JP7150361B1 - 燃料電池用白金コバルトクロム合金担持カーボン触媒の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
初期から使用終了時までの性能の安定性および耐久性を向上することが強く要望されている燃料電池用触媒、例えば、リン酸型燃料電池用カソード触媒は、より大きいサイズで、かつ、大きさのばらつきが小さい触媒粒子をカーボン粉末に担持させることが課題となっている。
きさに成長した白金粒子を房状に担持させ、次いで、第一の還元工程後の80~100℃に加熱された懸濁液に、未だ、還元されることなく残存し得る(限定されるものでないが、第一の還元工程の初期量の5%~30%に相当する)塩化白金酸を、さらに、L-アスコルビン酸を使用して、当該残存する塩化白金酸の全てを還元する第二の還元工程を実施すると、効率よく、初期使用量の全ての塩化白金酸をカーボン粉末の表面上に担持させることができ、しかも、その後の水酸化コバルトと水酸化クロム析出工程を経て、比較的大きくてバラつきが小さい粒径の白金コバルトクロム合金粒子をカーボン粉末表面に担持できることを見出した。
態様1: カーボン粉末の水懸濁液を用意する工程と、
塩化白金酸の水溶液を用意する工程と、
L-アスコルビン酸を80~100℃に加熱した前記カーボン粉末の水懸濁液に加え、次いで、この加熱温度を維持しつつ、得られる前記アスコルビン酸含有カーボン粉末の水懸濁液に前記カーボン粉末1g当たり白金換算で0.001g/分~0.03g/分の投入速度で前記塩化白金酸水溶液を加えることにより、前記カーボン粉末の表面上にナノメーターオーダーの大きさに成長した白金粒子を房状に担持する第一の還元工程であって、前記で用いられる塩化白金酸に対して、モル比で、2.33から3.17倍のアスコルビン酸が用いられる、第一の還元工程と、
第一の還元工程後の80~100℃に加熱された懸濁液に、当該還元工程後に残存する塩化白金酸の全部を還元できる量のL-アスコルビン酸を加えて前記塩化白金酸を還元することにより、前記白金粒子表面上に白金を析出させる第二の還元工程と、
第二の還元工程で得られる白金粒子を担持するカーボン粒子を含む懸濁液を濾過して前記白金を担持するカーボン粒子を含む濾過ケーキを取得し、この濾過ケーキを洗浄し、水に再懸濁した後の再懸濁液に、クロム化合物水溶液およびコバルト化合物水溶液を加え、次いでアンモニア水でpHを9~11に調整することで、水酸化コバルトと水酸化クロムを前記白金粒子表面上に析出させる析出工程と、
前記析出工程で得られる懸濁液を濾過して、前記白金粒子表面上に水酸化コバルトと水酸化クロムが析出した粒子を洗浄し、乾燥し、前記カーボン粉末の表面上に水酸化コバルトと水酸化クロムが析出した白金粒子を房状に担持する粉末を得る工程と、
前記工程で得られる水酸化コバルトと水酸化クロムが析出した白金粒子を房状に担持するカーボン粉末を不活性ガスまたは窒素雰囲気中で熱処理する熱処理工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池用白金コバルトクロム合金担持カーボン触媒の製造方法。
態様2: 前記白金コバルトクロム合金担持カーボン触媒中の白金量を、重量基準で、11wt%~15wt%に調整することを特徴とする態様1の燃料電池用白金コバルトクロム合金担持カーボン触媒の製造方法。
態様3: 前記塩化白金酸の第一および第二の還元工程において、前記懸濁液の温度を92℃~95℃とし、白金コバルトクロム合金粒子の平均粒子径を10~20nmに調整することを特徴とする態様1または2の燃料電池用白金コバルトクロム合金担持カーボン触媒の製造方法。
塩化白金酸は、ヘキサクロリド白金(IV)酸(H2PtCl6)を意味する。また、L-アスコルビン酸は、単に、「アスコルビン酸」ということもある。
