JP6186959B2 - 触媒インキの製造方法、触媒インキ、触媒電極、燃料電池、および空気電池 - Google Patents
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Description
また、これら触媒は、空気電池用の触媒としても利用でき、電池性能の向上のためには同様の課題を解決する必要があった。
更に、本発明は、前記触媒インキを塗工して形成された触媒層の製造方法に関する。
更に、本発明は、前記触媒層を備えた燃料電池または空気電池の製造方法に関する。
そこで、まず本発明におけるヘテロ原子及び/又は遷移金属がドープされた炭素触媒(A)(以下、非白金系炭素触媒(A)と記す。)について説明する。
非白金系炭素触媒とは、炭素原子の集合体を主体とした多成分系からなり、それらの構成単位間に物理的・化学的な相互作用(結合)を有し、異種元素、たとえば窒素(N)、ホウ素(B)、リン(P)などのヘテロ原子や遷移金属が含まれる触媒材料で、従来公知のものを使用することが出来る。具体例としては、ヘテロ原子や遷移金属が含まれる原料を焼成して得られる非白金系炭素触媒や、ヘテロ原子や遷移金属が含まれる原料と炭素材料を混合した後に焼成して得られるヘテロ原子や遷移金属がドープされた非白金系炭素触媒などが挙げられる。
ヘテロ原子と遷移金属を含有することは、酸素還元活性を有するうえで重要な意味をなす。一般的に非白金系炭素触媒の場合、その触媒活性点として、触媒表面に遷移金属を中心に、例えば、4個の窒素(N)が平面上に並んだ構造(遷移金属−N4構造と呼ぶ)部分における遷移金属や、炭素材料表面のエッジ部に導入されたヘテロ原子近傍の炭素原子などが挙げられる。
このような非白金系炭素触媒は、従来公知の白金を担持させた炭素材料と同様に、酸素還元触媒能を有し、燃料電池用電極触媒として好適に使用することができる。非白金系炭素触媒は、カソード、アノードの両方に使用することができるが、カソードとして通常用いられることが多い。
本発明における非白金系炭素触媒として、窒素やホウ素等のヘテロ原子や、遷移金属が含まれる原料としては、ヘテロ原子及び/又は遷移金属を含有する材料であれば使用可能であり、有機化合物(色素、ポリマーなど)、無機化合物(金属単体、金属酸化物、金属塩など)を問わないものである。ヘテロ原子及び/又は遷移金属を含有する有機ポリマーとしては、フェノール系ポリマー、ポリイミド系ポリマー、ポリアミド系ポリマー、ポリアミドイミド系ポリマー、ポリアクリロニトリル系ポリマー、ポリアニリン系ポリマー、フェノールホルムアルデヒド樹脂系ポリマー、ポリイミダゾール系ポリマー、ポリピロール系ポリマー、ポリベンゾイミダゾール系ポリマー、メラミン系ポリマー、ピッチ、褐炭、ポリカルボジイミド、石炭、バイオマス、タンパク質、フミン酸等やそれらの誘導体などが挙げられる。遷移金属としては、コバルト、鉄、ニッケル、マンガン、銅、チタン、バナジウム、クロム、亜鉛、スズ、アルミニウム、マグネシウムから選ばれる一種以上を含有することが好ましい。
その中でも、遷移金属元素を分子中に含有することが可能な、窒素を含有した芳香族化合物は、炭素触媒中に効率的に窒素元素と遷移金属元素を導入しやすいため好ましい。具体的には、フタロシアニン系化合物、ナフタロシアニン系化合物、ポルフィリン系化合物、テトラアザアヌレン系化合物等が挙げられる。上記芳香族化合物は、電子吸引性官能基や電子供与性官能基を導入されたものであってもよい。特に、フタロシアニン系化合物は、様々な遷移金属元素を含んだ化合物が入手可能であり、コスト的にも安価であるため、原料としては特に好ましい。中でも、コバルトフタロシアニン系化合物、ニッケルフタロシアニン系化合物、鉄フタロシアニン系化合物は、高い酸素還元活性も有することで知られていることから、これらを原料に使用した場合、安価で高い酸素還元活性を有する炭素触媒を得ることができるためより好ましい。
本発明における非白金系炭素触媒の焼成前駆体として用いられる炭素材料としては、例えば、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック及びミディアムサーマルカーボンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、グラフェンナノプレートレット、ナノポーラスカーボン及び炭素繊維等が挙げられる。炭素粒子は、種類やメーカーによって、粒子径、形状、BET比表面積、細孔容積、細孔径、嵩密度、DBP吸油量、表面酸塩基度、表面親水度、導電性などの様々な物性や、コストが異なるため、使用する用途や要求性能に合わせて最適な材料を選択することができる。
ケッチェンブラックEC−300J、及びEC−600JD等のアクゾ社製ケッチェンブラック;
トーカブラック#4300、#4400、#4500、及び#5500等の東海カーボン社製ファーネスブラック;
プリンテックスL等のデグサ社製ファーネスブラック;
Raven7000、5750、5250、5000ULTRAIII、5000ULT
RA、Conductex SC ULTRA、975 ULTRA、PUER BLACK100、115、及び205等のコロンビヤン社製ファーネスブラック;
#2350、#2400B、#2600B、#30050B、#3030B、#3230B、#3350B、#3400B、及び#5400B等の三菱化学社製ファーネスブラック;
