JP6086497B2 - ガス拡散電極用触媒層、その製造方法、膜電極接合体および燃料電池 - Google Patents
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Description
[1] 焼結体よりなり、ナノ粒子が連結して電子伝導性を有するネットワーク状金属触媒と、前記ネットワーク状金属触媒と少なくとも一部が接触するイオン伝導体とを具備するガス拡散電極用触媒層。
[2] 前記ネットワーク状金属触媒が、カプセル状触媒、ロッド状触媒およびシート状触媒の少なくともいずれかである[1]に記載のガス拡散電極用触媒層。
[3] 前記ネットワーク状金属触媒は、カーボン担体フリーである[1]又は[2]に記載のガス拡散電極用触媒層。
[4] 前記イオン伝導体は、カチオン伝導体又はアニオン伝導体である[1]〜[3]のいずれか1項に記載のガス拡散電極用触媒層。
[5] 厚みが10μm以下、より好ましくは2μm以下、さらに好ましくは0.5μm以下である[1]又は[2]に記載のガス拡散電極用触媒層。
[7] 前記ガス拡散電極用触媒層の厚みが、厚みが10μm以下、より好ましくは2μm以下、さらに好ましくは0.5μm以下である[6]に記載の膜電極接合体。
[9] 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟持するアノードユニットおよびカソードユニットを備え、前記ガス拡散電極用触媒層を、前記アノードユニットおよび前記カソードユニットの少なくともいずれかの前記高分子電解質膜と接する位置に配置する[8]に記載の燃料電池。
(i)工程(a)によって組み込まれた前記鋳型に含まれている成分である。
(ii)工程(c)の後に、前記鋳型に含まれている成分を前駆体として、変換することにより得られるものである。
(iii)工程(c)の後に、新たに加えることにより導入するものである。
[11] 前記ネットワーク状金属触媒は、カプセル状、ロッド状およびシート状の少なくともいずれかであり、前記ネットワーク状金属触媒の内部および/又は外部に、前記イオン伝導体を配設する[10]に記載のガス拡散電極用触媒層の製造方法。
[12] 前記焼結処理は、超臨界処理、若しくは亜臨界処理である[10]又は[11]に記載のガス拡散電極用触媒層の製造方法。
[13] 前記鋳型は、プレ鋳型粒子の表面を修飾して、表面が第1の極性を有する鋳型粒子からなる[10]〜[12]の少なくともいずれかに記載のガス拡散電極用触媒層の製造方法。
図2は、第1実施形態に係る固体高分子形燃料電池の要部の一例を示す模式的断面図である。固体高分子形燃料電池1は、イオン伝導性を有する高分子電解質膜5、水素等の燃料ガスが供給されるアノードユニット10、および酸素が供給されるカソードユニット20を具備するセル6、並びに外部回路7等を有する。通常は、必要な出力に応じてセル6をスタックすることにより電池が構成される。
(i)工程(a)によって組み込まれた鋳型に含まれている成分である。
(ii)工程(c)の後に、前記鋳型に含まれている成分を前駆体として、変換することにより得られるものである。
(iii)工程(c)の後に、新たに加えることにより導入するものである。
次に、上記第1実施形態とは異なるガス拡散電極用触媒層の一例について説明する。第2実施形態のガス拡散電極用触媒層は、カプセル状触媒30の主として内部にイオン伝導体が配設されている点において第1実施形態のガス拡散電極用触媒層と異なるが、以下に説明する以外の基本的な構造および製造方法は、第1実施形態と同様である。なお、以降の説明において、上記第1実施形態と同一の要素部材は同一の符号を付し、適宜その説明を省略する。
第3実施形態のガス拡散電極用触媒層は、ネットワーク状金属触媒3がロッド状触媒からなる点において、カプセル状触媒30を用いた前述の実施形態とは相違するが、基本的な構成は、第2実施形態と同様である。
第4実施形態のガス拡散電極用触媒層は、ネットワーク状金属触媒3がロッド状触媒であり、かつ、ロッド状触媒の外側にイオン伝導体が配設されている点において第3実施形態のガス拡散電極用触媒層と異なるが、以下に説明する以外の基本的な構造および製造方法は、第3実施形態と同様である。
第5実施形態のガス拡散電極用触媒層は、ネットワーク状金属触媒3がシート状触媒である点において、前述の実施形態と相違するが、以下に説明する以外の基本的な構造及び製造方法は、前述の実施形態と同様である。
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。但し、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
正のゼータ電位を有する鋳型粒子を以下の方法により調製した。まず、プレ鋳型粒子であるシリカ粒子(直径0.30μm)0.16gと脱イオン水5mLを30mLビーカーに入れ、シリカ粒子を分散させた。
アセチルアセトナトFe(III)を加えないこと以外は実施例1と同様の方法により、Ptカプセルを得た。図16に、Pt−カプセル状触媒の透過型電子顕微鏡像を示す。同図より、芯材のシリカ粒子が溶解して除去されていることがわかる。また、Ptナノ粒子同士が融着して、表面に空隙を有するカプセル状触媒30が形成されていることがわかる。得られたカプセル状触媒30の平均粒子径は約300nm、平均シェル厚は約20nmの中空カプセルが得られた。
