JP5956312B2 - 電極材料、膜電極接合体、燃料電池スタックおよび電極材料の製造方法 - Google Patents
電極材料、膜電極接合体、燃料電池スタックおよび電極材料の製造方法 Download PDFInfo
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Description
アノード:H2→2H++2e−・・・(1)
カソード:1/2O2+2H++2e−→H2O・・・(2)
図1は、本発明の電極材料の一実施形態の構成を示す模式図である。同図に示すように、本実施形態の電極材料10は、活性触媒11を導電性担体12に担持してなる電極触媒13と、電極触媒13の一部を被覆する多孔性無機材料14と、から構成され、多孔性無機材料14の細孔表面が塩基性官能基15で修飾されているものである。また、主として、プロトン伝導性を有する電解質(イオノマー)16が、上記電極材料10に混合される。
固体高分子形燃料電池用電極材料に用いられる活性触媒11は、水素酸化反応または酸素還元反応に活性を有するものであれば特に制限はなく、公知の触媒が使用できる。具体的には、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Sn、Ba、La、Ce、Hf、Re、Os、Ir、Pt、Auなどの金属、金属錯体、酸化物、窒化物、炭化物などが選択される。ただし、コストの観点から、白金を含まないものが望ましい。
導電性担体12は、活性触媒粒子を所望の分散状態で担持し得る比表面積を有し、かつ、十分な導電性を有するものであれば特に制限はなく、公知のものが使用できる。具体的には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノオニオンなどの導電性の炭素材料、酸化チタン、酸化スズなどの導電性金属酸化物、またはこれらの混合物が挙げられる。
多孔性無機材料14は、固体高分子形燃料電池セル内の環境で安定であり、かつ、多孔性を有するものであればよい。具体的には、SiO2、TiO2、ZrO2などが使用できる。好ましくはSiO2を含むことが望ましい。SiO2を含むことで、後述の塩基性官能基で、容易、かつ安定的に細孔表面を修飾することができるためである。
塩基性官能基15は、所望の塩基性を有する官能基であればよい。具体的には、第一級アミン誘導体、第二級アミン誘導体、第三級アミン誘導体、第四級アンモニウム誘導体、ピリジン誘導体、芳香族アミン誘導体のうち少なくとも1種以上を含む官能基が使用でき、中でも、第四級アンモニウム誘導体が好ましい。
イオノマー16は、高いプロトン伝導性を有するものであれば特に制限はなく、公知のものが使用できる。好ましくは、上記高いプロトン伝導性に加えて、高いガス透過性、高い化学的耐久性を有するものが望ましい。具体的には、酸性官能基を有する、パーフルオロカーボン重合体、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、またはポリスルホンなどが挙げられる。酸性官能基としては、スルホン酸、ホスホン酸、またはカルボン酸などが挙げられる。スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン(デュポン社製:登録商標)などが挙げられる。
H2+2OH−→2H2O+2e−・・・(3)
H2O→H++OH−・・・(4)
H2+2e−→2H+・・・(5)
O2+2H2O+4e−→4OH−・・・(6)
H++OH−→H2O・・・(7)
O2+4H++4e−→2H2O・・・(8)
次に、本発明の電極材料の製造方法のうち、電極触媒の表面の少なくとも一部を多孔性無機材料で被覆する工程と、前記多孔性無機材料の細孔表面を塩基性官能基で修飾する工程と、について説明する。
電極触媒の表面の少なくとも一部を多孔性無機材料で被覆する工程は、特に制限されるものではなく、公知の方法を用いることができる。以下、一例を説明する。
多孔性無機材料の細孔表面を塩基性官能基で修飾する工程は、特に制限されるものではなく、公知の方法を用いることができる。具体的には、多孔性無機材料と、塩基性官能基と加水分解性基を有する有機シラン化合物とを、加水分解−縮重合反応により化学的に結合させる方法が挙げられる。以下、一例を説明する。
次に、本発明の一実施形態に係る燃料電池について、図面を参照しながら説明する。