MONARCH1400、1300、900、VulcanXC−72R、及びBlackPearls2000等のキャボット社製ファーネスブラック;
Ensaco250G、Ensaco260G、Ensaco350G、及びSuperP−Li等のTIMCAL社製ファーネスブラック;
デンカブラック、デンカブラックHS−100、FX−35等の電気化学工業社製アセチレンブラック;
VGCF、VGCF−H、VGCF−X等の昭和電工社製カーボンナノチューブ;
名城ナノカーボン社製カーボンナノチューブ;
xGnP−C−750、xGnP−M−5等のXGSciences社製グラフェンナノプレートレット;
Easy−N社製ナノポーラスカーボン;
カイノール炭素繊維、カイノール活性炭繊維などの群栄化学工業社製炭素繊維;
等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
窒素がドープされた炭素系触媒材料を製造するには、まず、窒素源としての、フタロシアニン、アクリロニトリル、EDTA(エチレンジアミン四酢酸)、メラミンなどの含窒素化合物と、フラン樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂の前駆体とを混合し、加熱反応させて、窒素化合物含有熱硬化性樹脂を得る。
ホウ素がドープされた炭素系触媒材料を製造するには、まず、ホウ素源としての、BF3メタノール錯体又はBF3テトラヒドロフラン(THF)錯体等の含ホウ素化合物と、フラン樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂の前駆体とを混合し、加熱反応させて、ホウ素化合物含有熱硬化性樹脂を得る。
窒素及びホウ素がドープされた炭素系触媒材料を製造するには、まず、含ホウ素化合物および含窒素化合物と、フラン樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂の前駆体とを混合した後、加熱反応させて、ホウ素−窒素化合物含有熱硬化性樹脂を得る。
窒素及びホウ素がドープされた炭素系触媒材料を製造する別の方法としては、次の亜臨界法がある。この方法では、まず、フルフリルアルコール又はレゾール型フェノール樹脂の溶液に、含窒素化合物と、ホウ素源としてのBF3メタノール錯体又はBF3テトラヒドロフラン(THF)錯体等の含ホウ素化合物とを溶解して、重合反応を行う。
本発明製造方法では、あらかじめ分散剤(B)で分散することで非白金系炭素触媒の凝集を緩和し、インキ中に触媒を均一に分散することができ、その結果、塗工後の触媒層においても膜中に触媒を均一に分布させることが可能となる。
上記分散剤の中でも、水溶性を示す高分子系の樹脂が好ましく、例えば、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアリルアミン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、アルキッド樹脂、ホルムアルデヒド樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂、カルボキシメチルセルロース等の多糖類の樹脂を含む高分子化合物が挙げられ、特に、エチレン性不飽和単量体を重合または共重合した水溶性の樹脂が好ましい。また、水溶性であれば、これらの樹脂の変性物、混合物、又は共重合体でも良い。これら分散剤は、1種または複数を組み合わせて使用することも出来る。
市販のカチオン性分散剤としては、特に限定されないが、例えば、以下のものが挙げられる。
市販のアニオン性分散剤としては、特に限定されないが、例えば、以下のものが挙げられる。これらは単独で用いても、併用してもかまわない。
本発明の分散剤(B)の分子量は特に限定されないが、好ましくは高分子であり、重量平均分子量は1,000〜2,000,000が好ましく、さらに好ましくは3,000〜1,000,000である。界面活性剤等の分子量が小さい分散剤も使用できるが、触媒粒子に対する吸着率が低いため触媒インキの粘度上昇を引き起こしてしまう場合がある。分子量が大きすぎると、粘度上昇を引き起こしてしまう場合がある。重量平均分子量(Mw)とは、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)におけるポリスチレン換算分子量を示す。
本発明の分散剤(B)は、分子全体における酸性官能基を有する単量体の構成比率を酸価で表すと0mgKOH/g以上750mgKOH/g以下の範囲であることが好ましく、更には0mgKOH/g以上500mgKOH/g以下の範囲であることが好ましい。
本発明に使用する水性液状媒体(C)としては、水を使用することが好ましいが、必要に応じて、例えば、電極基材もしくは転写基材への塗工性向上のために、水と相溶する液状媒体を使用しても良い。
水と相溶する液状媒体としては、アルコール類、グリコール類、セロソルブ類、アミノアルコール類、アミン類、ケトン類、カルボン酸アミド類、リン酸アミド類、スルホキシド類、カルボン酸エステル類、リン酸エステル類、エーテル類、ニトリル類等が挙げられ、水と相溶する範囲で使用しても良い。特に、プロトン伝導性ポリマーとの相溶性及び触媒インキ組成物とした場合の乾燥効率の問題から、アルコール類が好適に使用できる。アルコール類としては、例えば、沸点80〜200℃程度の1価のアルコールないし多価アルコールが利用でき、好ましくは炭素数が4以下のアルコール系溶剤が挙げられる。具体的には、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、t−ブタノール等が挙げられる。これらの1価のアルコールの中でも、2−プロパノール、1−ブタノール及びt−ブタノールが好ましい。多価アルコールとしては具体的には、プロピレングリコール、エチレングリコール等が好ましく、中でもプロピレングリコールが特に好ましい。
