JP6624711B2 - 燃料電池用アノード電極材料およびその製造方法、並びに燃料電池用電極、膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池 - Google Patents
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Description
アノ−ド反応:2H2 → 4H++4e- (反応1)
カソ−ド反応:O2+4H++4e-→2H2O (反応2)
全反応 :2H2+O2→2H2O
燃料電池用電極(特にはPEFC用電極)は、一般に、電極触媒活性を有する電極材料及び高分子電解質からなる電極触媒層と、ガス通気性と電子伝導性を兼ね備えたガス拡散層とから構成される。PEFCの電極材料として、粒子状や繊維状の炭素系材料からなる担体の表面に貴金属粒子を分散させて担持した材料が広く用いられている(例えば、特許文献1,2)。
このような要望に対し、本願発明者らは、特許文献3において、炭素系材料の代わりに酸化スズ担体に貴金属粒子を分散させた電極触媒材料およびその製造を開示している。この電極触媒材料はPEFCのカソードでの運転条件で熱力学的に安定であるため、当該電極触媒材料を用いて製造したカソードは酸化腐食されることなく長期の発電が可能である。
<1> 表面がグラファイト構造である繊維状炭素及び鎖状連結炭素粒子から選択される1種以上からなる導電補助材と、前記導電補助材に担持された酸化チタン担体と、前記導電補助材及び前記酸化チタン担体のうち前記酸化チタン担体に分散担持された電極触媒粒子とを含む燃料電池用アノード電極材料。
<2> 前記導電補助材が、気相成長炭素繊維(VGCF)である<1>に記載の燃料電池用アノード電極材料。
<3> 前記酸化チタン担体が、ニオブを0.1〜20mol%ドープしたニオブドープ酸化チタンからなる<1>または<2>に記載の燃料電池用アノード電極材料。
<4> 前記酸化チタン担体が、前記導電補助材の一部が露出するように前記導電補助材に担持されてなる<1>から<3>のいずれかに記載の燃料電池用アノード電極材料。
<5> 前記電極触媒粒子が、平均粒子径1〜30nmのPt及びPtを含む合金からなる電極触媒粒子である<1>から<4>のいずれかに記載の燃料電池用アノード電極材料。
<6> <1>から<5>のいずれかに記載の燃料電池用電極材料とプロトン伝導性電解質材料を含み、前記導電補助材が互いに接触して導電パスを形成している燃料電池用電極。
<7> 固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方面に接合されたカソードと、前記固体高分子電解質膜の他方面に接合されたアノードと、を有する膜電極接合体であって、前記アノードが、<6>に記載の燃料電池用電極である膜電極接合体。
<8> <7>に記載の膜電極接合体を備えてなる固体高分子形燃料電池。
<1a> 以下の工程(1)〜(3)を含む燃料電池用アノード電極材料の製造方法。
(1)表面がグラファイト構造である繊維状炭素及び鎖状連結炭素粒子から選択される1種以上からなる導電補助材に、酸化チタン担体を担持する工程
(2)前記酸化チタン担体担持した前記導電補助材を、電極触媒前駆体を含む溶液に浸漬し、前記酸化チタン担体に電極触媒粒子又は電極触媒前駆体を担持する工程
(3)前記酸化チタン担体に担持された前記電極触媒粒子又は電極触媒前駆体を活性化する工程
<2a> 工程(1)における酸化チタン担体を担持する方法が酸化チタン担体の前駆体であるチタンアルコキシドを加水分解する方法である<1a>に記載の燃料電池用電極材料の製造方法。
<3a> 工程(2)における電極触媒前駆体を担持する方法がコロイド法である請求項<1a>又は<2a>に記載の燃料電池用電極材料の製造方法。
