JP6412485B2 - 燃料電池用電極材料、およびその製造方法 - Google Patents
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Description
次に、図3に示す燃料電池用電極材料21および31について説明する。従来から、燃料電池用電極の触媒作用について、遷移金属、貴金属に関連付けられた研究・開発が行われている。特に、本発明では、白金族元素以外の異なる遷移金属またはそれらと他の金属の組み合わせで、高活性の触媒作用を有する燃料電池用電極材料を提供することを目的とする。
本実施形態の燃料電池用電極材料21および31の実施例では、例えば、以下の異なる複数の遷移金属を含有する成形体が用いられる。
(燃料極) H2→2H++2e− ・・・(式1)
すなわち、燃料電池用電極材料21における空隙の表面において、水素分子が吸着されて水素原子間の結合が弱められ、電子を放出して水素イオンとなる反応を促進させる触媒作用を働かせている。
(空気極) 1/2・O2+2H++2e−→H2O ・・・(式2)
例えば、以下に説明するような製造条件によりいくつかの異なる成形体を製造した例を示す。ここで、図4に、試作した成形体の外観を示す。また、図6は、試作した成形体(燃料電池用電極材料21および31)の概要を示す一覧表である。
試作No11、No12の金属材料は、48Fe−48Ni−4Cuである。すなわち、その金属材料は、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)の金属を、質量比で略48:48:4の組成比として含むものである。また、試作No13、No14の金属材料は、Fe−48Ni−4Cuである。すなわち、その金属材料は、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)の金属を、質量比で略1:48:4の組成比として含むものである。
好ましくは、成形体製造のために混合される粉体は、球状または針状、もしくは、少なくとも一の種類の金属材料が球状および他の種類の金属材料が針状に加工されている。
各遷移金属または金属の粉体を混合機などで均一に分散するように混合し、混合した粉体を成形するための型に入れて、所定の圧力で加圧する。加圧時の圧力は、5〜8(t/cm2)程度、換言すれば、およそ500〜800(Mpa)程度である。
次に、混合された粉体を型枠に入れて加圧成形後に、成形体を焼結する。例えば、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)の組成比が質量比で略1:48:4である金属を含む成形体(Fe−48Ni−4Cu)、および、質量比で略48:48:4である金属を含む成形体(48Fe−48Ni−4Cu)を焼結する際の焼結条件は、以下のとおりである。
目安として、焼結温度が1100℃を下回ると、成形体に含まれるCuの融点1084℃を、特に、成形体の内部側ではほぼ下回る。この場合には、高い電気伝導率のCuが融解しないため、他の遷移金属の粉体に密に接合し難い。一方、焼結温度が1400℃を超えると、特に、成形体に多く含まれるNiの融点1455℃を超えた場合に、加圧成形された状態である程度の空隙が設けられているため、この温度加熱によってNiの融解が始まるため、形成された空隙が極端に変形し、また、気孔を塞ぐなどの問題が生じる。また、所望の空隙率を調整し難くなる。
設定された焼結温度にて、十分な加熱時間を設けて、圧力常圧(大気圧)程度で、成形体を焼結する。なお、焼結時間4〜6時間は、経験的なものに基づくデータである。また、焼結時には、金属が酸化しないように、雰囲気中には不活性ガスを用いている。
以下、本実施形態の燃料電池用電極材料21および31の製造方法の一例について説明する。
はじめに、第一の工程は、遷移金属またはそれらと他の金属ごとに、粉体として200μm以下に粉砕して加工する粉砕工程である。
好ましくは、粉砕工程には、粉体を球状または針状、もしくは、少なくとも一の種類の金属材料が球状および他の種類の金属材料が針状に加工する形状加工工程をさらに含む。
次に、第二の工程は、粉砕工程後に、異なる遷移金属を含む粉体を均一に分散するように混合する混合工程である。
(加圧工程)
次に、第三の工程は、混合工程後に、均一に分散された粉体を型枠に入れて、略500〜800Mpaの圧力で加圧して成形体を形成させる加圧工程である。
次に、第四の工程は、加圧工程後に、高温で成形体を焼結する焼結工程である。好ましくは、焼結工程の設定した焼結温度において、焼結時間4〜6時間程度である。