Pt/C(田中貴金属工業社製、TEC10E50E)をそのまま用いた。比較例1の微粒子は、規則合金構造が観測されないことを確認した。
実施例1で得られたカプセル状触媒および比較例1のPt/C粒子について、回転ディスク電極を用いて電気化学的評価を行った。電気化学的評価を行うにあたり、アルミニウムで磨いたグラッシーカーボン(幾何学的領域:0.196cm2)を用いた。
(電極例1) 触媒の分散液は24%のIPA溶液6.25mLに5mgの触媒を分散させたものと、25μLのパーフルオロカーボン材料(ナフィオン(登録商標)、5wt%)とを混合して作製した。次いで、10μLの触媒の分散液をグラッシーカーボンの表面に塗布し、乾燥した。以上の工程を経て、グラッシーカーボンに実施例1および比較例1の触媒が担持された電極を其々作製した。
(実施例3)
カソード触媒として実施例1の触媒:ナフィオン(登録商標、5wt%):IPA=20:15:2(Pt:0.26mg/cm2)を、アノード触媒として比較例1の触媒:ナフィオン:PTFE(Polytetrafluoroethylene)=60:25:15(Pt:0.3mg/cm2)を、電解質膜としてナフィオン(NR−212)膜を用いてMEAを以下の手順により作製した。
カソード触媒として実施例1の触媒:ナフィオンアイオノマー=20:1質量比(Pt:0.36mg/cm2)を、アノード触媒として比較例1のPt/Cからなる触媒:ナフィオンアイオノマー=2:1質量比(Pt:0.18mg/cm2)を、電解質膜としてナフィオン(NR−212)膜を用いてMEAを以下の手順により作製した。
2 ガス拡散電極用触媒層
3 ネットワーク状金属触媒
4 イオン伝導体
5 高分子電解質膜
6 セル
7 外部回路
10 アノードユニット
11 アノード触媒層
12、22 ガス拡散層
13、23 セパレータ
14、24 ガス流路
20 カソードユニット
21 カソード触媒層
30 カプセル状触媒
31 網目状骨格
32 中空構造
33 空隙
34 プレ鋳型粒子
35 鋳型粒子
36 付着型の触媒粒子
40 ロッド状触媒
41 網目状骨格
43 空隙
Claims (11)
- 焼結体よりなり、ナノ粒子が連結して電子伝導性を有するネットワーク状金属触媒と、
前記ネットワーク状金属触媒と少なくとも一部が接触するイオン伝導体とを具備し、前記ネットワーク状金属触媒は、カーボン担体フリーであるガス拡散電極用触媒層。 - 前記ネットワーク状金属触媒が、カプセル状触媒、ロッド状触媒およびシート状触媒の少なくともいずれかである請求項1に記載のガス拡散電極用触媒層。
- 前記イオン伝導体は、カチオン伝導体又はアニオン伝導体である請求項1又は2に記載のガス拡散電極用触媒層。
- 厚みが10μm以下、より好ましくは2μm以下、さらに好ましくは0.5μm以下である請求項1〜3のいずれか1項に記載のガス拡散電極用触媒層。
- アノード触媒層とカソード触媒層との間に固体高分子電解質膜が配置された膜電極接合体であって、
前記アノード触媒層および前記カソード触媒層の少なくとも一方に、請求項1〜4のいずれか1項に記載のガス拡散電極用触媒層を用いる膜電極接合体。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載のガス拡散電極用触媒層を具備する燃料電池。
- 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟持するアノードユニットおよびカソードユニットを備え、
前記ガス拡散電極用触媒層を、前記アノードユニットおよび前記カソードユニットの少なくともいずれかの前記高分子電解質膜と接する位置に配置する請求項6に記載の燃料電池。 - 所望の形状を有し、第1の極性を有する鋳型を形成する工程(a)と、
前記鋳型表面に、前記第1の極性とは反対の第2の極性を有し、触媒ナノ粒子を含有する金属系ナノ粒子を吸着、若しくはその場で成長させる工程(b)と、
工程(b)後に、焼結処理によりネットワーク状金属触媒を得る工程(c)と、
イオン伝導体を、前記ネットワーク状金属触媒と接触部位を有するように触媒層内に組み込む工程(d)とを具備し、
工程(d)の前記イオン伝導体は、下記(i)〜(iii)の少なくともいずれかであり、前記ネットワーク状金属触媒は、カーボン担体フリーであるガス拡散電極用触媒層の製造方法。
(i)工程(a)によって組み込まれた前記鋳型に含まれている成分である。
(ii)工程(c)の後に、前記鋳型に含まれている成分を前駆体として、変換することにより得られるものである。
(iii)工程(c)の後に、新たに加えることにより導入するものである。 - 前記ネットワーク状金属触媒は、カプセル状、ロッド状およびシート状の少なくともいずれかであり、
前記ネットワーク状金属触媒の内部、若しくは外部に、前記イオン伝導体が設けられている請求項8に記載のガス拡散電極用触媒層の製造方法。 - 前記焼結処理は、超臨界処理、若しくは亜臨界処理である請求項8又は9に記載のガス拡散電極用触媒層の製造方法。
- 前記鋳型は、プレ鋳型粒子の表面を修飾して、表面が前記第1の極性を有する鋳型粒子からなる請求項8〜10のいずれか1項に記載のガス拡散電極用触媒層の製造方法。
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