本発明の触媒インキの製造方法は、あらかじめ非白金系炭素触媒(A)を分散剤(B)と水性液状媒体(C)とを用いて分散させた分散体を作製すれば良く、例えば下記の方法が挙げられる。
(1)非白金系炭素触媒(A)と分散剤(B)と水性液状媒体(C)とを同時に分散機に投入して分散した分散体を作製する方法。
(2)非白金系炭素触媒(A)と分散剤(B)とを分散機に投入して分散した後、水性液状媒体(C)を混合して分散体を作製する方法。
(3)非白金系炭素触媒(A)と水性液状媒体(C)とを分散機に投入して分散した後、分散剤(B)を混合して分散体を作製する方法。
(4)分散剤(B)と水性液状媒体(C)とを混合した後、混合液と非白金系炭素触媒(A)とを分散機に投入して分散して分散体を作製する方法。
上記の方法で得られた分散体に、バインダー(D)や、必要に応じて上記以外の他の任意成分を混合したり、さらに水性液状媒体(C)を加えて希釈することにより触媒インキが得られる。
本発明の触媒インキを得る際に用いられる装置としては、顔料分散等に通常用いられている分散機、混合機が使用できる。
バインダー(D)は、非白金系炭素触媒などの粒子を結着させるために使用されるものである。
バインダーの具体例としては、例えば、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、アルキッド樹脂、ホルムアルデヒド樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂、カルボキシメチルセルロース等のセルロース樹脂、スチレン−ブタジエンゴムやフッ素ゴム等の合成ゴム、ポリアニリンやポリアセチレン等の導電性樹脂等、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、及びテトラフルオロエチレン等のフッ素原子を含む高分子化合物が挙げられる。又、これらの樹脂の変性物、混合物、又は共重合体でも良く、水溶性の樹脂であっても、水分散型の樹脂であっても良い。これらバインダーは、1種または複数を組み合わせて使用することも出来る。
バインダー(D)としては、プロトン伝導性ポリマー、撥水性材料等を使用することもできる。
プロトン伝導性ポリマーとしては、パーフルオロスルホン酸系等のフッ素系イオン交換樹脂、スルホン酸基などの強酸性官能基を導入したオレフィン系樹脂、ポリイミド系樹脂等が挙げられる。例えば電気陰性度の高いフッ素原子を導入する事で化学的に非常に安定し、スルホン酸基の乖離度が高く、高いイオン導電性が実現できる。このようなプロトン伝導性ポリマーの具体例としては、デュポン社製の「Nafion」等が挙げられる。通常、プロトン伝導性ポリマーは、ポリマーを5〜30重量%程度含むアルコール水溶液として使用される。アルコールとしては、例えば、メタノール、プロパノール、エタノールジエチルエーテル等が使用される。
撥水性材料としては、カソード側の触媒層において酸素と水素イオンが反応して生じる水、この余剰水の排水性がよく、ガス拡散性を妨げないものであればよい。撥水性材料の表面張力としては水の表面張力(約72dyn/cm)より低いものが良く、例えば、フッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレンが使用できるが、中でもフッ素系樹脂が好ましく、エマルションなどの水分散体の形態をとるものが好ましい。フッ素系樹脂としてはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などが挙げられる。
本発明における触媒インキには、導電性を向上させる目的で、必要に応じて導電助剤を添加することも可能である。導電助剤は、導電性を有する材料であれば特に限定されるものではないが、炭素系の導電助剤が好ましい。そのような例としては、グラファイト、カーボンブラック、導電性炭素繊維(カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンファイバー)、フラーレン等を単独で、もしくは2種類以上併せて使用することができる。導電性、入手の容易さ、およびコスト面から、カーボンブラックの使用が好ましい。
触媒層は、前述の触媒インキを電極基材(カーボンペーパなど)に直接塗布して乾燥することにより形成しても良く、また触媒インキをテフロン(登録商標)シート等の剥離可能な転写基材に塗布乾燥することにより形成した後、固体高分子電解質膜に転写してもよい。
本発明の触媒層は燃料電池のカソードに好適に使用できる。
燃料電池は、電極膜接合体を備え、電極膜接合体を挟むように、対向配置されたセパレータと集電板より構成される。
電極膜接合体とは、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜の片面もしくは両面に、燃料電池用触媒層(カソード及びアノード)が密着して形成され、さらに、その片面もしくは両面に、集電体が密着して具備したものである。