態様1では、第一の還元工程と第二の還元工程が採用されることに特徴がある。このような特徴ある構成の採用に加えて、第一の還元工程及び第二の還元工程は、次のような特徴ある構成を含む。具体的には、第一の還元工程は、L-アスコルビン酸を予め用意したカーボン粉末の水懸濁液の80~100℃の加熱溶液に加え、次いで、この加熱温度を維持しつつ、得られる前記アスコルビン酸含有カーボン粉末の水懸濁液に前記カーボン粉末1g当たり白金換算で0.001g/分~0.03g/分の投入速度で前記塩化白金酸水溶液を加えることにより、カーボン粉末の表面上にナノメーターオーダーの大きさに成長した白金粒子を房状に担持させるものであるが、さらに、前記処理で用いられる塩化白金酸に対して、モル比で、2.33から3.17倍の前記アスコルビン酸が用いられる、ことにも特徴がある。ここにいう、塩化白金酸に対するアスコルビン酸のモル比は、前者を還元するのに必要とされる化学量論上のモル比より過剰な量のアスコルビン酸が用いられている。これは、態様1における第一の還元工程の反応条件下では、必ずしも、化学量論に従って用いられるアスコルビン酸が作用しないことが確認されたことに基づく。限定されるものでないが、態様1では、上述の「2.33から3.17倍の前記アスコルビン酸が用いられる」ことにより、用いられている塩化白金酸の約70%~約95%が還元される。こうして、第二の還元工程が採用され、当該工程では、第一の還元工程後の80~100℃に加熱された懸濁液に、当該還元工程後に残存する塩化白金酸の全部を還元できる量のL-アスコルビン酸が加えられる。ところで、仮に、第一の還元工程で用いられている塩化白金酸の全量を還元するためには、モル比で、ほぼ3.33倍のアスコルビン酸を用いることが必要であることが確認されている。したがって、第一の還元工程後に残存する塩化白金酸の全部(計算上、5%~30%)を還元できる量のアスコルビン酸は、第一の還元工程でアスコルビン酸の加えた量が塩化白金酸に対してX倍モルのモル比である場合において、塩化白金酸に対してモル比で(3.33-X)倍以上のアスコルビン酸を、第一の還元工程後の加熱懸濁液に加えればよい。
これは、理論により本発明の範囲が限定されるものでないが、次のように理解されている。
アスコルビン酸を含む加熱した懸濁液に塩化白金酸水溶液を加えると、加え始めた初期においては、直ちに白金の還元反応が進行し、ナノメーターサイズの白金粒子を形成する。一方、塩化白金酸水溶液の投入後半から投入終了時点においては、L-アスコルビン酸の量が塩化白金酸の70%~95%を還元可能な量に制限されているため、L-アスコルビン酸は少ない状態となり、塩化白金酸は、ゆっくりと還元される。このゆっくりと還元される塩化白金酸は、より大きな粒子となり安定状態になろうとする際に、白金粒子同士をつなぐ接着剤のような役割を果たし、カーボン上に担持された白金粒子上に、初期に生成した白金粒子をつなぐ働きを及ぼす。これにより、本製法では白金粒子は房状に成長してカーボン担体上に担持される。こうして、態様1の発明では、第一の還元工程と第二の還元工程が採用される。
次に、第二の還元工程後の懸濁液は、濾過され、白金粒子を担持するカーボン粒子を含む濾過ケーキが得られ、この濾過ケーキを水を用いて洗浄し、水に再懸濁した再懸濁液の調製に用いられる。さらに、この懸濁液は、クロム化合物水溶液およびコバルト化合物水溶液を加え、次いでアンモニア水でpHを9~11に調整することで、水酸化コバルトと水酸化クロムを前記白金粒子表面上に析出させる析出工程に供される。この析出工程で得られる懸濁液は、上述の白金粒子を担持するカーボン粒子を含む濾過ケーキを得るのと同様