電解質膜23は、高いガス遮断性と高いプロトン伝導性を有するものであればよい。好ましくは、高いガス遮断性と高いプロトン伝導性に加えて、高い化学的・機械的耐久性を有するものが好ましい。具体的には、酸性官能基を有する、パーフルオロカーボン重合体、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、またはポリスルホンなどが挙げられる。酸性官能基としては、スルホン酸、ホスホン酸、またはカルボン酸などが挙げられる。スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン(デュポン社製:登録商標)などが挙げられる。
本発明の一実施形態に係る燃料電池20は、アノード触媒層25aとカソード触媒層25bのうち、少なくとも一方に、本発明の固体高分子形燃料電池用電極材料からなることを特徴とするものである。好ましくはカソード触媒層25bが、より好ましくはアノード触媒層25aとカソード触媒層25bの両方が、本発明の固体高分子形燃料電池用電極材料からなることが望ましい。
ガス拡散層26は、ガス拡散基材により形成される。ガス拡散基材は、電子伝導性を有する多孔体で構成であればよく、公知のものが使用でき、たとえば、金属板、金属フィルム、導電性高分子、カーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などが挙げられる。
セパレータ22は、高い導電性と高い耐腐食性を有していればよく、公知のものが使用できる。たとえば、炭素板等のカーボン材料、またはステンレスなどが挙げられる。
(1)導電性担体上に活性触媒が担持された電極触媒を作製する工程
PdCl2とカーボンブラック(CB)を純水中に分散させ、60℃で30分間超音波処理を行った後、そのまま溶液をドライアップした。得られた試料を60℃で一晩乾燥させた後、350℃で水素還元した。得られた試料を、以下、Pd/CBと記す。熱重量分析より測定されたPd/CBにおけるPdの濃度は28wt%だった。
上記工程で得たPd/CBを純水中に分散させ、60℃で5分間超音波処理を行った。次に、トリエチルアミンで溶液のpHを約10にし、3−アミノプロピルトリエトキシシランを添加し、60℃で30分間攪拌した。次に、テトラエトキシシランを添加し、60℃で180分間攪拌した。その後、遠心分離により試料を回収し、60℃で一晩乾燥させた。得られた試料をH2/Ar(H2:10vol%)流通下、350℃で120分間焼成した。得られた試料を、以下、SiO2/Pd/CBと記す。熱重量分析より測定されたSiO2/Pd/CBの各構成要素の質量比は、SiO2/Pd/CB/=25%/21%/54%だった。また、透過電子顕微鏡より、Pd/CBが、Pdを中心にSiO2で被覆されていることが確認できた。また、平均被覆厚みは約3nmと見積もられた(図5)。
上記工程で得たSiO2/Pd/CBをトルエン中に分散させ、室温で5分間超音波処理を行った。次に、トリメチル[3−(トリエトキシシリル)プロピル]アンモニウムクロリド(50wt%メタノール溶液)を添加し、室温で120分間攪拌した。その後、遠心分離により試料を回収し、メタノール/水(メタノール:80vol%)中に分散させて、室温で30分間攪拌し、洗浄を行った。その後、再び遠心分離により試料を回収し、120℃で一晩乾燥した。得られた試料をKOH水溶液(KOH:10mM)中に分散させ、室温で120分間攪拌し、第四級アンモニウム基の対イオンをヒドロキシイオンに置換した。その後、遠心分離により試料を回収し、純水中に分散させ、室温で120分間攪拌し、洗浄を行った。同様の洗浄をさらに2回繰り返した後、遠心分離で試料を回収し、120℃で一晩乾燥した。これにより、SiO2/Pd/CBのSiO2細孔表面が、トリメチルヒドロキシプロピルアンモニウム基(TMPA)で修飾された電極材料を得た。熱重量分析より、SiO2に対するトリメチルヒドロキシプロピルアンモニウム基(TMPA)の当量は、3.3meq/gと測定された。
(1)導電性担体上に活性触媒が担持された電極触媒を作製する工程
実施例1(1)の工程に準じ、Pd/CBを得た。
実施例1(2)の工程に準じ、SiO2/Pd/CBを得た。
上記工程で得たSiO2/Pd/CBをトルエン中に分散させ、室温で5分間超音波処理を行った。次に、3−アミノプロピルテトラエトキシシランを添加し、室温で120分間攪拌した。その後、遠心分離により試料を回収し、メタノール/水(メタノール:80vol%)中に分散させて、室温で30分間攪拌し、洗浄を行った。その後、再び遠心分離により試料を回収し、120℃で一晩乾燥した。これにより、SiO2/Pd/CBのSiO2細孔表面が、アミノプロピル基(AP)で修飾された電極材料を得た。熱重量分析より、SiO2に対するアミノプロピル基(AP)の当量は、3.0meq/gと測定された。