アノード側の燃料電池用触媒層に用いられる触媒材料としては、公知もしくは市販のものを使用することができる。例えば、触媒粒子が、触媒担持体としての炭素粒子、酸化物粒子、あるいは窒化物粒子上に担持してなるものが挙げられる。
触媒担持体としては、例えば、炭素粒子、酸化物粒子、窒化物粒子が挙げられる。
炭素粒子としては、上述の炭素系触媒材料の主構成成分に使用される炭素材料の説明で例示したものと同様のものが挙げられる。
酸化物粒子としては、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化チタン、シリカ、アルミナ等が挙げられる。
窒化物粒子としては、例えば、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ニオブ、窒化タンタル、窒化クロム、窒化バナジウム等が挙げられる。
TEC10E50E、TEC10E70TPM、TEC10V30E、TEC10V50E等の白金担持炭素粒子;
TEC66E50、TEC62E58等の白金−ルテニウム合金担持炭素粒子;
をいずれも田中貴金属工業社より購入することができるが、これらに限定されるものではない。
固体高分子電解質膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂等が挙げられる。電気陰性度の高いフッ素原子を導入する事で化学的に非常に安定し、スルホン酸基の乖離度が高く、高いイオン導電性が実現できる。具体例としてはデュポン社製の「Nafion」、旭硝子社製の「Flemion」、旭化成社製の「Aciplex」、ゴア(Gore)社製の「Gore Select」等が挙げられる。電解質膜の膜厚は、通常20μm〜250μm程度、好ましくは10μm〜80μm程度である。
電極基材は、アノード又はカソードを構成する公知の電極基材を使用できる。電極基材はガス拡散層あるいはGDLとも呼ばれ、カソード側では空気中の酸素を取り入れ、アノード側では水素を取り込めるように気体が通過および拡散できるような多孔質または繊維状のものであることが好ましい。更に電子の出し入れが必要なため導電性を有する材料を用いらなければならない。電極基材は導電性を有する材料であれば良いが、好ましくは炭素繊維からなるカーボンペーパなどがよい。具体例としては東レ社製の「TGP−H−090」等が挙げられる。
転写基材は、触媒インキを塗布することで燃料電池用触媒層を形成し、転写基材上にある触媒層をナフィオンなどの固体高分子電解質膜に転写するためのフィルム基材である。転写基材としては、安価で入手が容易な高分子フィルムが好ましく、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート等がより好ましい。具体例としてはテフロン(登録商標)シート等が挙げられる。転写基材の厚さは、取り扱い性及び経済性の観点から、通常6μm〜100μm程度、好ましくは10μm〜50μm程度、より好ましくは15μm〜30μm程度とするのがよい。
電極膜接合体は、触媒層の電極基材と接触する側に微多孔質の層を含んでいてもよい。この層は、触媒層の一部として取り扱われたり、あるいは撥水層やMPL(micro porous layer、マイクロポーラスレイヤー)とも呼ばれ、触媒層へのガス供給の均一化や、導電性の向上に加え、カソード側で発電時に発生する水の排水性を向上させる等の役割を持つ。撥水層あるいはMPLは、例えば、炭素材料もしくは非白金系炭素触媒と、撥水性材料を含む組成物をカーボンペーパ基材上に塗工後、300℃程度で焼成することにより形成でき、本発明の触媒インキも好適に使用することができる。
セパレータは、燃料ガス(水素)や酸化剤ガス(酸素)等の反応ガスの供給、排出を行う。そして、アノード及びカソードの触媒粒子にガス拡散基材(集電体)を通じてそれぞれ均一に反応ガスが供給されると、両電極に備えられた触媒粒子とプロトン伝導性ポリマーとの境界において、気相(反応ガス)、液相(プロトン伝導性ポリマー)、固相(両電極が持つ触媒粒子の三相界面が形成される。そして、電気化学反応を生じさせることで直流電流が発生する。
カソード側:O2+4H++4e−→2H2O
アノード側:H2→2H++2e−
の反応が起こり、アノード側で生成されたH+(プロトン)は固体高分子電解質膜中をカソード側に向かって移動し、e−(電子)は外部の負荷を通ってカソード側に移動する。
本発明の触媒層は空気電池のカソードに好適に使用出来る。
空気電池は、上記触媒層を有するカソード電極、負極活物質を有するアノード電極、前記カソード電極と前記アノード電極の間で金属イオンの伝導を行う電解質層、およびセパレータより構成されている。
空気電池用アノード電極は、負極活物質を有する負極層を有しており、必要に応じて負極集電体を使用してもよい。上記負極層と接触するように電解質層が配置されている。負極活物質は、通常、伝導するイオンとなる金属元素を有している。上記金属元素としては、例えば、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、亜鉛(Zn)、鉄(Fe)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、マンガン(Mn)、ケイ素(Si)、チタン(Ti)、クロム(Cr)及びバナジウム(V)などを挙げることができる。中でも、エネルギー密度が高い電池を得ることができるため、Liであることが好ましい。また、金属単体だけでなく、合金や金属酸化物、金属窒化物なども挙げることができるが、これらに限定されるものではなく、空気電池に適用される従来公知のものを適用することができる。