本発明の燃料電池用アノード電極材料(以下、「本発明の電極材料」と称す場合がある。)は、表面がグラファイト構造である繊維状炭素及び鎖状連結炭素粒子から選択される1種以上からなる導電補助材と、前記導電補助材に担持された酸化チタン担体と、前記導電補助材及び前記酸化チタン担体のうち前記酸化チタン担体に分散担持された電極触媒粒子とを含むことを特徴とする。
このように、本発明の電極材料は、酸化チタン担体に起因する電気化学的酸化への優れた耐久性と、炭素系材料に起因する優れた電子伝導性を併せ持つ。そのため、当該電極材料で形成された燃料電池用電極は、アノードとして使用した場合においても優れた電極性能を示すと共に、耐久性が高く、長期間発電することができる。
なお、中空状あるいは繊維状の炭素材料のうち、カーボンナノチューブに代表されるように、直径が100nm以下のもの、または、気相成長炭素繊維(Vaper Grown Carbon Fiber,VGCF)のような直径が100〜1000nm程度のもの、活性炭素繊維のような直径が1μm〜20μmのものを指すことが多いが、これらの炭素材料の長さと呼称についての明確な規定はないため、本明細書内ではこれらを合わせて繊維状炭素と称する。
鎖状連結炭素粒子の中でも、アセチレンの熱分解によって製造されるアセチレンブラック(AB)が好ましい。アセチレンブラックは、通常のカーボンブラックと比較して、グラファイト化が進んでいるため、上述の表面がグラファイト構造である繊維状炭素と同様に、電極触媒微粒子が担持されにくいという効果が期待できる。また、アセチレンブラックは、アセチレンガスから直接生成されるので、PEFCにおける電解質膜の劣化を引き起こす鉄イオンなどの不純物を含まないことから、PEFCで使う導電補助材として適している。
酸化チタン担体3aを構成する酸化チタンは、燃料電池(特には固体高分子形燃料電池)のアノード条件、カソード条件のいずれにおいても十分な耐久性と電子伝導性を併せ持つ。本発明の燃料電池用電極材料において、電子伝導性酸化物である酸化チタンは、PEFCのアノードにおける還元雰囲気下においても安定的に使用できることに特徴のひとつがある。なお、PEFCのカソード条件とは、PEFCの通常運転時のカソードにおける条件であり、温度が室温〜150℃程度、空気等の酸素を含むガスが供給される条件(酸化雰囲気)を意味し、アノード条件とは、PEFCの通常運転時のアノードにおける条件であり、温度が室温〜150℃程度、水素を含む燃料ガスが供給される条件(還元雰囲気)を意味する。
なお、酸化チタンを主体とする酸化物は、酸化スズを主体とする酸化物と比較して電子伝導性が劣るが、上述の通り、本発明の電極材料は、燃料電池用電極の骨格としての役割は繊維状炭素又は鎖状連結炭素粒子からなる導電補助材が担うことから、電極触媒微粒子が担持される酸化チタン担体の粒径(薄膜の場合は厚み)は小さくすることができるため、酸化チタンを主体とする酸化物も好適に使用できる。
また、「酸化チタンを主体とする酸化物」とは、(A)酸化チタン、及び(B)酸化チタンに他元素をドープされた酸化物であって、母体酸化物である酸化チタンが80mol%以上含まれる酸化物、を意味する。
酸化チタン担体3aは、好適には平均粒径3〜200nmの粒子状の酸化チタン担体であり、より好適には実質的に一次粒子となる平均粒径5〜40nmの酸化チタン担体である。そして、燃料電池用電極材料1の導電性の観点からは、粒子状の酸化チタン担体3aが密集せずに、導電補助材2の一部が露出され、導電補助材2と他の導電補助材2とが接触の直接的な接触を阻害しない程度に酸化チタン担体3aが分散して担持されていることが好ましい。
なお、「酸化チタン担体の平均粒径」は、電子顕微鏡像より調べられる任意の酸化チタン担体(20個)の粒子径の平均値により得ることができる。