(1)導電性担体上に活性触媒が担持された電極触媒を作製する工程
実施例1(1)の工程に準じ、Pd/CBを得た。
実施例1(2)の工程に準じ、SiO2/Pd/CBを得た。
(1)導電性担体上に活性触媒が担持された電極触媒を作製する工程
RuCl3・nH2Oとカーボンブラック(CB)を純水中に分散させ、60℃で30分間超音波処理を行った。その後、KOH水溶液(KOH:10mM)を、溶液のpHが約9になるまで滴下し、60℃で120分間攪拌した。その後、遠心分離により試料を回収し、純水中に分散させ、室温で120分間攪拌し、洗浄を行った。同様の洗浄をさらに2回繰り返した後、遠心分離で試料を回収し、120℃で一晩乾燥した。得られた試料を、以下、RuO2−x/CBと記す。熱重量分析より測定されたRuO2−x/CBにおけるRuO2−xの濃度は35wt%だった。
上記工程で得たRuO2−x/CBを純水中に分散させ、60℃で5分間超音波処理を行った。次に、トリエチルアミンで溶液のpHを約10にし、3−アミノプロピルトリエトキシシランを添加し、60℃で30分間攪拌した。次に、テトラエトキシシランを添加し、60℃で180分間攪拌した。その後、遠心分離により試料を回収し、60℃で一晩乾燥させた。得られた試料をN2流通下、350℃で120分間焼成した。得られた試料を、以下、SiO2/RuO2−x/CBと記す。熱重量分析より測定されたSiO2/RuO2−x/CBの各構成要素の質量比は、SiO2/RuO2−x/CB/=31%/24%/45%だった。
上記工程で得たSiO2/RuO2−x/CBをトルエン中に分散させ、室温で5分間超音波処理を行った。次に、トリメチル[3−(トリエトキシシリル)プロピル]アンモニウムクロリド(50wt%メタノール溶液)を添加し、室温で120分間攪拌した。その後、遠心分離により試料を回収し、メタノール/水(メタノール:80vol%)中に分散させて、室温で30分間攪拌し、洗浄を行った。その後、再び遠心分離により試料を回収し、120℃で一晩乾燥した。得られた試料をKOH水溶液(KOH:10mM)中に分散させ、室温で120分間攪拌し、第四級アンモニウム基の対イオンをヒドロキシイオンに置換した。その後、遠心分離により試料を回収し、純水中に分散させ、室温で120分間攪拌し、洗浄を行った。同様の洗浄をさらに2回繰り返した後、遠心分離で試料を回収し、120℃で一晩乾燥した。これにより、SiO2/RuO2−x/CBのSiO2細孔表面が、トリメチルヒドロキシプロピルアンモニウム基(TMPA)で修飾された電極材料を得た。熱重量分析より、SiO2に対するトリメチルヒドロキシプロピルアンモニウム基(TMPA)の当量は、2.9meq/gと測定された。
(1)導電性担体上に活性触媒が担持された電極触媒を作製する工程
実施例3(1)の工程に準じ、RuO2−x/CBを得た。
実施例3(2)の工程に準じ、SiO2/RuO2−x/CBを得た。
上記工程で得たSiO2/RuO2−x/CBをトルエン中に分散させ、室温で5分間超音波処理を行った。次に、3−アミノプロピルテトラエトキシシランを添加し、室温で120分間攪拌した。その後、遠心分離により試料を回収し、メタノール/水(メタノール:80vol%)中に分散させて、室温で30分間攪拌し、洗浄を行った。その後、再び遠心分離により試料を回収し、120℃で一晩乾燥した。これにより、SiO2/RuO2−x/CBのSiO2細孔表面が、アミノプロピル基(AP)で修飾された電極材料を得た。熱重量分析より、SiO2に対するアミノプロピル基(AP)の当量は、3.1meq/gと測定された。
(1)導電性担体上に活性触媒が担持された電極触媒を作製する工程
実施例3(1)の工程に準じ、RuO2−x/CBを得た。
実施例3(2)の工程に準じ、SiO2/RuO2−x/CBを得た。
(1)導電性担体上に活性触媒が担持された電極触媒を作製する工程
AgNO3とカーボンブラック(CB)を純水中に分散させ、60℃で30分間超音波処理を行った後、そのまま溶液をドライアップした。得られた試料を60℃で一晩乾燥させた後、400℃で水素還元した。得られた試料を、以下、Ag/CBと記す。熱重量分析より測定されたAg/CBにおけるAgの濃度は15wt%だった。