以下、試作燃料電池および実験比較燃料電池を比較した、燃料電池の起電力測定結果について説明する。ここで、図5において、比較測定に用いた試作燃料電池および実験比較燃料電池として、図5(a)には試作燃料電池を構成部品材料ごとに分解した状態を示し、図5(b)には実験比較燃料電池を構成部品材料ごとに分解した状態を示すものである。
試作No11、No12の金属材料は、48Fe−48Ni−4Cuであり、試作No13、No14の金属材料は、Fe−48Ni−4Cuである。ここで、48Fe−48Ni−4Cuの表記は、金属材料として含まれる、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)の組成比が質量比で48:48:4であり、Fe−48Ni−4Cuの表記は、質量比で1:48:4であることを示すものである。本材料は、各金属が入手容易であり、材料コスト的にも低コストである。
焼結後、図6に示すように、試作No11〜No14の各々について、成形体の平均外形、平均厚さを測定した。また、平均外形および平均厚さから成形体の体積を計算し、さらに試作Noごとの質量を測定して、測定した質量を計算した体積で割り算し、各々の密度を算出した。
図6に示す成形体の相対密度は、以下のように算出したものである。
公知の技術では、粒子の最密充填の粒子径を組み合わせれば(粒子間の隙間にさらに小さい粒子を埋めていき粒子を配合調整)、理論的な空隙率を4%程度までに充填できることが知られている。そこで、このような最密充填(粒子を96%充填)とされる金属プレートを100%相対密度として、成形体の相対密度を算出する。
Feの密度:7.874(g/cm3)、20℃
Niの密度:8.902(g/cm3)、25℃
Cuの密度:8.96(g/cm3)、20℃
・48Fe−48Ni−4Cuの密度ρ1では、
ρ1=8.379(g/cm3)×0.96=8.04(g/cm3)
・Fe−48Ni−4Cuの密度ρ2では、
ρ2=8.885(g/cm3)×0.96=8.53(g/cm3)
として算出する。以上の密度ρ1=8.04(g/cm3)、ρ2=8.53(g/cm3)を相対密度100%とする比較基準として用い、図6の相対密度を算出した。
前述した最密充填とされる金属プレートを100%相対密度とし、さらに、このときの相対的な空隙率を0%とする基準として用い、成形体の空隙率を(式3)のように定義する。
空隙率=100−相対密度(%) ・・・(式3)
(試作No11)相対密度69%、空隙率31%
(試作No12)相対密度79%、空隙率21%
(試作No13)相対密度75%、空隙率25%
(試作No14)相対密度82%、空隙率18%
・焼結温度 温度Hi=1100〜1300℃(中心温度1200℃程度)
温度Lo=1000〜1200℃(中心温度1100℃程度)
他例1)Ni,Fe,Cr,Mg: Mgを1〜3質量%を含む
他例2)Ni,Fe,Cr,Zn: Znを2〜3質量%を含む
他例3)Ni,Fe,Cr,Al: Alを5〜6質量%を含む
3d遷移金属と、以上のような金属の組み合せなども、燃料電池用電極材料として有望であることがわかった。
好ましくは、燃料電池用電極材料21および31には、この成形体の空隙間の一部に赤外線または紫外線で発光する発光物質を担持させ、当製品の偽造品が出た場合にその発光物質の有無をもって真贋判定ができる機能をもたせる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。また、例えば、この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、白金を用いる電極触媒を使用する際に、その白金使用量を少量とするために、本発明に係る燃料電池用電極材料を用いるなどである。この実施形態やその変形には、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
Claims (11)
- 空気極触媒層または燃料極触媒層として用いられる燃料電池用電極材料において、
Ru、Rh、Pd、Os、IrおよびPtの白金族元素を含有しない燃料電池用電極材料であって、
前記燃料電池用電極材料は、Feを主成分とする成形体であって、金属材料としてFeと3d遷移金属に属する複数の異なる遷移金属とを少なくとも含有する成形体からなり、
前記成形体は、前記金属材料の各々の粉体を含む混合物からなり、かつ、燃料電池に使用される燃料が前記成形体を透過可能なように前記成形体に分散した空隙を有し、
前記成形体における前記金属材料の組成比は、前記成形体の質量を100質量%とした場合に、Mgを1〜3質量%またはZnを2〜3質量%またはAlを5〜6質量%を少なくとも含み、100質量%から当該含まれる金属の質量%を差し引いた質量%を総計とするFe、NiおよびCrを含むことを特徴とする燃料電池用電極材料。 - 空気極触媒層または燃料極触媒層として用いられる燃料電池用電極材料において、
