JP7221349B2 - 触媒、その製造方法、これを含む電極、膜-電極アセンブリー及び燃料電池 - Google Patents
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Description
本発明のさらに他の目的は、前記触媒を含む電極を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、前記電極を含む膜-電極アセンブリーを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、前記膜-電極アセンブリーを含む燃料電池を提供することである。
前記コーティング層の含有量は、前記触媒の全重量に対して5重量%~30重量%であり得る。
前記熱処理は、アルゴン又はアルゴン-水素(H2-Ar)雰囲気で行われ得る。
本発明のさらに他の実施例によれば、相対向して位置するアノード電極とカソード電極、及び前記アノード電極とカソード電極との間に位置するイオン交換膜を備え、前記アノード電極、前記カソード電極及びこれら両者からなる群から選ばれるいずれか一つは前記電極を含む、膜-電極アセンブリーを提供する。
本発明のさらに他の実施例によれば、前記膜-電極アセンブリーを備える燃料電池を提供する。
前記担体は、炭素系担体、ジルコニア、アルミナ、チタニア、シリカ、セリアなどの多孔性無機酸化物、ゼオライトなどから選択され得る。前記炭素系担体は、スーパーピー(super P)、炭素繊維(carbon fiber)、炭素シート(carbon sheet)、カーボンブラック(carbon black)、ケッチェンブラック(Ketjen Black)、アセチレンブラック(acetylene black)、炭素ナノチューブ(carbon nano tube,CNT)、炭素球体(carbon sphere)、炭素リボン(carbon ribbon)、フラーレン(fullerene)、活性炭素及びこれらの一つ以上の組合せから選択され得るが、これに限定されず、本発明の技術分野で使用可能な担体はいずれも使用することができる。
図1を参照すると、前記金属粒子2が前記担体1に担持されており、前記フタロシアニン、M-フタロシアニン及びこれらの混合物からなる群から選ばれるいずれか一つを含むコーティング層3が、前記担体1の表面と前記金属粒子2の表面を覆っている。
図4を参照すると、前記金属粒子2及び担体1の表面に、前記フタロシアニン、M-フタロシアニン及びこれらの混合物からなる群から選ばれるいずれか一つを含むコーティング層3を形成する。その後、前記フタロシアニン、M-フタロシアニン及びこれらの混合物からなる群から選ばれるいずれか一つを熱処理してヘテロ元素がドープされた炭素を含む炭素コーティング層4を形成し、この時、前記熱処理を用いて前記フタロシアニン、M-フタロシアニン及びこれらの混合物からなる群から選ばれるいずれか一つの炭化時に、前記炭素コーティング層4の全部又は一部から、前記炭素ナノ繊維、炭素ナノチューブ及びこれらの混合物からなる群から選ばれるいずれか一つ5を成長させることができる。
前記電極形成用組成物は、前記触媒及び前記アイオノマーを溶媒に添加した後、超音波分散、撹拌、3ロールミール、遊星撹拌、高圧分散及びこれらの混合法の中から選択されるいずれか一つの分散法を用いて製造することができる。
選択的に、前記電極形成用組成物を乾燥させて電極を製造する段階後には、乾燥した電極及び離型フィルムを所要の大きさにカッティングしてイオン交換膜に接合する段階をさらに含むことができる。
ン交換膜を含む。前記アノード電極、前記カソード電極及びこれら両者からなる群から選ばれるいずれか一つは、前記本発明の一実施例による電極を含むことができる。
図6を参照すると、前記燃料電池200は、燃料と水が混合された混合燃料を供給する燃料供給部210、前記混合燃料を改質して水素ガスを含む改質ガスを発生させる改質部220、前記改質部220から供給される水素ガスを含む改質ガスが酸化剤と電気化学的な反応を起こして電気エネルギーを発生させるスタック230、及び酸化剤を前記改質部220及び前記スタック230に供給する酸化剤供給部240を含む。