上記工程で得たAg/CBを純水中に分散させ、60℃で5分間超音波処理を行った。次に、トリエチルアミンで溶液のpHを約10にし、3−アミノプロピルトリエトキシシランを添加し、60℃で30分間攪拌した。次に、テトラエトキシシランを添加し、60℃で180分間攪拌した。その後、遠心分離により試料を回収し、60℃で一晩乾燥させた。得られた試料をH2/Ar(H2:10vol%)流通下、350℃で120分間焼成した。得られた試料を、以下、SiO2/Ag/CBと記す。熱重量分析より測定されたSiO2/Ag/CBの各構成要素の質量比は、SiO2/Ag/CB/=40%/9%/51%だった。
上記工程で得たSiO2/Ag/CBをトルエン中に分散させ、室温で5分間超音波処理を行った。次に、トリメチル[3−(トリエトキシシリル)プロピル]アンモニウムクロリド(50wt%メタノール溶液)を添加し、室温で120分間攪拌した。その後、遠心分離により試料を回収し、メタノール/水(メタノール:80vol%)中に分散させて、室温で30分間攪拌し、洗浄を行った。その後、再び遠心分離により試料を回収し、120℃で一晩乾燥した。得られた試料をKOH水溶液(KOH:10mM)中に分散させ、室温で120分間攪拌し、第四級アンモニウム基の対イオンをヒドロキシイオンに置換した。その後、遠心分離により試料を回収し、純水中に分散させ、室温で120分間攪拌し、洗浄を行った。同様の洗浄をさらに2回繰り返した後、遠心分離で試料を回収し、120℃で一晩乾燥した。これにより、SiO2/Ag/CBのSiO2細孔表面が、トリメチルヒドロキシプロピルアンモニウム基(TMPA)で修飾された電極材料を得た。熱重量分析より、SiO2に対するトリメチルヒドロキシプロピルアンモニウム基(TMPA)の当量は、3.3meq/gと測定された。
(1)導電性担体上に活性触媒が担持された電極触媒を作製する工程
実施例5(1)の工程に準じ、Ag/CBを得た。
実施例5(2)の工程に準じ、SiO2/Ag/CBを得た。
上記工程で得たSiO2/Ag/CBをトルエン中に分散させ、室温で5分間超音波処理を行った。次に、3−アミノプロピルテトラエトキシシランを添加し、室温で120分間攪拌した。その後、遠心分離により試料を回収し、メタノール/水(メタノール:80vol%)中に分散させて、室温で30分間攪拌し、洗浄を行った。その後、再び遠心分離により試料を回収し、120℃で一晩乾燥した。これにより、SiO2/Ag/CBのSiO2細孔表面が、アミノプロピル基(AP)で修飾された電極材料を得た。熱重量分析より、SiO2に対するアミノプロピル基(AP)の当量は、3.5meq/gと測定された。
(1)導電性担体上に活性触媒が担持された電極触媒を作製する工程
実施例5(1)の工程に準じ、Ag/CBを得た。
実施例5(2)の工程に準じ、SiO2/Ag/CBを得た。
実施例1〜6及び比較例1〜3で得られた各電極材料につき、それぞれ、20wt%Nafion溶液(デュポン社製:登録商標)、水、及び1−プロパノールの混合溶液中に分散させ、室温で60分間超音波処理を行い、カソード触媒スラリーを作製した。ここで、各カソード触媒スラリーは、総体積が50ml、水と1−プロパノールの体積比が水/プロパノール=1/4、含まれる活性触媒が0.5g、カーボンブラックに対するNafionの質量比が1.0、となるようにした。
面積5cm2のガス拡散基材(カーボンペーパー)に、上記カソード触媒スラリーを塗布してカソード触媒層を形成した後、一晩乾燥させた。なお、それぞれ活性触媒の量が0.5mg/cm2となるようにした。
白金担持カーボンブラック(TEC10E50E、田中貴金属工業株式会社)を、20wt%Nafion溶液(デュポン社製:登録商標)、水、及び1−プロパノールの混合溶液中に分散させ、室温で60分間超音波処理を行い、カソード触媒スラリーを作製した。ここで、各カソード触媒スラリーは、総体積が50ml、水と1−プロパノールの体積比が水/プロパノール=1/4、含まれる活性触媒(白金)が0.5g、カーボンブラックに対するNafionの質量比が1.0、となるようにした。
面積5cm2のガス拡散基材(カーボンペーパー)に、上記アノード触媒スラリーを塗布してアノード触媒層を形成した後、一晩乾燥させた。なお、それぞれ活性触媒(白金)の量が0.5mg/cm2となるようにした。
上記アノードと上記カソードとの間に電解質膜を狭持した状態でホットプレスを行い、膜電極接合体を作製した。ここで、電解質膜としてNafion212(デュポン社製:登録商標)を用いた。また、ホットプレスの条件は、120℃、5MPa、160秒とした。
