JP5134763B2 - 燃料電池用の触媒含有ガス拡散層並びにその製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明による触媒含有ガス拡散層の略示断面図を示す。その際に(11)は多孔質層材料を表す。触媒粒子(12)は、層の表面上に固定されており、かつ層の全体積に亘って均一に分配されている。それ故にこれらの粒子は、例えばCOにより汚染された燃料ガスにとって最適な接近しやすさを有する。例えばPTFE及びカーボンブラックからなっている場合による補償層(13)は、イオノマー膜上での電極層への接触を改善するために塗布されている。
例1:
補償層を有するRu含有ガス拡散層の製造を記載する。出発物質として200μmの厚さを有し、面積50cm2(寸法約7×7cm)の疎水化された炭素繊維紙(Sigracet 10、SGL Carbon社)を利用する。テフロン含量は約8質量%である。実験室用てんびんを用いる質量測定後に、前記基材を大きなシャーレ中で酢酸ルテニウム(III)溶液(水中Ru 5質量%、OMG社、ハーナウ)に浸漬する。完全な湿潤後に、前記基材をピンセットを用いて浸漬浴から取り出す。これを短時間水切りし、引き続いて乾燥戸棚中で100℃で15min乾燥させる。ついで冷却させ、吸収された酢酸Ru量を重量分析により測定する。浸漬過程を、0.85mg酢酸Ru/cm2の負荷が得られるまで3回繰り返す。引き続いてガス拡散層を炉中で200℃でホーメートガス(窒素95体積%、水素5体積%)下に30min熱処理する。基材の冷却後に基材のRu含量は0.48mg Ru/cm2である。Ru粒子は基材中に均一に分配されており、かつ基材表面上に固定されている。これらは、透過型電子顕微鏡法(TEM)を用いて測定される5nmの平均粒度を有する。
補償層を有しないRu含有ガス拡散層の製造を記載する。出発物質として再び、200μmの厚さを有し、面積50cm2(寸法約7×7cm)の疎水化された炭素繊維紙(Sigracet 10、SGL Carbon社)を利用する。テフロン含量は約8質量%である。前駆物質溶液への含浸を例1に記載されたように行う。浸漬過程を、0.5mg酢酸Ru/cm2の負荷が得られるまで2回繰り返す。引き続いてガス拡散層を炉中で250℃でホーメートガス(窒素95体積%、水素5体積%)下に30min熱処理する。前記基材の冷却後に、基材のRu含量は0.28mg Ru/cm2である。Ru粒子は基材中に均一に分配されており、かつ基材表面上に固定されている。これらの粒子は4nmの平均粒度(TEMを用いて測定)を有する。基材をプレアノードとして触媒被覆された膜(CCM)と組み合わせ、例1に記載されたように、膜電極ユニット(MEE)へ組み立てる。CO含有リホーメート(CO 100ppm)を用いるMEEの運転の際に、極めて良好な結果及び比較例VB1(下記参照)と比較して明らかに改善されるCO許容差が得られる。
この例は、補償層を有しないAu/TiO2含有ガス拡散層の製造を記載する。出発物質として再び、200μmの厚さを有し、面積50cm2(寸法約7×7cm)の疎水化された炭素繊維紙(Sigracet 10、SGL Carbon社)を利用する。テフロン含量は約8質量%である。Au−ポリマーエステルHF 3401(FERRO社、フランクフルト)及び酸化チタン(タイプP25、Degussa社、フランクフルト)を含有する水含有前駆物質溶液を製造する。溶液のAu含量はAu 5質量%であり、酸化チタン含分は0.1質量%である。浸漬を例1に記載されたように行う。浸漬過程を3回繰り返す。引き続いてガス拡散層を炉中で250℃でホーメートガス下に30min熱処理する。前記層の冷却後に、層のAu含量は約0.1mg Au/cm2である。Au粒子は、酸化チタンと共に前記層中に均一に分配されている。前記層を例1に記載されたように、プレアノードとして触媒被覆された膜(CCM)と組み合わせ、膜電極ユニット(MEE)へ組み立てる。
比較例(VB1)
本発明によらないこの例において、アノード側に補償層を有しない触媒を含まないガス拡散層を有するMEEの製造及び試験を記載する。出発物質として再び、200μmの厚さを有し、面積50cm2(寸法約7×7cm)の疎水化された炭素繊維紙(Sigracet 10、SGL Carbon社)を利用する。テフロン含量は約8質量%である。触媒を含まない前記層を、触媒被覆された膜(CCM)と組み合わせ、例1及び2において記載されたように、膜電極ユニット(MEE)へ組み立てる。CO含有リホーメート(CO 100ppm)を用いるMEEの運転の際に、Pt触媒のCO被毒に基づいて極めて劣悪な結果が得られる。このことは、本発明による触媒含有ガス拡散層(補償層を有する又は有しない)が極めて良好な有効性を有することを示す。