電解質層は、上記の空気電池用カソード電極と上記の空気電池用アノード電極の間で金属イオンの伝導を行うものである。金属イオンの種類は、上述した負極活物質の種類によって異なり、その形態も金属イオン伝導性が有するものであれば特に限定されるものではない。例えば、水溶液や非水溶液を適用することもできるし、それらをポリマーマトリクスで保持したゲル状高分子電解質や、ポリマー電解質及び無機固体電解質を使用してもよい。また、固体電解質やセパレータを使用して、カソード側、アノード側で異なる電解液を使用してもよい。
電解質としては、LiBF4、LiClO4、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、LiC4F9SO3、Li(CF3SO2)3C、LiI、LiBr、LiCl、LiAlCl、LiHF2、LiSCN、又はLiBPh4等が挙げられるがこれらに限定されない。
エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、及びジエチルカーボネート等のカーボネート類;
γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、及びγ−オクタノイックラクトン等のラクトン類;
テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、1,2−メトキシエタン、1,2−エトキシエタン、及び
1,2−ジブトキシエタン等のグライム類;
メチルフォルメート、メチルアセテート、及びメチルプロピオネート等のエステル類;
ジメチルスルホキシド、及びスルホラン等のスルホキシド類;並びに、
アセトニトリル等のニトリル類等が挙げられる。又これらの溶剤は、それぞれ単独で使用しても良いが、2種以上を混合して使用しても良い。
セパレータとしては、例えば、ポリエチレン不織布、ポリプロピレン不織布、ポリアミド不織布及びそれらに親水性処理を施したものが挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。
コバルトフタロシアニン(東京化成社製)とケッチェンブラック(ライオン社製EC−600JD)を、重量比1:1で秤量し、乳鉢にて混合して前駆体とした。上記前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間熱処理を行い、得られた炭化物を乳鉢にて粉砕し非白金系炭素触媒(A−1)を得た。
非白金系炭素触媒(A−1)は、CHN元素分析より、モル比N(窒素)/C(炭素)は0.06であり、ICP発光分光分析とCHN元素分析より、モル比Co(コバルト)/C(炭素)は0.012であり、BET比表面積は398m2/g、タップ密度は0.08g/cm3であった。
鉄フタロシアニン(山陽色素社製)とケッチェンブラック(ライオン社製EC−600JD)を、重量比1:1で秤量し、乳鉢にて乾式混合を行い前駆体とした。上記前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、700℃で2時間熱処理を行い、得られた炭化物を乳鉢にて粉砕し非白金系炭素触媒(A−2)を得た。
非白金系炭素触媒(A−2)は、CHN元素分析より、モル比N(窒素)/C(炭素)は0.13であり、ICP発光分光分析とCHN元素分析より、モル比Fe(鉄)/C(炭素)は0.013であり、BET比表面積は295m2/g、タップ密度は0.08g/cm3であった。
フェノール樹脂(群栄化学社製PSM−4326)と鉄フタロシアニン(山陽色素社製)を重量比3.3/1で秤量し、アセトン中で湿式混合した。上記混合物を減圧留去した後、乳鉢で粉砕し、前駆体とした。上記前駆体粉末をアルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、600℃で2時間熱処理を行い、炭素焼結体(1)を得た。上記炭素焼結体(1)を濃塩酸中でリスラリーし、静置させ、炭素燒結体沈殿後、上澄み液を除去した。上記操作を上澄みの着色がなくなるまで、繰り返し行い、ろ過、水洗、乾燥した後、乳鉢で粉砕し、アルミナ製るつぼに充填、電気炉にてアンモニア雰囲気下、800℃で1時間熱処理し、炭素焼結体(2)を得た。上記炭素焼結体(2)を濃塩酸中でリスラリーし、静置させ、炭素焼結体沈殿後、上澄み液を除去した。上記操作を上澄みの着色がなくなるまで、繰り返し行った後、ろ過、水洗、乾燥し、乳鉢で粉砕し、非白金系炭素触媒(A−3)を得た。
非白金系炭素触媒(A−3)は、CHN元素分析より、モル比N(窒素)/C(炭素)は0.02であり、ICP発光分光分析とCHN元素分析より、モル比Fe(鉄)/C(炭素)は0.002であり、BET比表面積は440m2/g、タップ密度は0.13g/cm3であった。
ポリビニルピリジン(アルドリッチ社製)をジメチルホルムアミドに溶解させ、ポリビニルピリジンに対して重量比2/1の塩化鉄六水和物を加え、室温で24時間攪拌し、ポリビニルピリジン鉄錯体を得た。上記ポリビニルピリジンとケッチェンブラック(ライオン社製EC−600JD)を、重量比1:1で秤量し、乳鉢にて乾式混合を行い前駆体とした。上記前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間熱処理を行い、得られた炭化物を乳鉢にて粉砕し非白金系炭素触媒(A−4)を得た。