燃料電池用電極材料1の導電性の観点からは、薄膜状酸化チタン担体の膜厚は、形成できる範囲でできるだけ薄い方が好ましい。すなわち、本発明の燃料電池用電極材料における酸化チタン担体の好適な態様の一つは、酸化チタン担体が平均膜厚2〜50nmの薄膜状酸化チタン担体であって、当該薄膜状酸化チタン担体の一部又は全部が前記導電補助材を被覆するように担持されてなる態様である。酸化チタン担体が平均膜厚2〜50nmであれば、酸化チタン担体に起因する電気抵抗が実質的に問題にならないため、導電補助材の露出部分が互いに接触する必要がない。なお、「薄膜状酸化チタン担体の平均膜厚」は、薄膜状酸化チタン担体の厚み方向の断面電子顕微鏡像より調べられる任意位置の厚み(5点)の平均値により得ることができる。
電極触媒粒子3bは、酸化チタン担体3aに選択的に分散担持されている。ここで「酸化チタン担体に選択的に分散担持」とは、全ての電極触媒粒子(個数)のうち、80%以上、好適には90%以上、より好適には95%以上(100%を含む)が、酸化チタン担体に担持されていることを意味する。酸化チタン担体に担持された電極触媒粒子の割合は、評価対象となる燃料電池用電極材料を電磁顕微鏡で観察した任意の電極触媒粒子(100個以上)を選出し、そのうち、酸化チタン担体に担持された個数と、炭素系導電補助材に担持された個数とをカウントすることにより、評価することができる。
なお、本発明における「電極触媒粒子の平均粒径」は、電子顕微鏡像より調べられる電極触媒粒子(20個)の粒子径の平均値により得ることができる。電子顕微鏡像による平均粒径算出時は、微粒子の形状が、球形以外の場合は、粒子における最大長を示す方向の長さをその粒径とする。
すなわち、本発明の燃料電池用電極材料における電極触媒粒子の好適な態様の一つは、前記電極触媒粒子が、平均粒子径1〜30nmのPt及びPtを含む合金からなる電極触媒粒子である。
前記担持量が3質量%未満の場合は、電極反応活性が不十分であり、40質量%超の場合は電極触媒粒子の凝集が起こりやすく、酸素や水素の電気化学反応に対する有効表面積が低下するという問題がある。なお、電極触媒粒子の担持量は、例えば、誘導結合プラズマ発光分析(ICP)によって調べることができる。
上述した本発明の燃料電池用電極材料の製造方法は特に限定されず、燃料電池用電極材料を構成する導電性補助材、酸化チタン担体、電極触媒粒子の種類に応じて適宜好適な方法を選択すればよい。また、導電補助材に酸化チタン担体を担持した後に、酸化チタン担体に電極触媒粒子を担持してもよいし、酸化チタン担体に電極触媒粒子を担持した後に、当該電極触媒粒子が担持した酸化チタン担体を導電補助材に担持してもよい。
本発明の燃料電池用電極材料を再現性良く製造できる点で、以下に説明する製造方法(以下、「本発明の製造方法」と称す。)によって製造することが好適である。
すなわち、本発明の燃料電池用電極材料の製造方法は、以下の工程を含む。
(1)表面がグラファイト構造である繊維状炭素及び鎖状連結炭素粒子から選択される1種以上からなる導電補助材に、酸化チタン担体を担持する工程
(2)前記酸化チタン担体を担持した前記導電補助材を、電極触媒前駆体を含む溶液に浸漬し、前記酸化チタン担体に電極触媒粒子又は電極触媒前駆体を担持する工程
(3)前記酸化チタン担体に担持された前記電極触媒粒子又は電極触媒前駆体を活性化する工程
なお、本発明の製造方法において、工程(2)と工程(3)は同時に行ってもよい。
すなわち、表面がグラファイト構造である繊維状炭素及び鎖状連結炭素粒子は、酸化チタン担体を担持することができるが、電極触媒粒子が担持されにくいという性質を有する。これは導電補助材を構成する炭素材料の表面がグラファイト構造であると、電極触媒粒子と結合性が弱く、電極触媒粒子が表面を移動して凝集する劣化挙動が起こりやすいという性質に由来する。
導電補助材に酸化チタン担体を担持した後に、電極触媒前駆体を含む溶液に浸漬すると、電極触媒前駆体が選択的に酸化チタン担体に担持され、これを還元処理等により電極触媒粒子に変換される。そのため、本発明の製造方法によれば、大部分の電極触媒粒子が選択的に酸化チタン担体に分散担持された燃料電池用電極材料を得ることができる。
