではなく、これらの触媒成分を含有する粒子の表面積の最大化を通じて触媒反応活性領域が最大化した電極触媒、例えば、白金若しくは白金含有合金/支持体粒子を提供することを特徴とする。
さらに、本発明は、同じ比表面積範囲を有する支持体を用いて白金担持量を調節することにより、支持体に担持される白金粒径を容易に調節することができるという別の特徴がある。
用いられる支持体は上述の通りであり、溶媒は特に制限がないが、蒸留水であることが好ましい。
[反応式1]
HCHO+3OH−→2HCOO−+H2O+2e−
2Pt++2e−→2Pt(s)
本発明により比表面積が1200m2/g以上となる支持体上に3.5nm以下の粒度を有する白金粒子が高担持された白金若しくは白金含有合金/支持体粒子を電極触媒として用いる場合、触媒活性領域が最大領域範囲に拡大することから、性能の向上を期待することができ、実際に、前記電極触媒を用いて膜電極接合体(MEA)を製作して単位電池の実験を行ったとき、カソード電極における性能が有意的に向上するということが認められる(図1〜図3参照)。
燃料電池用電極は、例えば、ガス拡散層と触媒層とからなり、触媒層のみからなても良く、ガス拡散層上に触媒層が形成された組合せの態様も採用可能である。
本発明の燃料電池用電極は、当分野における通常の方法に従い製造することができ、その一実施の形態としては、例えば、前記電極触媒を水素イオン伝導度が高い高分子物質及び触媒分散を促す混合溶媒を含む触媒インクと混合してスラリーを製造後、プリント、吹き付け、ロール若しくははけ塗りなどの方法により炭素紙に塗布及び乾燥して製造することができる。
このとき、第1の電極及び第2の電極のうち一方はカソード電極であり、他方はアノード電極である。
電極膜接合体(MEA)とは、燃料と空気の電気化学触媒反応が起こる電極と水素イオンの伝達が起こる高分子膜の接合体を言い、触媒電極と電解質膜が接着された単一の一体型ユニットである。
[実施例1〜4.燃料電池触媒、膜電極接合体、燃料電池の製造]
〈実施例1〉
1−1.燃料電池触媒
支持体として用いられる表面積1200m2/gのカーボンブラック(KB600JD)0.4gを30mlの蒸留水に入れた後、強い攪拌によりコロイド状態の溶液を得た。次いで、これを90℃の温度に加熱した。1Mの炭酸ナトリウム溶液をコロイド溶液に付加してpHを8から9までの範囲に調節した。pH値が安定化した後、所望の白金担持量60重量%に相当する1.54gの塩化白金酸(H2PtCl6.xH2O)を含んでいる水溶液4mlをコロイド溶液に付加した。塩化白金酸により低くなったpH値をさらに1Mの炭酸ナトリウム溶液を付加することでpH値を8から9までの範囲に調節し、この溶液にホルムアルデヒド溶液を付加して液状にて白金を還元した。溶液をろ過して得られた粉末を洗浄後、80℃の温度条件下で真空乾燥して最終的に白金/炭素粉末を得た。
実施例1−1の触媒を用いて白金触媒とイソプロピルアルコールを重量比を目安に1:100にて希釈した溶液にナフィオン溶液を添加し、機械的な攪拌を用いて分散させて触媒スラリーを製造した。製造された触媒スラリーのうち必要な触媒量を計算してガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)に吹き付け、 カソード電極における電極活性の違いを観察するために、アノード電極(支持体に白金が60重量%担持されたPt触媒、Johnson Matthey社製、HISPEC9100)は単位面積当たり0.4mgPt/cm2を、カソード電極(実施例1−1の電極触媒)は単位面積当たり0.2mgPt/cm2を入れた。アノード電極電極と高分子電解質膜、カソード電極電極を重ね合わせた後、圧力を加えて膜電極接合体(MEA)を製造した。
このようにして燃料電池単位電池を製造し、該単位電池の温度を70℃に固定した。カソード電極には80℃にて完全に加湿されたエアを供給し、アノード電極には85℃にて完全に加湿されたH2を供給した。製造された単位電池に0.6Vの固定された電圧を加えながら、発生する電流密度を測定して性能の評価を行った。
白金が70重量%担持されている触媒を合成するために、支持体として用いられるカーボンブラック(KB600JD)0.3gに1.80gの塩化白金酸(H2PtCl6.xH2O)を用いた以外は、前記実施例1−1の方法と同様にして白金/炭素粉末を製造した。
白金が80重量%担持されている触媒を合成するために、支持体として用いられるカーボンブラック(KB600JD)0.2gに2.06gの塩化白金酸(H2PtCl6.xH2O)を用いた以外は、前記実施例1−1の方法と同様にして白金/炭素粉末を製造した。
白金が90重量%担持されている触媒を合成するために、支持体として用いられるカーボンブラック(KB600JD)0.1gに2.31gの塩化白金酸(H2PtCl6.xH2O)を用いた以外は、前記実施例1−1の方法と同様にして白金/炭素粉末を製造した。
〈比較例1〉