(実施例1:触媒にCo-フタロシアニンコーティング)
商用Pt/C触媒(田中社製、TEC10E50E)1.0gとCo-フタロシアニン0.1gを反応容器に入れた。この反応容器を共鳴音響混合器に入れ、80Gで8分間混合してPt/C触媒の表面にCo-フタロシアニンを含むコーティング層を形成し、触媒を製造した。
前記実施例1で製造された触媒をアルミナボートに広げ、前記試料が入っているアルミナボートをレール付き加熱炉に入れた。この加熱炉にアルゴン気体を流し込みつつ、前記加熱炉の温度を600℃に設定後に温度を上げた。設定温度になると、加熱炉を試料がある部分へ移動させた後、30分間試料に熱を加えた。設定時間の経過後に、加熱炉を試料がある部分から元の位置に移動させ、加熱炉が完全に冷めた後に触媒を回収した。
前記実施例1で製造された触媒をアルミナボートに広げ、前記試料が入っているアルミナボートをレール付き加熱炉に入れた。前記加熱炉にアルゴン気体を流し込みつつ、前記加熱炉の温度を600℃に設定後に温度を上げた。設定温度になると、アルゴン-水素混合ガス(10体積%水素を含む)を流した。加熱炉を試料がある部分へ移動させた後30分間試料に熱を加えた。設定時間の経過後に、加熱炉を試料がある部分から元の位置に移動させ、加熱炉が完全に冷めた後に触媒を回収した。
商用Pt/C触媒(田中社製、TEC10E50E)を用いた。
Co-フタロシアニンをアルミナボートに広げ、前記試料が入っているアルミナボートをレール付き加熱炉に入れた。前記加熱炉にアルゴン気体を流し込みつつ、前記加熱炉の温度を600℃に設定後に温度を上げた。設定温度になると、加熱炉を試料がある部分へ移動させた後、30分間試料に熱を加えた。設定時間の経過後に、加熱炉を試料がある部分から元の位置に移動させ、加熱炉が完全に冷めた後に触媒を回収した。
Co-フタロシアニンをアルミナボートに広げ、前記試料が入っているアルミナボートをレール付き加熱炉に入れた。前記加熱炉にアルゴン気体を流し込みつつ、前記加熱炉の温度を600℃に設定後に温度を上げた。設定温度になると、アルゴン-水素混合ガス(10体積%水素を含む)を流した。加熱炉を試料がある部分へ移動させた後に30分間試料に熱を加えた。設定時間の経過後に、加熱炉を試料がある部分から元の位置に移動させ、加熱炉が完全に冷めた後に触媒を回収した。
商用Pt/C触媒1.0gとCo-フタロシアニン0.1gの単純混合物をアルミナボートに広げ、前記試料が入っているアルミナボートをレール付き加熱炉に入れた。前記加熱炉にアルゴン気体を流し込みつつ、前記加熱炉の温度を600℃に設定後に温度を上げた。設定温度になると、加熱炉を試料がある部分へ移動させた後に30分間試料に熱を加えた。設定時間の経過後に、加熱炉を試料がある部分から元の位置に移動させ、加熱炉が完全に冷めた後に触媒を回収した。
商用Pt/C触媒1.0gとCo-フタロシアニン0.1gの単純混合物をアルミナボートに広げ、前記試料が入っているアルミナボートをレール付き加熱炉に入れた。前記加熱炉にアルゴン気体を流し込みつつ、前記加熱炉の温度を600℃に設定後に温度を上げた。設定温度になると、アルゴン-水素混合ガス(10体積%水素を含む)を流した。加熱炉を試料がある部分へ移動させた後に30分間試料に熱を加えた。設定時間の経過後に、加熱炉を試料がある部分から元の位置に移動させ、加熱炉が完全に冷めた後に触媒を回収した。
20重量%Pt/C(HISPEC,A Johnson Matthey company)触媒0.1gをエチレンジアミン水溶液100mlと混合した後、75℃で8時間還流撹拌した。その後、前記触媒とエチレンジアミン水溶液が混合された懸濁液を減圧濾過装置を用いて蒸留水とエタノールで洗浄しつつ濾過した後、60℃オーブンで8時間乾燥させた。その後、粉末状態の触媒を回収した。乾燥した触媒はアルゴン気体雰囲気の加熱炉で2時間熱処理し、窒素がドープされた炭素材を含む保護層が1nm厚に形成されたPt/C触媒(ED treated 20% Pt/C)を製造した。
前記実施例1で炭素担体をCo-フタロシアニンでコーティングした後、前記Co-フタロシアニンでコーティングされた炭素担体にPtを担持させて触媒を製造した以外は、前記実施例1と同一にして触媒を製造した。