補償層を有しないPtRu−含有ガス拡散層の製造及び直接メタノール燃料電池(DMFC)におけるプレアノードとしてのその使用を記載する。
PEMFC出力試験の際にアノードガスとしてH2 60体積%、N2 15体積%及びCO2 25体積%からなる燃料ガス混合物を使用する。燃料ガスに、空気1体積%もしくは3体積%の“エアブリード”を有するCO 100ppmを添加する。この燃料ガス混合物は、水蒸気改質及びその後の精製段階を用いるメタン又は炭化水素の改質により得られることができるリホーメートガスをシミュレートする。カソードガスとして空気を使用する。セル温度は75℃である。作動ガスの圧力は3bar(絶対)である。ガスの化学量論は1.5(アノードガス)及び2.0(カソードガス)である。MEEsはOMG標準条件に従って50cm2の活性面積を有する電池において測定される。例1、2及び3並びに比較例VB1の結果は第1表にまとめられている。
Claims (13)
- 多孔質担持材料及び触媒粒子を含有し、該触媒粒子が該多孔質担持材料の表面上に固定されており、かつ該触媒粒子が均一に該多孔質担持材料の全体積に亘って分配されている燃料電池用の触媒含有ガス拡散層において、前記触媒粒子が1〜100nmの平均粒度を有しており、かつ前記触媒粒子が、Pt、Pd、Ru、Rh、Au、Ag、Ir、Osの群からの貴金属、及び/又はそれらの混合物もしくは非貴金属との合金を含んでおり、かつ前記触媒粒子が、硝酸塩、炭酸塩、カルボン酸塩、ヒドロキシカルボン酸塩、酢酸塩、乳酸塩、ブタン酸塩、シュウ酸塩、ギ酸塩、樹脂酸塩及びエチルヘキサン酸塩の群から選択される少なくとも1つの前駆物質化合物の熱分解により多孔質担持材料上に形成されることを特徴とする燃料電池用の触媒含有ガス拡散層。
- 触媒粒子が0.05〜100mg金属/cm2の単位面積当たりの濃度でガス拡散層上に存在している、請求項1記載の触媒含有ガス拡散層。
- 炭素繊維布、炭素繊維不織布、カーボン紙、炭素繊維網、導電被覆されたプラスチック網、導電被覆されたポリマー布、導電被覆されたガラス繊維、導電被覆されたフォーム又は金属繊維布又は金属線網からなる多孔質担持材料を含んでいる、請求項1又は2記載の触媒含有ガス拡散層。
- 触媒粒子が気相活性であり、かつ一酸化炭素の酸化を触媒する、請求項1から3までのいずれか1項記載の触媒含有ガス拡散層。
- 触媒粒子が気相活性であり、かつ一酸化炭素からメタンへの転化を触媒する、請求項1から3までのいずれか1項記載の触媒含有ガス拡散層。
- 触媒粒子がメタノールの酸化を触媒する、請求項1から3までのいずれか1項記載の触媒含有ガス拡散層。
- 多孔質担持材料を、硝酸塩、炭酸塩、カルボン酸塩、ヒドロキシカルボン酸塩、酢酸塩、乳酸塩、ブタン酸塩、シュウ酸塩、ギ酸塩、樹脂酸塩及びエチルヘキサン酸塩の群から選択される少なくとも1つの前駆物質化合物で処理し、乾燥し、かつ熱処理し、その際に前駆物質化合物の分解が起こり、かつ触媒粒子が形成され、かつ担持材料の表面上に固定される、請求項1から6までのいずれか1項に記載の触媒含有ガス拡散層の製造方法。
- 熱処理を200〜900℃の温度で実施する、請求項1から6までのいずれか1項に記載の触媒含有ガス拡散層の製造方法。
- 熱処理を気体雰囲気下に実施する、請求項1から6までのいずれか1項に記載の触媒含有ガス拡散層の製造方法。
- 熱処理を空気、窒素、水素又はそれらの混合物下に実施する、請求項9記載の触媒含有ガス拡散層の製造方法。
- 水素含有燃料ガスから一酸化炭素を除去するための、燃料電池における請求項1から5までのいずれか1項記載の触媒含有ガス拡散層の使用。
- メタノールの酸化のための、直接メタノール燃料電池における請求項1から3までのいずれか1項記載の触媒含有ガス拡散層の使用。
- 請求項1から3までのいずれか1項記載の触媒含有ガス拡散層を有している、低温型PEM燃料電池用の膜電極ユニット。
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