非白金系炭素触媒(A−4)は、CHN元素分析より、モル比N(窒素)/C(炭素)は0.25であり、ICP発光分光分析とCHN元素分析より、モル比Fe(鉄)/C(炭素)は0.01であり、BET比表面積は200m2/g、タップ密度は0.08g/cm3であった。
・窒素元素の検出;CHN元素分析(パーキンエルマー社製 2400型CHN元素分析装置)
・遷移金属元素の検出;ICP発光分光分析(SPECTRO社製 SPECTRO
ARCOS FHS12)
・粒子形状の観察;SEM走査型電子顕微鏡(日立製作所社製 SEM S−4300)
・平均粒子径の測定;粒度分布計(Malvern Instruments社製 マスターサイザー2000)にて求めたd−50の値である。具体的な測定方法は、非白金系炭素触媒の粉末を測定セル内へ投入し、信号レベルが最適値を示したところで測定した。
・BET比表面積の測定;ガス吸着量測定(日本ベル社製 BELSORP−mini)
・タップ密度の測定;(ホソカワミクロン社製 USPタップ密度測定装置)
・B−1:ポリ−N−ビニルアセトアミド(PNVA GE191、昭和電工社製、重量平均分子量約1〜3万)
・B−2:ポリビニルピロリドン(ビニルアミド系樹脂、K−30、ISPジャパン社製、重量平均分子量約4〜8万)
[B−3の調製]
ガス導入管、温度計、コンデンサー、攪拌機を備えた反応容器に、n−ブチルメタクリレート100部とベンジルメタクリレート100部を仕込み、窒素ガスで置換した。反応容器内を80℃に加熱して、3−メルカプト−1,2−プロパンジオール12部に、2,2’−アゾビスイソブチロニトリル0.1部を溶解した溶液を添加して、10時間反応した。固形分測定により95%が反応したことを確認した。ピロメリット酸無水物19部、N−メチル−2−ピロリドン231部、触媒として1,8−ジアザビシクロ−[5.4.0]−7−ウンデセン0.40部を追加し、120℃で7時間反応させた。酸価の測定で98%以上の酸無水物がハーフエステル化していることを確認し、反応を終了し、固形分50%のカルボキシル基を有するポリビニル系樹脂B−3溶液を得た。得られたポリビニル系樹脂(1)の重量平均分子量(Mw)は8,500、酸価は43mgKOH/gであった。
[B−4の調製]
ガス導入管、温度計、コンデンサー、攪拌機を備えた反応容器に、メチルメタクリレート180部とメタクリル酸20部を仕込み、窒素ガスで置換した。反応容器内を80℃に加熱して、3−メルカプト−1,2−プロパンジオール12部に、2,2’−アゾビスイソブチロニトリル0.1部を溶解した溶液を添加して、10時間反応した。固形分測定により95%が反応したことを確認した。ピロメリット酸無水物19部、N−メチル−2−ピロリドン231部、触媒として1,8−ジアザビシクロ−[5.4.0]−7−ウンデセン0.40部を追加し、120℃で7時間反応させた。酸価の測定で98%以上の酸無水物がハーフエステル化していることを確認し反応を終了し、固形分50%のカルボキシル基を有するポリビニル系樹脂B−4溶液を得た。得られたポリビニル系樹脂(2)の重量平均分子量(Mw)は8,600、酸価は93mgKOH/gであった。
・B−6:ヒドロキシエチルセルロース(和光純薬工業社製、酸価:0mgKOH/g)
・B−7:ポリアクリル酸(和光純薬工業社製、平均分子量:約5000、酸価:778mgKOH/g)
・B−8:ジョンクリル679(ジョンソンポリマー社製、酸価:200mgKOH/g)
・B−9:ポリアリルアミン(日東紡社製、PAA−HCL−3L、平均分子量:約15000)
・B−10:ラウリン酸ナトリウム(和光純薬工業社製、分子量230)
又、塩基性官能基を有する樹脂の「重合平均分子量(Mw)」は、装置としてHLC−8320GPC(東ソー株式会社製)を使用し、さらにカラムとして SUPER−AW3000を使用し、溶離液として30mMトリエチルアミン及び10mM LiBrのN,N−ジメチルホルムアミド溶液を用いて測定を行って得られたポリスチレン換算値である。
酸価は、JIS K 0070の電位差滴定法に準拠して測定した酸価(mgKOH/g)を固形分換算した値である。
[実施例1−1]
非白金系炭素触媒A−1を8重量部、分散剤B−1(ポリN−ビニルアセトアミド)を0.08重量部(固形分で、非白金系炭素触媒に対して1%の量)、水性液状媒体として水を45部、1−プロパノールを16.92重量部、を配合し、ディスパー(プライミクス社製、TKホモディスパー)を用いて非白金系炭素触媒の凝集物がなくなるまで十分攪拌して分散した後、ナフィオン(Nafion;デュポン社製、固形分20重量%の水及び1−プロパノール溶液)20重量部を添加し、さらにディスパー(プライミクス社製、TKホモディスパー)にて攪拌混合することで触媒インキを調製した。
非白金系炭素触媒、分散剤、および水性液状媒体の種類を、表1に変更した以外は、実施例1−1と同様にして触媒インキを調整した。
分散剤を使用しない以外は、実施例1−1と同様にして、触媒インキを調製した。