前記実施例1で製造された熱処理前のコーティングされた触媒の透過電子顕微鏡(TEM)写真を図7及び図8に示す。図7は、前記実施例1の田中社製のTEC10E50EをCo-フタロシアニンでコーティングした結果であり、図8は、高耐久性担体を実施例1と同一の方法によってCo-フタロシアニンでコーティングした結果である。
図11及び図12を参照すると、ヘテロ元素がドープされた炭素を含む炭素コーティング層の表面の全部又は一部に生成される炭素ナノ繊維、炭素ナノチューブ及びこれらの混合物からなる群から選ばれるいずれか一つがアルゴン-水素混合ガス下においてより直径が大きく、長さが長く、明確な形状で形成されることが確認できる。
アイオノマーとイソプロパノールを混合して製造された溶液に、前記実施例及び比較例で製造された触媒を添加し、超音波処理して電極形成用組成物を製造した。
この測定されたCV(Cyclovoltammetry)結果を図14に示し、前記ORR評価結果を図15に示す。
バイアルに水420重量部と前記実施例で製造された触媒100重量部を入れ、撹拌過程によって濡らして触媒中の気泡を除去した。
前記実施例1、実施例3及び比較例7で製造された触媒に対して、前記実験例3と同じ方法でCV(Cyclovoltammetry)を測定し、その結果を図16に示す。前記CVは、触媒を循環電圧電流法(Cyclovoltammetry,CV)を用いて測定した酸化-還元反応分極曲線を示したデータであり、具体的に、循環電圧電流法で0.6V~1.1V区間を10,000回及び20,000回だけ循環した後の酸化-還元反応活性度を測定した。
2:金属粒子
3:フタロシアニン、M-フタロシアニン及びこれらの混合物からなる群から選ばれるいずれか一つを含むコーティング層
4:ヘテロ元素がドープされた炭素を含む炭素コーティング層
5:炭素ナノ繊維、炭素ナノチューブ及びこれらの混合物からなる群から選ばれるいずれか一つ
20,20’:電極
30,30’:触媒層
40,40’:電極基材
50:イオン交換膜
100:膜-電極アセンブリー
200:燃料電池
210:燃料供給部
220:改質部
230:スタック
231:第1供給管
232:第2供給管
233:第1排出管
234:第2排出管
240:酸化剤供給部
Claims (15)
- 膜-電極アセンブリー用触媒であって、該触媒は、
担体と、
前記担体に担持された金属粒子と、
前記金属粒子及び担体の表面に位置し、炭化されたフタロシアニン(phthalocyanine)、炭化されたM-フタロシアニン(ここで、Mは遷移金属である。)及びこれらの混合物からなる群から選ばれるいずれか一つを含む炭素コーティング層と、を有し、
前記炭素コーティング層は、前記炭素コーティング層の表面の全部又は一部に炭素ナノ繊維、炭素ナノチューブ及びこれらの混合物からなる群から選ばれるいずれか一つをさらに含み、
前記金属粒子は、i)白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)からなる群から選択される少なくとも一つの白金系金属、ii)少なくとも一つの白金-M合金(前記Mは、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、ガリウム(Ga)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、ランタン(La)ロジウム(Rh)及びそれらの組み合わせからなる群から選ばれる)又は、iii)それらの少なくとも二つの混合物を含み、
前記金属粒子は、前記触媒の全重量に対して20重量%~80重量%で含まれている、
膜-電極アセンブリーの電極用触媒。 - 前記炭素ナノ繊維又は炭素ナノチューブの長さは50nm~5,000nmである、請求項1に記載の膜-電極アセンブリーの電極用触媒。
- 前記M-フタロシアニンの遷移金属であるMは、Fe、Co、Cu、Ti、Ni、Zn、Mn及びこれらの組合せからなる群から選ばれるいずれか一つである、請求項1に記載の膜-電極アセンブリーの電極用触媒。
- 前記炭素コーティング層の厚さは0.1nm~7nmである、請求項1に記載の膜-電極アセンブリーの電極用触媒。
