JPS618851A - 燃料電池及びそのための電解触媒 - Google Patents

燃料電池及びそのための電解触媒

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JPS618851A
JPS618851A JP60121610A JP12161085A JPS618851A JP S618851 A JPS618851 A JP S618851A JP 60121610 A JP60121610 A JP 60121610A JP 12161085 A JP12161085 A JP 12161085A JP S618851 A JPS618851 A JP S618851A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は燐酸電解質燃料電池の負極(cathode)
に・おいて特に有用な改良触媒に関するものである。
さらに詳細には、本発明は熱濃燐酸中で向上した活性及
び/又は安定性を有する白金の三元合金である熱料電池
用の電解触媒に関するものである。
燃料電池は燃料と酸化体の間の化学反応の間のエネルギ
ーを直接に低電圧の直流電気に変換する装置である。効
率的な燃料電池を得るためには、燃料と酸化体の反応が
、熱として散逸するエネルギーの量をできる限り僅かな
ものさするような具8、。1.、ゆ6゜ゆ。□614゜
。ヤよい   シ:1 が、実用的な大きさの電池から経済的に十分な電流を生
じさせるために十分な程度に高いことも才た必要である
。現在もっとも効率的で商業的に可能な燃料電池は、約
175〜205℃の範囲の温度で操作する燐酸電解質を
用いるものである。その結果として、電池の電極におい
て生じる反応を促進するためlこ、燐酸電解質燃料電池
の正極(anode)または負極のどちらかにおいて使
用するための電解触媒の開発に、大きな努力がはられれ
ている。燃料電池の電極中の貴金属触媒の量、すなわち
、白金含有率を低下させようとする努力もまた、行なわ
れている。燐酸燃料電池の性能のいっそうの改善は、電
池中のIR及び拡散損失を低下させることによって達成
された。かくして、1965〜1976年の間に、燃料
電池負極中の貴金属触媒含有率は、活性電池面積のc1
n2当り約20M1から0.75叩に低下した。196
5〜1976年の同じ期間の間に、特に電解触媒に関す
るものではなく、技術的又は工学的な改良から、大きな
向上がもたらされた。1976年から現在に至る間に、
たとえばジャランにより米国特許第4、186.110
号、4,192,907号及び4,137、373号中
に記されているように、扁度に分散させた白金合金を用
いることによって、燃料電池負極の活性と安定性の実質
的な向上が達成された。
これらの特許によれば、たとえば白金−バナジウムのよ
うな二元合金は、特定の活性基準について白金よりも5
倍も活性であることが認められている。その上、白金−
炭素電解触媒においで、向上した活性と安定性が実証さ
れた。商業的な燃料電池における更に大きな実用性を提
供するためには、定格電力当りのコストが低下した燃料
電池を提供するように、電解触媒の活性、安定性及びコ
ストにおける更に大きな改善を達成する必要がある。
かくして、本発明の一目的は、従来から公知の触媒より
も大きな活性及び/又は安定性を有している燐酸電解質
燃料電池の負極において特に有用な電解触媒を提供する
こ(!:/こある。
本発明の別の目的は、従来から公知の電解触媒に匹敵す
るか又はそれよりも大きな活性を有しながら、公知の触
媒よりも安価な電解触媒を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、同じ活性に対して比較的低
い触媒含有率の使用を可能とする電解触媒を提供するこ
とにある。
本発明のこれらの目的及びその他の目的は以下の説明か
ら明白となるであろう。
本発明の目的は白金(pt )及びクロム(Cr)、コ
バルト(CO)、ニッケル(Ni)、セリウム(Ce)
、炭素(C)、燐(P)、ひ素(As )及びほう素(
B)を包含する少なくとも2種の非貴金属又は非金属を
含有する三元合金触媒を提供する゛ことによって達成す
ることができる。特に有効な三元電解触媒はPt−Cr
 −C、Pt−Cr−Ce及びpt−C0−Ni  の
合金である。燐酸電解質燃料電池の負極中で使用すると
きのこれらの三元合金電解触媒は、非合金化白金と比較
して大きな酸素活性及び安定性を実現する。すなわち、