非白金系炭素触媒A−1を8重量部、分散剤B−1(ポリN−ビニルアセトアミド)を0.08重量部(固形分で、非白金系炭素触媒に対して1%の量)、水性液状媒体として水を45部、1−プロパノールを16.92重量部、ナフィオン(Nafion;デュポン社製、固形分20重量%の水及び1−プロパノール溶液)20重量部を添加し、ディスパー(プライミクス社製、TKホモディスパー)にて一括で攪拌混合することで触媒インキを調製した。
表1に記載の分散剤を用いて、比較例1−2と同様にして、触媒インキを調製した。
触媒インキの分散性は、グラインドゲージによる粒径評価と、粘度評価と、保存安定性、により行った。
(グラインドゲージによる粒径評価)
粒径は、グラインドゲージによる判定(JIS K5600−2−5に準ず)より求めた。表中の数字は粗大粒子の大きさを示し、数値が小さいほど分散性に優れ、均一な触媒インキであることを示している。
(粘度評価)
粘度は、E型粘度計(東機産業社製、「RE80型粘度計」)を使用し、50rpmの回転速度で、温度25℃において測定した。
(保存安定性評価)
触媒インキの保存安定性は、調製直後の粘度(初期粘度)と、40℃、5日保存後の粘度(経時粘度)をそれぞれ測定し、それらの粘度変化率(経時粘度/初期粘度)によって評価した。粘度は、いずれもE型粘度計(東機産業社製、「RE80型粘度計」)を使用し、50rpmの回転速度で、温度25℃において測定した。粘度変化率が小さいもの程、保存安定性が優れていることを示し、下記の基準で判定した。
○:粘度変化率が20%未満(良好)
△:粘度変化率が20%以上、50%未満(不良)
×:粘度変化率が50%以上(極めて不良)
[実施例2−1]
テフロン(登録商標)基材上へ、実施例1−1で得た触媒インキをドクターブレードにより、乾燥後の触媒層の目付け量が2mg/cm2になるように塗布し、100℃で乾燥することにより、本発明のカソード用触媒層を作製した。
表2に示す触媒インキを用いて、実施例2−1と同様にして、それぞれ、カソード用触媒層を作製した。
触媒層は、下記に示す塗工性評価によって評価した。テフロン(登録商標)フィルム上に形成された触媒層(1)を、ビデオマイクロスコープVHX−900(キーエンス社製)にて500倍で観察し、塗工ムラ(ムラ:触媒層の凝集状態による濃淡を評価)、およびピンホール(触媒層が塗布されていない欠陥の有無により評価)について、下記の基準で判定した。結果を表2に示す。
(ムラ)
○:触媒層の濃淡が確認されない(良好)。
△:触媒層の濃淡が2〜3箇所あるが極めて微小領域である(不良)。
×:触媒層の濃淡が多数確認される、または濃淡の縞の長さが5mm以上のもの1個以上(極めて不良)。
(ピンホ−ル)
○:ピンホールが1つも確認されない(良好)。
△:ピンホールが2〜3個あるが極めて微小である(不良)。
×:ピンホールが多数確認される、または直径1mm以上のピンホールが1個以上(極めて不良)。
電極基材(ガス拡散層GDL;炭素繊維からなるカーボンペーパ、TGP-H-090、東レ(株)製)へ表2に記載の触媒層を圧着させた後、触媒層の表面に粘着テープを貼り付けて引き剥がし、触媒層の脱落の程度を目視判定で判定した。評価基準を下記の通りであり、評価結果を表2に示す。
○:「剥離なし(実用上問題のないレベル)」
○△:「わずかに剥離(問題はあるが使用可能レベル)」
△:「半分程度剥離」
×:「ほとんどの部分で剥離」
ここでは、燃料電池用電極膜接合体の作製に使用するアノード用触媒層の作製方法について以下に述べる。
非白金系炭素触媒材料の代わりに、白金触媒担持カーボン4重量部(田中貴金属社製、白金量46%)、溶剤としてブタノール(キシダ化学社製)56重量部、および水20重量部、ナフィオン(Nafion;デュポン社製、固形分20重量%の水及び1−プロパノール溶液)20重量部を添加し、ディスパー(プライミクス製、T.Kホモディスパー)にて攪拌混合することで触媒インキ(固形分濃度8重量%)を作製した。得られた触媒インキを白金触媒担持カーボンの目付け量が0.46mg/cm2になるようにテフロン(登録商標)フィルム上に塗布し、大気雰囲気中100℃の条件で乾燥することにより、アノード用触媒層を作製した。
[実施例3−1]
実施例2−1で作製したカソード用触媒層と、上記のアノード用触媒層とを、それぞれ固体高分子電解質膜(Nafion212、デュポン社製、膜厚50μm)の両面に密着して、150℃、5Mpaの条件で狭持した後、テフロン(登録商標)フィルムを剥離した。次いで、更に両側から電極基材(ガス拡散層GDL、炭素繊維からなるカーボンペーパ、TGP−H−090、東レ(株)製)を密着させ、本発明の燃料電池用電極膜接合体(GDL/触媒層/固体高分子電解質膜/触媒層/GDL)を作製した。得られた燃料電池用電極膜接合体を4cm角の試料とし、その両側からガスケット2枚、次いでグラファイトプレートであるセパレータ2枚ではさみ、更に両側から集電板を2枚装着して燃料電池(単セル)を作製した。
表3に示す触媒層に変更した以外は、実施例3−1と同様にして、燃料電池用電極膜接合体及び燃料電池(単セル)を作製した。
得られた燃料電池(単セル)を用いて、Auto PEMシリース゛「PEFC評価システム」東陽テクニカ製により測定を行った。セル温度を80℃とし、カソード側から温度80℃、相対湿度100%で加湿した空気を流量300mL/minで供給し、アノード側からも同様に、温度80℃、相対湿度100%で加湿した水素ガスを流量300mL/min供給し、発電特性を測定した。結果を表3に示す。
[実施例2−14]