工程(1)は、表面がグラファイト構造である繊維状炭素及び鎖状連結炭素粒子から選択される1種以上からなる導電補助材に、酸化チタン担体を担持する工程である。
導電補助材および酸化チタン担体は、<1.本発明の燃料電池用電極材料>で上述した通りであり、ここでは詳しい説明を省略する。
すなわち、本発明の製造方法における酸化チタン担体を担持する好適な態様のひとつは、アルコキシド法であって、溶媒に無水エタノールを使用することであり、さらには、導電補助材としてVGCFを使用する態様である。
乾燥方法は、特に制限がなく、加熱・減圧・自然乾燥などの方法で溶媒を蒸発させればよい。また、乾燥時の雰囲気は特に限定されるものではなく、酸素を含有する酸化性雰囲気中や大気雰囲気、窒素やアルゴンなどを含有する不活性雰囲気、水素を含有する還元性雰囲気などの雰囲気条件を任意に選ぶことができるが、通常、大気雰囲気である。
特に好適なVGCFは、結晶性が高いため、少なくとも600℃の大気雰囲気において、導電補助材から酸化チタン担体がほとんど脱離せず安定である。
工程(2)は、前記酸化チタン担体を担持した前記導電補助材を、電極触媒前駆体を含む溶液に浸漬し、前記酸化チタン担体に電極触媒粒子又は電極触媒前駆体を担持する工程である。表面がグラファイト構造である繊維状炭素や鎖状連結炭素粒子(特には繊維状炭素)には電極触媒前駆体ないしは電極触媒粒子は担持されにくく、大部分が酸化チタン担体に担持される。
電極触媒粒子が白金(Pt)である場合で電極触媒前駆体を具体的に例示すると、塩化白金、臭化白金、ヨウ化白金等のハロゲン化白金;クロロ白金酸、テトラクロロ白金酸アンモニウム、ヘキサクロロ白金酸カリウム等の白金の無機酸塩;白金アセチルアセトナート、白金ヘキサフルオロアセチルアセトナート、ジクロロ(1,5−シクロオクタジエン)白金、シアン化白金等の白金の有機酸塩などが挙げられる。電極触媒粒子がPt以外の金属である場合には、それに対応する前駆体を使用すればよい。
工程(2)において、電極触媒前駆体から電極触媒微粒子の形成と、酸化チタン担体への担持を行う方法は特に制限されないが、担持方法によっては、電極金属粒子の粒径や分散性の点で、本発明の目的を達成することができない場合がある。
高分散で粒径の小さい電極触媒粒子を得ることが可能な好適な方法として、以下に説明する貴金属アセチルアセトナートを使用する貴金属アセチルアセトナート法と、貴金属コロイドを使用するコロイド法が挙げられる。
なお、貴金属コロイドを含む溶液の作製する条件は特に制限されるものではなく、選択した貴金属前駆体、および還元剤に応じた適宜の条件とすればよい。
工程(3)は、前記酸化チタン担体に担持された前記電極触媒粒子又は電極触媒前駆体を活性化する工程である。工程(2)において、酸化チタン担体に担持された前記電極触媒粒子又は電極触媒前駆体は、不定比の金属酸化物を含むことがあり、そのままでは活性が低いため、窒素やアルゴン等の不活性雰囲気、あるいは水素を含有する還元性雰囲気中で熱処理することで電極触媒となる金属の有する電気化学触媒作用を活性化する。
本発明の燃料電池用電極は、上述の燃料電池用電極材料とプロトン伝導性電解質材料を含み、前記導電補助材が互いに接触して導電パスを形成していることを特徴とする。
例えば、上述の燃料電池用電極材料に含まれる導電補助材以外の導電補助材(以下、「他の導電性補助材」と記載する。)を含んでいてもよい。他の導電補助材を含むことにより、燃料電池用電極材料をつなぐ導電パスが増加し、電極全体としての導電性が向上する場合がある。
他の導電補助材としては、上述した導電補助材である繊維状炭素及び鎖状連結炭素粒子でもよいし(但し、酸化チタン担体や電極触媒粒子は担持されていないもの)、カーボンブラック、活性炭など通常の粒子状炭素でもよい。