に、濾過、洗浄、乾燥処理され、カーボン粉末の表面上に水酸化コバルトと水酸化クロムが析出した白金粒子を房状に担持した粉末を得る工程に供される。当該粉末は、さらに、不活性ガスまたは窒素雰囲気中でその粉末を熱処理する熱処理工程に供される、目的の燃料電池用白金コバルトクロム合金担持カーボン触媒が提供できる。
この理由は、当該段階において、塩化白金酸を加える速度をコントロールすることで、十分な混合、拡散条件下で還元反応速度をコントロールできるためであると考える。
また、例えば、第一の還元工程において塩化白金酸に対して3.17倍モルのL-アスコルビン酸を加えた場合には、第二の還元工程において(3.33-3.17)=0.16倍モル以上の量のL-アスコルビン酸の量とする。
上述の洗浄の方法は、特に限定されるものではなく種々の手段によって行うことができる。濾過は、ベルトフィルター、ドラムフィルター、遠心分離機、真空濾過器、加圧濾過器、フィルタープレスなどを用いて行うことができる。
水酸化コバルト、水酸化クロムの析出担持の方法については、第二の還元工程で得られる白金を担持するカーボン粒子を含む濾過ケーキの水に対する再懸濁を、例えば、酢酸クロム水溶液および酢酸コバルト水溶液と混合し、こうして得られる混合液をアンモニア水でpHを9~11に調整することで水酸化コバルトと水酸化クロムを白金粒子表面上に析出させることができる。コバルト化合物、クロム化合物としては、酢酸クロム、および酢酸
コバルトを用いることができる。また、酢酸塩の代わりに硝酸クロム、硝酸コバルトなどの化合物を用いることができる。
まず、比表面積が約80m2/gの導電性の黒鉛化カーボン1877gを、150Lの純水中に懸濁させ、前記懸濁液を撹拌しながら97-100℃に加熱後、L-アスコルビン酸594gを加え、その5分後に塩化白金酸水溶液を加え始めた。この際、白金含有量で264gに相当する塩化白金酸を純水1100gに溶解させたものを、送液ポンプを使用し、一定の速度で40分かけて加えた。従って、塩化白金酸水溶液の投入速度はカーボン粉末1g当たり白金換算で0.0035g/分となる。前記塩化白金酸水溶液の投入完了5分後に、L-アスコルビン酸1306gを加え、その10分後に加熱を停止した。このようにして、カーボン担体上に白金粒子が房状に担持された粉末を含む懸濁液を得た。以下、この懸濁液を「SPtC1」と呼ぶ。
懸濁液SPtC1を、濾過して、濾過ケーキを得た。これを洗浄した後、純水120L中に懸濁させ、撹拌しながら25~30℃に加熱後、酢酸コバルト(II)四水和物174gと酢酸クロム(III)118gを3Lの水に溶解した液を加え、30分以上混合した。その後、水酸化コバルトと水酸化クロムを析出させるために25%アンモニア水762gを送液ポンプを使用し、一定の速度で10分かけて前記懸濁液に加えた。このようにして、白金粒子表面上に、水酸化コバルト、水酸化クロムを析出させた房状の白金粒子が担持されたカーボン粉末を含む懸濁液を得た。以下、この懸濁液を「SPtCoCrC1」と呼ぶ。
下、この粉末を「粉末P1」と呼ぶ。
塩化白金酸の還元担持時の温度を92-95℃にしたことと、塩化白金酸の投入時間を35分としたことを除いては、実施例1と同様にして、担持触媒を製造した。以下、これを「実施例2」と呼ぶ。この際、塩化白金酸の投入速度はカーボン粉末1g当たり0.0040g/分となる。
塩化白金酸の還元担持時の温度を92-95℃にしたことと、塩化白金酸の投入時間を31分としたことを除いては、実施例1と同様にして、担持触媒を製造した。以下、これを「実施例3」と呼ぶ。この際、塩化白金酸の投入速度はカーボン粉末1g当たり0.0045g/分となる。
塩化白金酸の還元担持時の温度を92-95℃にしたことと、塩化白金酸の投入時間を29分としたことを除いては、実施例1と同様にして、担持触媒を製造した。以下、これを「実施例4」と呼ぶ。この際、塩化白金酸の投入速度はカーボン粉末1g当たり0.0049g/分となる。