Ru、Rh、Pd、Os、IrおよびPtの白金族元素を含有しない燃料電池用電極材料であって、
前記燃料電池用電極材料は、Feを主成分とする成形体であって、金属材料としてFeと3d遷移金属に属する複数の異なる遷移金属とを少なくとも含有する成形体からなり、
前記成形体は、前記金属材料の各々の粉体を含む混合物からなり、かつ、燃料電池に使用される燃料が前記成形体を透過可能なように前記成形体に分散した空隙を有し、
前記成形体の空隙率は、前記成形体の容積に対し、20%ないし40%の範囲であることを特徴とする燃料電池用電極材料。 - 空気極触媒層または燃料極触媒層として用いられる燃料電池用電極材料において、
Ru、Rh、Pd、Os、IrおよびPtの白金族元素を含有しない燃料電池用電極材料であって、
前記燃料電池用電極材料は、Feを主成分とする成形体であって、金属材料としてFeと3d遷移金属に属する複数の異なる遷移金属とを少なくとも含有する成形体からなり、
前記成形体は、前記金属材料の各々の粉体を含む混合物からなり、かつ、燃料電池に使用される燃料が前記成形体を透過可能なように前記成形体に分散した空隙を有し、
前記成形体に、赤外線または紫外線で発光する発光物質を担持させたことを特徴とする燃料電池用電極材料。 - 前記複数の異なる遷移金属は、Ni、Mn、CrまたはTiのいずれかを少なくとも含み、
さらに、前記成形体には、当該含まれる遷移金属以外の前記金属材料として、当該含まれる遷移金属よりも高い電気伝導率であるCu、Zn、AlまたはMgのいずれかを含む
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の燃料電池用電極材料。 - 前記複数の異なる遷移金属は、Ni、または、Cuを少なくとも含む
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の燃料電池用電極材料。 - 前記成形体における前記金属材料の組成比は、前記成形体の質量を100質量%とした場合に、Mgを1〜3質量%またはZnを2〜3質量%またはAlを5〜6質量%を少なくとも含み、100質量%から当該含まれる金属の質量%を差し引いた質量%を総計とするFe、NiおよびCrを含む
ことを特徴とする請求項2〜5のいずれか一項に記載の燃料電池用電極材料。 - 前記成形体の空隙率は、前記成形体の容積に対し、20%ないし40%の範囲である
ことを特徴とする請求項1,3〜6のいずれか一項に記載の燃料電池用電極材料。 - 前記粉体は、球状または針状、もしくは、少なくとも一の種類の前記金属材料が球状および他の種類の前記金属材料が針状に加工された
ことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の燃料電池用電極材料。 - 前記成形体に、赤外線または紫外線で発光する発光物質を担持させた
ことを特徴とする請求項1,2,4〜8のいずれか一項に記載の燃料電池用電極材料。 - 請求項1ないし請求項8のいずれか一項に記載の前記燃料電池用電極材料を製造するための燃料電池用電極材料の製造方法であって、
前記成形体に用いる前記金属材料を粉体として200μm以下に粉砕して加工する粉砕工程と、
前記粉砕工程後に、前記粉体を均一に分散するように混合する混合工程と、
前記混合工程後に、均一に分散された前記粉体を500〜800Mpaの圧力で加圧して成形体を形成させる加圧工程と、
前記加圧工程後に、前記成形体を焼結する焼結工程と、を含み、
前記焼結工程において、焼結温度は、前記金属材料のうちの最も電気伝導率の高い金属の融点よりも高く、当該最も電気伝導率の高い金属以外の金属の融点よりも低い範囲にあることを特徴とする燃料電池用電極材料の製造方法。 - 請求項1ないし請求項8のいずれか一項に記載の前記燃料電池用電極材料を製造するための燃料電池用電極材料の製造方法であって、
前記成形体に用いる前記金属材料を粉体として200μm以下に粉砕して加工する粉砕工程と、
前記粉砕工程後に、前記粉体を均一に分散するように混合する混合工程と、
前記混合工程後に、均一に分散された前記粉体を500〜800Mpaの圧力で加圧して成形体を形成させる加圧工程と、
前記加圧工程後に、前記成形体を焼結する焼結工程と、を含み、
前記成形体に、赤外線または紫外線で発光する発光物質を担持させる発光物質担持工程をさらに含むことを特徴とする燃料電池用電極材料の製造方法。
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