なお、本発明の燃料電池用電極材料を含む燃料電池用電極は、酸素の還元、水素の酸化に対する優れた電気化学的触媒活性を有するため、カソード及びアノードとして使用することができる。特に、上記(反応1)で示される水素の酸化に対する電気化学的触媒活性に優れ、燃料電池の運転条件で担体である導電性材料の電気化学的酸化分解が起こらないことから、特にアノードとして好適に使用することができる。
本発明の膜電極接合体は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方面に接合されたカソードと、前記固体高分子電解質膜の他方面に接合されたアノードと、を有する膜電極接合体であって、前記アノードが、上記本発明の燃料電池用電極であることを特徴とする。
図2は本発明の実施形態に係る膜電極接合体の断面構造を模式的に示したものである。図2に示すように膜電極接合体10は、カソード4及びアノード5が固体高分子電解質膜6に対面して配置された構造を有する。
炭化水素系高分子電解質材料としては、例えば、ポリスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリアリールエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニルスルホン酸、ポリベンズイミダゾールスルホン酸、ポリベンズイミダゾールホスホン酸、ポリイミドスルホン酸等のポリマーや、これらにアルキル基等の側鎖を有するポリマー等が挙げられる。また、電解質膜として、無機系プロトン伝導体であるリン酸塩、硫酸塩などからなる電解質膜を使用することもできる。
例えば、上記実施の形態ではアノードのみに本発明の燃料電池用電極を採用しているが、カソードも本発明の燃料電池用電極を用いてもよい。好適な一例として、電子伝導性酸化物に酸化スズを主体とする酸化物を用いた電極材料を含む燃料電池用電極をカソードとして用いることが挙げられる。
本発明の固体高分子形燃料電池(単セル)は、本発明の膜電極接合体を備えてなり、通常、膜電極接合体をガス流路が形成されたセパレータで挟持した構造を有する。
実際には、本発明の固体高分子形燃料電池(単セル)が発電性能に応じた基数だけ積層された燃料電池スタックが形成され、ガス供給装置、冷却装置などその他付随する装置を組み立てることにより使用される。
導電性補助材として、以下の物性を有する繊維状炭素(昭和電工株式会社製、気相法炭素繊維、VGCF−H(登録商標))を使用した。
繊維径:150nm
真密度:2.1g/cm3
比表面積:11.4m2/g
熱伝導率:1200W/(m・K)
導電率:1×10-4Ωcm
<Ti前駆体>
Ti(OC3H7)4(キシダ化学株式会社、純度99.0%以上)
<Nb前駆体>
Nb(OC2H5)5(ALDRICH、純度99.95%以上)
[評価1−1]焼成温度の影響
実験例1では、以下の方法でニオブドープ酸化チタン担体を繊維状炭素(VGCF)に担持し、燃料電池材料用電極材料(電極触媒未担持)を得た。
工程(1)
上記繊維状炭素(0.492g)に所定量の無水エタノールを加え、超音波ホモジナイザーで攪拌し、繊維状炭素の分散液を得た。この分散液に酸化チタン前駆体として、Ti(OC3H7)4、ドーパント前駆体としてNb(OC2H5)5を入れ、攪拌しながら蒸留水をビュレットで滴下した加水分解を行った。なお、原料の使用量は、Ti(OC3H7)4の量はTiO2換算での繊維状炭素に対する担持率(TiO2担持率)が、32.5wt%(仕込み量)とし、Nb(OC2H5)5の量はTiO2に対して2mol%となる量とした。
蒸留水を滴下後2時間攪拌を続けたのちに、分散液の濾過、洗浄を行い、100℃で10時間乾燥させ、酸化チタン担体を担持した繊維状炭素(焼成なし)を得た。さらにこの酸化チタン担体を担持した繊維状炭素(焼成なし)を大気雰囲気下、300℃又は600℃で2時間の熱処理を行い、酸化チタン担体を担持した繊維状炭素を得た。また、熱分析装置(株式会社リガク製、ThermoPlus TG8120)を用いて、酸化チタン担体を担持した繊維状炭素を、大気雰囲気下で800℃まで昇温し、昇温前後の質量差を重量減少分を燃焼した繊維状炭素の重量として、酸化チタン担体の担持率を求めたところ、30.9wt%であった。