第一の還元工程で投入するL-アスコルビン酸の量を塩化白金酸を全部還元可能な量である1900gとしたことと、塩化白金酸の投入時間を10秒としたことと、第二の還元工程行わないことを除いては、実施例1について説明したのと同様にして、担持触媒を製造した。以下、これを「比較例1」と呼ぶ。この際、塩化白金酸の投入速度はカーボン粉末1g当たり0.8443g/分となる。
各試料のTEM観察より求めた。
燃料電池用電極触媒としての性能を評価するために、実施例2の触媒について酸素還元反応(ORR)活性をビー・エー・エス製ポテンショガルバノスタットを用いて回転電極法によって評価した。
Ik=Id・I (Id・I)
この活性化支配電流値(Ik)をECSAで除することで比活性を、前記ガラス状カーボン電極上の白金重量で除することで質量活性を算出した。実施例2の触媒のECSAは8.4m2/gであり、比活性及び質量活性はそれぞれ5692μA/cm2、478A/gであった。触媒粒径を大きくしたことで、ECSAは比較的小さいが、比活性及び質量活性は高く、高出力が得られている。従って、本製造方法で製造した触媒は、燃料電池用電極触媒として使用できる。
Claims (3)
- カーボン粉末の水懸濁液を用意する工程と、
塩化白金酸の水溶液を用意する工程と、
L-アスコルビン酸を80~100℃に加熱した前記カーボン粉末の水懸濁液に加え、次いで、この加熱温度を維持しつつ、得られた前記アスコルビン酸含有カーボン粉末の水懸濁液に前記カーボン粉末1g当たり白金換算で0.001g/分~0.03g/分の投入速度で前記塩化白金酸水溶液を加えることにより、前記カーボン粉末の表面上にナノメーターオーダーの大きさに成長した白金粒子を房状に担持する第一の還元工程であって、前記で用いられる塩化白金酸に対して、モル比で、2.33から3.17倍の前記アスコルビン酸が用いられる、第一の還元工程と、
第一の還元工程後の80~100℃に加熱された懸濁液に、当該還元工程後に残存する塩化白金酸の全部を還元できる量のL-アスコルビン酸を加えて前記塩化白金酸を還元することにより、前記白金粒子表面上に白金を析出させる第二の還元工程と、
第二の還元工程で得られる白金粒子を担持するカーボン粒子を含む懸濁液を濾過して前記白金を担持するカーボン粒子を取得し、洗浄し、水に再懸濁した後の再懸濁液に、クロム化合物水溶液およびコバルト化合物水溶液を加え、次いでアンモニア水でpHを9~11に調整することで、水酸化コバルトと水酸化クロムを前記白金粒子表面上に析出させる析出工程と、
前記析出工程で得られる懸濁液を濾過して、前記白金粒子表面上に水酸化コバルトと水酸化クロムが析出した粒子を洗浄し、乾燥し、前記カーボン粉末の表面上に水酸化コバルトと水酸化クロムが析出した白金粒子を房状に担持する粉末を得る工程と、
前記工程で得られる水酸化コバルトと水酸化クロムが析出した白金粒子を房状に担持するカーボン粉末を不活性ガスまたは窒素雰囲気中で熱処理する熱処理工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池用白金コバルトクロム合金担持カーボン触媒の製造方法。 - 前記白金コバルトクロム合金担持カーボン触媒中の白金量を、重量基準で、11wt%~15wt%に調整することを特徴とする請求項1記載の燃料電池用白金コバルトクロム合金担持カーボン触媒の製造方法。
- 前記塩化白金酸の第一および第二の還元工程において、前記懸濁液の温度を92℃~95℃とし、白金コバルトクロム合金粒子の平均粒子径を10~20nmに調整することを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池用白金コバルトクロム合金担持カーボン触媒の製造方法。
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