- 前記炭素コーティング層の含有量は前記触媒の全重量に対して5重量%~30重量%である、請求項1記載の膜-電極アセンブリーの電極用触媒。
- 前記炭素ナノ繊維、炭素ナノチューブ及びこれらの混合物からなる群から選ばれるいずれか一つの含有量は、前記触媒の全重量に対して1重量%~10重量%である、請求項1に記載の膜-電極アセンブリーの電極用触媒。
- 第2の担体及び前記第2担体に担持された第2金属粒子を含む第2触媒をさらに備える、請求項1に記載の膜-電極アセンブリーの電極用触媒。
- 担体に担持された金属粒子と、フタロシアニン(phthalocyanine)、M-フタロシアニン(ここで、Mは遷移金属である。)及びこれらの混合物からなる群から選ばれるいずれか一つと、を混合して、前記金属粒子及び担体の表面に、前記フタロシアニン、M-フタロシアニン及びこれらの混合物からなる群から選ばれるいずれか一つをコーティングする段階を含み、
前記フタロシアニン、M-フタロシアニン及びこれらの混合物からなる群から選ばれるいずれか一つを熱処理してそれらを炭化させて炭素コーティング層を形成し、前記炭素コーティング層の全部又は一部から炭素ナノ繊維、炭素ナノチューブ及びこれらの混合物からなる群から選ばれるいずれか一つを成長させる、膜-電極アセンブリーの電極用触媒の製造方法であり、
前記金属粒子は、i)白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)からなる群から選択される少なくとも一つの白金系金属、ii)少なくとも一つの白金-M合金(前記Mは、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、ガリウム(Ga)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、ランタン(La)ロジウム(Rh)及びそれらの組み合わせからなる群から選ばれる)又は、iii)それらの少なくとも二つの混合物を含み、
前記金属粒子は、前記触媒の全重量に対して20重量%~80重量%で含まれている、
膜-電極アセンブリーの電極用触媒の製造方法。 - 前記混合は、前記担体に担持された金属粒子と、前記フタロシアニン、M-フタロシアニン及びこれらの混合物からなる群から選ばれるいずれか一つと、を固体状で、ボールミル、パウダーミキサー及び共鳴音響混合器からなる群から選ばれるいずれか一つを用いて混合することである、請求項8に記載の膜-電極アセンブリーの電極用触媒の製造方法。
- 前記共鳴音響混合器による混合は、前記担体に担持された金属粒子と、前記フタロシアニン、M-フタロシアニン及びこれらの混合物からなる群から選ばれるいずれか一つに、低周波音響エネルギー(low-frequency acoustic energy)を加えて共振混合(resonant vibratory mixing)することで行われ、
前記低周波音響エネルギーは、10Hz~100Hzの周波数を有し、
前記共振混合は、前記担体に担持された金属粒子と、前記フタロシアニン、M-フタロシアニン及びこれらの混合物からなる群から選ばれるいずれか一つに、10 G~100Gの加速度をかけて30秒~30分間行われる、請求項9に記載の膜-電極アセンブリーの電極用触媒の製造方法。 - 前記熱処理は、400℃~800℃で5分~60分間行われる、請求項8に記載の膜-電極アセンブリーの電極用触媒の製造方法。
- 前記熱処理は、アルゴン又はアルゴン-水素(H2-Ar)雰囲気で行われる、請求項8に記載の膜-電極アセンブリーの電極用触媒の製造方法。
- 請求項1による膜-電極アセンブリーの電極用触媒、及びアイオノマーを含む、電極。
- 相対向して位置するアノード電極及びカソード電極と、
前記アノード電極とカソード電極との間に位置するイオン交換膜と、
を備え、
前記アノード電極、前記カソード電極及びこれら両者からなる群から選ばれるいずれか一つは、請求項13による電極を含む、膜-電極アセンブリー。 - 請求項14による膜-電極アセンブリーを備える燃料電池。
Applications Claiming Priority (5)
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