300℃焼成後の試料では、図4(b)に示されるように、10nm未満の粒径を有するTiO2粒子(酸化チタン担体)が確認され、図5に示されるように600℃焼成後のサンプルと比較するとアナターゼ型の結晶を示すピークはブロードになっていた。
焼成なしの試料では、図4(c)に示されるように、10nm未満の粒径を有するTiO2粒子(酸化チタン担体)が確認され、図5に示されるように、アナターゼ型の結晶を示すピークは300℃焼成後のサンプルと比較してさらにブロードになっていた。
一方、焼成温度が低すぎる場合は、Tiの水和酸化物が残っている可能性があり,これが導電率を悪化させることが考えられる。
なお、DTA測定において、200℃を超えた時点でDTAのピークが見られ、この点においてTiO2の結晶化が行われていると考えられることから、300℃焼成ではTiO2の結晶化が行われていると判断した。そこで、以下の検討においては、300℃焼成を採用した。
酸化チタン前駆体である原料の使用量を、TiO2担持率が仕込み量で10wt%、20wt%、30wt%、40wt%、50wt%及び60wt%とし、Nb(OC2H5)5の量はTiO2に対して2mol%となる量として、上記[評価1−1]の工程(1)と同様の方法でTiO2担持率が異なる燃料電池材料用電極材料(電極触媒未担持)を製造した。図7にBET比表面積を評価した結果を示す。また、図8、図9及び図10にそれぞれTiO2担持率10wt%、20wt%及び50wt%のFE−SEM像を示す。
また、図8〜10より、TiO2担持率を上げることでTiO2粒子が凝集している箇所や、重なっている部分が多く見られることがわかる。
以上の結果より、担体比表面積とTiO2粒子の分散状態(TiO2粒子が均一に単層で分散しているか)を考慮して、以下、繊維状炭素(VGCF)に対するTiO2担持率を20wt%とした試料について評価を行った。
導電補助材に3%水蒸気加湿N2(N2バブリング)で300℃、2時間熱処理により表面改質した繊維状炭素(VGCF)を使用し、Nb(OC2H5)5の量はTiO2に対して5mol%となる量とした以外は、上記評価1(工程(1)に相当)と同様の方法で得られたニオブドープ酸化チタン担体/繊維状炭素(Nb-TiO2/VGCF)からなる燃料電池材料用電極材料(電極触媒未担持)に対し、コロイド法又はPtアセチルアセトナート法でPt触媒粒子を担持した。
また、以下に説明する全触媒においてPtの仕込値は、ニオブドープ酸化チタン担体/繊維状炭素(Nb-TiO2/VGCF)に対して20wt%となるよう調整した。
工程(2)
工程(1)で得られた所定のTiO2担持率の燃料電池材料用電極材料(電極触媒未担持)へのコロイド法でのPt触媒粒子の担持は以下の手順で行った。
まず、H2PtCl6・6H2O:1gを蒸留水100mLに溶解させ、次いでNaHSO3を2g加えて,スターラーで攪拌しながら昇温させた。その後、液体が無色透明に変化し、塩化水素による刺激臭がなくなるまで保持した。次いで、燃料電池材料用電極材料(電極触媒未担持)を分散させた蒸留水に上述の溶液を加え、ホットスターラーを用い40℃で攪拌しながら35%H2O2水溶液45mLを滴下した。この際、常にpHが4.95〜5.00の範囲となるよう、NaOH水溶液を加えてpHの調整を行なった。35%H2O2の滴下後、24時間撹拌を行って得られたスラリーに対し、不純物除去のため、ろ過及び洗浄を3回繰り返し、残存物を得た。
工程(2)で得られた残存物を、粉末を100℃で10時間乾燥させた後に粉砕し、5%H2-N2雰囲気下において200℃、2時間の還元処理を行い,残留硫黄分の除去と触媒の活性化を行なって目的とする燃料電池材料用電極材料(コロイド法)を得た。