実施例1−1で得た触媒インキを、ドクターブレードにより、乾燥後の炭素系触媒材料の目付け量が2mg/cm2になるように電極基材(炭素繊維からなるカーボンペーパ、TGP−H−090、東レ社製)上に塗布し、大気雰囲気中100℃で乾燥して、本発明のカソード用触媒層を作製した。塗工ムラなく、またカーボンペーパからの液だれもなく良好なカソード用触媒層を形成できた。
表4に示すカソード用触媒層に変更した以外は、実施例2−14と同様にして、カソード用触媒層を作製した。
触媒層を下記に示す塗工性評価によって評価した。カーボンペーパー上に形成された触媒層を、ビデオマイクロスコープVHX−900(キーエンス社製)にて500倍で観察し、塗工ムラ(ムラ:触媒層の凝集状態による濃淡を評価)について、下記の基準で判定した。結果を表4に示す。
(ムラ)
○:触媒層の濃淡が確認されない(良好)。
△:触媒層の濃淡が2〜3箇所あるが極めて微小領域である(不良)。
×:触媒層の濃淡が多数確認される、または濃淡の縞の長さが5mm以上のもの1個以上(極めて不良)。
(カソード用触媒層の密着性評価)
得られた触媒層の表面に粘着テープを貼り付けて引き剥がし、触媒層の脱落の程度を目視判定で判定した。評価基準を下記の通りであり、評価結果を表4に示す。
○:「剥離なし(実用上問題のないレベル)」
○△:「わずかに剥離(問題はあるが使用可能レベル)」
△:「半分程度剥離」
×:「ほとんどの部分で剥離」
実施例2−14で作製したカソード用触媒層(カーボンペーパに触媒インキ組成物が固着)と上記アノード用触媒層を用いて、固体高分子電解質膜(Nafion212、デュポン社製、膜厚50μm)と接触するようにして150℃、5Mpaの条件で狭持した後、アノード側のテフロン(登録商標)フィルムを剥離し、更にアノード側から電極基材(炭素繊維からなるカーボンペーパ、TGP−H−090、東レ(株)製)すなわちガス拡散層GDLを密着し、本発明の燃料電池用電極膜接合体(GDL/触媒層/固体高分子電解質膜/触媒層/GDL)を作製した。その後、実施例3−1と同様にして燃料電池(単セル)を作製した。
表5に示す触媒層に変更した以外は、実施例3−14と同様にして燃料電池用電極膜接合体及び燃料電池(単セル)を作製した。
実施例3−1と同様にして電池特性を測定した。表5に評価結果を示す。
[実施例4−14]
Li箔上へ、非水系電解液(1M LiPF6、エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート=1/1、体積比)を含ませたセパレータ(多孔質ポリプロピレンフィルム)、固体電解質(オハラ社製、LiCGC Plate 1inch×150μmt)を配置し、アルミラミネートフィルムにて固定した。この際、固体電解質側のアルミラミネートフィルムを16mm角の大きさに切り抜き、固体電解質の露出面を作製し、空気電池用アノード電極を作製した。
空気電池用アノード電極の固体電解質上に、水性電解液として、1MのLiCl水溶液を含浸した不織布を、次いで、触媒層の表面が不織布と隣り合うように実施例2−13で作製したカソード用触媒層を配置し、アルミラミネートフィルムにより固定、熱圧着することで、空気電池用評価セルを得た。
表5に示す触媒層に変更した以外は、実施例4−14と同様にして、空気電池用評価セルを作製した。
得られた空気電池評価セルを用いて、2.0V−4.8Vのカット電圧、0.5mA/cm2の電流密度の条件で、3サイクルの慣らし運転を行った。その後、同条件にて、30サイクルの充放電テストを行うことで、容量保持率を求めた。評価基準を下記の通りであり、評価結果を表5に示す。
○△:「変化率が90%以上、95%未満。全く問題なし。」
△:「変化率が85%以上、90%未満。問題はあるが使用可能なレベル。」
×:「変化率が85%未満。実用上問題あり、使用不可。」
これら電池特性が向上した結果については、詳細は明らかにはなっていないが、実施例と比較例の結果により、あらかじめ非白金系炭素触媒(A)を分散剤(B)と水性液状媒体(C)とを用いて分散させることで、非白金系炭素触媒(A)の分散性が良好となることは明らかであり、それに起因した下記の要因によるものではないかと考えている。1点目は、非白金系炭素触媒(A)の分散性が良好であるために、触媒層中で非白金系炭素触媒(A)が緻密に詰まりやすく、粒子間の密着性が向上し、その結果、導電ネットワークが改善されたことである。2点目は、非白金系炭素触媒(A)の分散性が良好であるために、非白金系炭素触媒(A)の有効表面積が向上し、酸素ガスなどの気体との接触が改善されたことである。3点目は、燃料電池の良好な特性を得るためにはガス拡散性が重要であるが、非白金系炭素触媒(A)の分散性が良好であるために、触媒層内のガス拡散性が均一になり、その結果、触媒活性が向上したものと考えられる。
Claims (3)
- 触媒層を備えた電池に使用する触媒インキの製造方法であって、あらかじめ、ヘテロ原子及び/又は遷移金属がドープされた炭素触媒(A)を分散剤(B)と水性液状媒体(C)とを用いて分散させた分散体を作製する工程と、前記分散体にバインダー(D)を加える工程とを有する触媒インキの製造方法。
- 請求項1記載の触媒インキを塗工して形成された触媒層の製造方法。
- 請求項2記載の触媒層を備えた燃料電池または空気電池の製造方法。
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