上記膜電極接合体のアノード面、カソード面に、それぞれ、燃料流路が設けられたセパレータ、酸化剤流路が設けられたセパレータを配設し、燃料電池を作製した。電極の有効面積は5cm2で、燃料流路及び酸化剤流路は、ともに1流路のサーペンタイン型流路であり、燃料流路および酸化剤流路は並行流とした。
実施例1〜6及び比較例1〜3の燃料電池について、それぞれ下記条件で発電試験を行った。発電試験は、初期及び後述の電位サイクル試験後に行った。
アノードガス:H2、流量100ml/min
カソードガス:O2、流量100ml/min
セル温度:70℃
アノードガス用バブラー温度:70℃
カソードガス用バブラー温度:70℃
実施例1〜6及び比較例1〜3の燃料電池について、各活性触媒の耐溶出性を評価するため、それぞれ下記条件でCV測定を行った。CV測定で観測された各活性触媒の酸化−還元電荷量を、各活性触媒の有効表面積を表す指標とした。CV測定は、初期及び後述の電位サイクル試験後に行った。
アノードガス:H2、流量100ml/min
カソードガス:N2、流量100ml/min
セル温度:70℃
アノードガス用バブラー温度:70℃
カソードガス用バブラー温度:70℃
電位走査範囲:0.05V〜1.2V(vs RHE)
電位走査速度:0.05V/s
実施例1〜6及び比較例1〜3の燃料電池について、劣化加速試験として、それぞれ下記条件で電位サイクル試験を行った。
アノードガス:H2、流量100ml/min
カソードガス:N2、流量100ml/min
セル温度:70℃
アノードガス用バブラー温度:70℃
カソードガス用バブラー温度:70℃
電位走査範囲:0.05V〜1.2V(vs RHE)
電位走査速度:0.5V/s
電位サイクル数:10000回
Claims (11)
- 電極触媒と、
前記電極触媒の表面の少なくとも一部を被覆する多孔性無機材料と、
を備え、
前記多孔性無機材料の細孔表面が、塩基性官能基で修飾されていることを特徴とする電極材料。 - 前記塩基性官能基が、第一級アミン誘導体、第二級アミン誘導体、第三級アミン誘導体、または第四級アンモニウム誘導体のうち少なくとも1種以上を含む請求項1に記載の電極材料。
- 前記多孔性無機材料が、シリカ(SiO2)を含む請求項1または2に記載の電極材料。
- 前記塩基性官能基の当量が、前記多孔性無機材料に対して0.01meq/g以上である請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電極材料。
- 前記多孔性無機材料が電極触媒を被覆している部分における平均被覆厚みが、0.5nm〜100nmである請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電極材料。
- 前記電極触媒が、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Sn、Ba、La、Ce、Hf、Re、Os、Ir、Pt、Auのうち少なくとも1種以上の元素を含有する金属、金属錯体、酸化物、窒化物、または炭化物からなる活性触媒を含む請求項1乃至5のいずれかに記載の電極材料。
- 前記電極触媒が、前記活性触媒が導電性担体上に担持された形態である請求項6に記載の電極材料。
- イオン伝導性を有する電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に設けられているカソード触媒層と、
前記電解質膜の一方の面に設けられているアノード触媒層と、
を備え、
前記カソード触媒層、前記アノード触媒層のうち、少なくとも一方の触媒層が請求項1乃至7のいずれかに記載の電極材料を備えることを特徴とする膜電極接合体。 - 請求項8に記載の膜電極接合体を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
- 電極触媒の表面の少なくとも一部を多孔性無機材料で被覆する工程と、
前記多孔性無機材料の細孔表面を、塩基性官能基で修飾する工程と、
を含むことを特徴とする電極材料の製造方法。 - 前記塩基性官能基で修飾する工程が、前記多孔性無機材料と、有機シラン化合物とを反応させる工程であって、前記有機シラン化合物が、第一級アミノ基、第二級アミノ基、第三級アミノ基または第四級アンモニウム基のうち少なくとも1種以上を含む請求項10に記載の電極材料の製造方法。
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