工程(2)
工程(1)で得られた所定のTiO2担持率の燃料電池材料用電極材料(電極触媒未担持)への白金アセチルアセトナート法でのPt触媒粒子の担持は以下の手順で行った。
ナスフラスコに燃料電池材料用電極材料(電極触媒未担持)、Pt(II)アセチルアセトナートを加え、その後ジクロロメタンを入れ溶解させ,超音波攪拌装置を用いて、超音波をかけながら溶媒がすべて揮発するまで攪拌して粉末を得た。
工程(2)で得られた粉末を、N2雰囲気下で、210℃で3時間、240℃で3時間還元処理を施すことで、実施例1の燃料電池用電極材料を得た。なお、2段階に分けて熱処理を行うのは急激な熱還元によるPtの粒子成長を抑制し,小さい粒子径のPtを担持するためである。
図11〜13よりTiO2上にPt触媒粒子が高分散に担持されていることが確認できる。また、TiO2の担持率に関わらず、導電補助材である繊維状炭素(VGCF)上に直接担持されたPt触媒粒子はほとんど見られなかった。これは、VGCFの表面はグラファイト構造で化学的に安定であり、コロイド法は純水中で攪拌しながらPtコロイドを析出させるため、疎水性のVGCFにはほとんどPtコロイドが付かなかったためだと考えられる。
図14〜16より、TiO2担持率の低下に伴って導電補助材である繊維状炭素(VGCF)上に担持されたPt触媒粒子が増えていることがわかる。アセチルアセトナート法では試料を疎水性の有機溶媒であるジクロロメタン中で攪拌しながらPt触媒粒子を担持するため、疎水性の繊維状炭素(VGCF)にもPt触媒粒子が担持されやすいと考えられる。
コロイド法及びアセチルアセトナート法でPt担持を行った、上記燃料電池材料用電極材料(TiO2担持率20wt%、Pt仕込値20wt%)を用いて、酸性溶液中での電気化学測定を行い、調製した燃料電池材料用電極材料の電気化学的表面積(ECSA)と酸素還元(ORR)活性を定量的に評価した。なお、本評価では電極活性の模擬評価として、ORR活性を評価しているが溶液中にH2を飽和させると水素酸化(HOR)活性の評価ができる。
電気化学的表面積(Pt有効表面積)は、表面のPt原子一つに水素原子が一つ吸着するとの仮定に基づき、CVから求めた水素吸着量から算出した。CVの測定条件は以下の通りである。なお、1原子のPtに付き 1原子のHが吸着すると仮定すると210μC/cm2の電気量となる。
測定:三電極式セル(作用極:燃料電池用電極材料/GC,対極:Pt,参照極:Ag/AgCl)
電解液:0.1M HClO4(pH:約1)
測定電位範囲:0.05〜1.2V(標準水素電極基準)
走査速度 :50 mV/s
水素吸着量:0.05〜0.4Vの水素吸着を示すピーク面積から算出
電気化学的表面積(ECSA):下記式より算出
ECSA=(水素脱離電気量QH)[μC] / 210[μC/cm2]
ORR活性は、回転ディスク電極法(RDE法)から得られる活性化支配電流(ik)を基に算出するMass activity(単位Pt質量当たりの活性)、Specific activity(単位Pt有効面積当たりの活性)を指標とした。
Mass activity = ik / 電極上のPt質量
Specific activity = ik / ECSA
活性化支配電流(ik)は、回転電極測定によって得られた電流−電位曲線について,任意の電位においてi-1とω-1/2でプロットして得られるKoutecky-Levichプロットを作成し、得られた直線を外挿することによって切片から求めた。
具体的な手順として、まずO2を100mL/minで30分間バブリングした後、2500rpm、1600rpm、900rpm、400rpmの順でそれぞれ0.05VRHEから貴な方向に向けて10mV/secで1.20VRHEまで電位を走査し、測定を行なった、なお、測定中は常にO2を100mL/minでパージした.なお、Koutecky-Levichプロットによる活性化支配電流の算出は全て0.90VRHEで行なった。