実施例1−1の支持体としての表面積1200m2/gのカーボンブラック(KB600JD)に代えて、表面積が250m2/gであるV72Rを用いて触媒を合成した以外は、前記実施例1の方法と同様にして60重量%白金が担持された電極触媒、前記電極触媒を用いた還元電極及び前記電極を備えた単位電池を製造した。
実施例1−1の支持体としての表面積1200m2/gのカーボンブラック(KB600JD)に代えて、表面積が800m2/gのカーボンブラック(KB300J)を用いて触媒を合成した以外は、前記実施例1の方法と同様にして60重量%の白金が担持された電極触媒、前記電極触媒を用いた還元電極及び前記電極を備えた単位電池を製造した。
実施例1の電極触媒(KB600JD)に代えて、比表面積が約700m2/gである支持体の上に白金が60重量%担持された触媒(Johnson Matthey社製、HISPEC9100)を用いて還元電極を製造した以外は、前記実施例1−2の方法と同様にして単位電池を製造した。
実施例1の電極触媒(KB600JD)に代えて、比表面積が約700m2/gである支持体の上に白金が60重量%担持された触媒(Tanaka社製、TEC10E60E)を用いて還元電極を製造した以外は、前記実施例1−2の方法と同様にして単位電池を製造した。
本発明に従い製造された電極触媒を評価するために、下記のようにして実験を行った。
1−1.元素分析
実施例1〜4に従い製造された触媒をICP機器を用いて元素分析を行った結果、実施例1〜4の電極触媒はそれぞれ56重量%、65重量%、75重量%及び83重量%の白金が炭素に担持されていることが分かった。さらに、この数値は、理論的に計算した値(60重量%、70重量%、80重量%、90重量%)とほとんど同値であった。
実施例1〜4に従い製造された電極触媒をXRDにて分析した結果、実施例1、実施例2、実施例3及び実施例4の炭素支持体に担持された白金の粒径はそれぞれ1.6〜2.2nm、1.8〜2.4nm、2.2〜2.8nm及び3.0〜3.5nmであることが確認できた(図4参照)。
このとき、XRDデータにより粒径を決める方法は、下記の Debye-Scherrer equation に基づいて行われた。
[Debye-Scherrer equation]
t=0.9 λ/B cosθB (t:粒径、λ:XRDビームのCu波長、2θ:屈折角度)
B=HW/10θW(HW:半値幅、10θW:XRDグラフの10度間区間幅)
本発明に係る電極触媒を用いて製造された燃料電池の性能評価を行うために、下記のような実験を行った。
表面積が1200m2/gとなる炭素支持体に担持された電極触媒(KB600JD)を用いて製造された実施例1の単位電池を用いた。対照群として、表面積が250m2/gとなるV72Rと表面積が800m2/gとなる炭素支持体KB300Jを用いて製造された電極触媒を含む比較例1及び比較例2の単位電池を用いた。
各単位電池に0.6Vの一定の電圧を加えて発生する電流密度を測定し、経時による電流密度の変化を図1に示す。各実験の再現性を確かめるために、3回以上に亘って実験を繰り返し行った。
表面積が1200m2/gとなる炭素支持体に担持された電極触媒(KB600JD)を用いて製造された実施例1の単位電池を用いた。対照群として、60重量%の白金が担持されたJohnson Matthey社製及びTanaka社製の商用レベルの電極触媒を用いて製造された比較例3及び比較例4の単位電池を用いた。
実験の結果、Johnson Matthey社製の電極触媒を用いた比較例3の単位電池は、0.6Vにて0.38A/cm2の電流密度を示し、Tanaka社製の電極触媒を用いた比較例4の単位電池は、0.6Vにて0.34A/cm2を示す。これに対し、実施例1に従い製造された電極触媒を用いた本発明の燃料電池は、0.56A/cm2の電流密度を示し、優れた性能向上の効果を示していることが確認できた(図2及び図3参照)。
Claims (4)
- (a)比表面積が1200m2/g以上となる支持体を溶媒に分散させて支持体分散液を製造後、pH調節剤を添加してアルカリ化された支持体分散液を得る段階と、
(b)前記段階(a)において得られた分散液に白金前駆体若しくは白金含有合金前駆体化合物及びpH調節剤を添加することでpHを8以上に調節した後、還元剤を添加して反応させる段階と、
(c)前記段階(b)において得られた粉末を乾燥する段階と、を含む3.5nm以下の粒径を有する白金触媒が56〜90重量%担持された電極触媒の製造方法。 - 前記段階(b)における分散液のpHは、8〜11の範囲であることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 前記(a)及び(b)段階における温度は、50℃以上であることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 前記段階(b)において、支持体分散液に白金含有溶液とpH調節剤を1/N(1≦N<100、ここで、Nは整数)に分けて添加することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
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