なお、CV測定では、コロイド法又はアセチルアセトナート法でPt担持した試料のいずれもが、Pt特有の電流ピークを示した。従来の導電補助材に酸化チタンを担持させていないPt/TiO2及びPt/Nb-TiO2のCVはPt特有の電流ピークが表れないという報告がある。そのため、導電補助材である繊維状炭素に酸化チタン担体を担持し、酸化チタン担体上にPt触媒粒子を担持させた本発明の燃料電池材料用電極材料における、導電補助材によるTiO2の電子伝導パスの短縮効果が確認できたといえる。
2 導電性補助材
3a (粒子状の)酸化チタン担体
3b 電極触媒微粒子
4 燃料電池用電極(カソード)
4a カソード電極層
4b ガス拡散層
5 燃料電池用電極(アノード)
5a カソード電極層
5b ガス拡散層
6 固体高分子電解質膜
10 膜電極接合体(MEA)
20 固体高分子形燃料電池
21 外部回路
Claims (9)
- 表面がグラファイト構造である繊維状炭素からなる導電補助材と、前記導電補助材に担持された酸化チタン担体と、前記導電補助材及び前記酸化チタン担体のうち前記酸化チタン担体に分散担持された電極触媒粒子とを含み、
前記酸化チタン担体が、平均粒径3〜200nmの粒子状、または平均膜厚2〜50nmの薄膜状であって、Tiより価数が高い元素をドープしたアナターゼ型酸化チタンからなる、ことを特徴とする燃料電池用アノード電極材料。 - 前記導電補助材が、気相成長炭素繊維(VGCF)である請求項1に記載の燃料電池用アノード電極材料。
- 前記酸化チタン担体が、ニオブを0.1〜20mol%ドープしたニオブドープ酸化チタンからなる請求項1または2に記載の燃料電池用アノード電極材料。
- 前記酸化チタン担体が、前記導電補助材の一部が露出するように前記導電補助材に担持されてなる請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池用アノード電極材料。
- 前記電極触媒粒子が、平均粒子径として1〜30nmのPt及びPtを含む合金からなる微粒子である請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池用アノード電極材料。
- 請求項1から5のいずれかに記載の燃料電池用アノード電極材料とプロトン伝導性電解質材料を含み、前記導電補助材が互いに接触して導電パスを形成していることを特徴とする燃料電池用電極。
- 固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方面に接合されたカソードと、前記固体高分子電解質膜の他方面に接合されたアノードと、を有する膜電極接合体であって、前記アノードが、請求項6に記載の燃料電池用電極であることを特徴とする膜電極接合体。
- 請求項7に記載の膜電極接合体を備えてなることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
- 請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池用アノード電極材料の製造方法であって、
以下の工程(1)〜(3)を含むことを特徴とする製造方法。
(1)表面がグラファイト構造である繊維状炭素からなる導電補助材に、前駆体であるチタンアルコキシドと、Tiより価数が高い元素のアルコキシドとを共存させて加水分解することによって、Tiより価数が高い元素をドープした酸化チタンからなる酸化チタン担体を担持する工程
(2)前記酸化チタン担体を担持した前記導電補助材を、電極触媒前駆体を含む溶液に浸漬し、前記酸化チタン担体に電極触媒粒子又は電極触媒前駆体を担持する工程
(3)前記酸化チタン担体に担持された前記電極触媒粒子又は電極触媒前駆体を活性化する工程
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