これらの三元合金電解触媒は、ハル力y (Vulca
n)XC−72(カーボl        ンブラック
の1種)上に担持した同一の触媒装填量において同一条
件下に使用するときに、標準的な白金/パルカンXC−
72電解触媒と比較して200 Ma /cm2におい
て少なくとも約25mVの性能向上を与える。パルカン
XC−72は燃料電池における触媒のための担体として
一般的に使用される公知のカーボンブラックである。パ
ルカンXC−72はカボット社(Cabot Corp
orat−ion )  マザチューセツツ州ボストン
、により市販されている。電解触媒の活性と安定性が向
上するばかりでなく、非合金化白金と比較して電解触媒
の価格もまた実質的に低下する。
この三元合金電解触媒の向上した活性に対する理由は完
全には明らかでない。しかしながら、向上した活性及び
安定性は、非貴金属元素を白金と共に合金化して、非合
金化白金電解触媒における最近接距離よりも低い合金中
の白金−白金原子間距離を有する多金属合金を形成させ
るというように、合金の低い格子常数の結果であると考
えることができる。何れにしても、この三元合金は、非
合金化白金よりも、且つ才た濃燐酸電解質中にお   
    1゜ける高い酸素活性及び良好な安定性を有す
ることが報告されている、たとえば白金−クロム合金の
ような二元白金合金よりも、予想外に向上した窒熱濃燐
酸中における酸素活性及び安定性を示すということが見
出された。
以下の実施例において、部数はすべて重量による。本発
明に従がって、好適実施態様に記すような炭素担体上の
微細な分散物としての形態を含む、通常用いられるどの
ような方法によっても、三元合金電解触媒を燃料電池中
で使用することができる。傷奪運禰味H1賽鰺算弄燃李
1蹟−ザ失鉢弥牛で葉椙悼寺寺≠※て椿4矛電解触媒は
燐酸電解質燃料電池中の負極中で使用するために特に適
しているけれども、たとえば電解槽(electrol
ytic(elf)中で電気化学反応が生じるその他の
系においても、この電解触媒を有利に使用することがで
きるということも認められている。さらに、2種の非貴
金属元素に対する白金の比率は、広い範囲にわたって変
えることができる。しかしながら、白金は電解触媒三元
合金の約50〜99%を占め、従って非貴金属元素は約
1〜50%を占めていることが好ましい。最高の性能特
性は白金が60〜80%の量で存在し、非貴金属元素が
20〜40チの量で存在しているときに達成される。
実施例1 3000ばの蒸留水中で2.91 fiのNi (NO
3)2−6H,0,2,91gのCo(Nos)、、−
6H,0及び1、、68 gの結晶性尿素から、溶液を
調製する。炭素上の10%白金3’J!?(Pt 3.
9.!1l=0.02モル)を加え、超音波を使用して
15分間混合する。
この溶液を、撹拌機、凝縮器、温度計及びpHプローブ
を備えた3000ilのフラスコ中に入れる。
次いで溶液をpHが6.5となるまで、沸とう下に加熱
する。生成したスラリーを沢過する。固体を1、OAの
水を用いて3回洗浄する。洗浄した固体を100メツシ
ユのニッケルふるいを用いてふるったのち、900℃で
処理して三元電解触媒を与える。取得した電解触媒を次
いで常法によりテフロン結合電極へと加工する。
実施例2 クロムの酸化物をカーボンブラック上に担持した白金上
に沈殿させ、次いでカーボンブラックを不活性又は還元
性〆囲気下に900℃に加熱して合金化する。冷却後に
、白金−クロムの二元合金上にセリウムの塩を沈殿させ
たのち、不活性又は還元性の雰囲気下に900℃に加熱
してPt−Cr−Ce  の三元合金を与える。取得し
た担持電解触媒を次いで通常の方法を用いてテフロン結
合した電極へと加工する。
実施例3 カーボンブラック上に担持した担持Pt−Cr二元電解
触媒を、上記実施例2におけると同様にして調製する。
然るのぢ、Pt−Cr触媒を一酸化炭素の気流中で35
0℃において熱処理し、次いで窒素気流中で900℃に
おいて熱処理することによってP t −Cr−Cの三
元合金触媒を調製する。かj         <して
得た触媒を、合金化についてX線回折により且つ粒径に
ついて電子顕微鏡によって特徴付ける。この電解触媒を
テフロン結合した気体拡散電極へと加工する。
実施例1〜3において試製した宵1極の活性と安定性を
、熱旋燐酸電解質燃刺電池中の負極として評価する。燃
料電池を標準的な白金/パルカンXC−72担体正極及
び空気を用いで、燃料としての水素について動作させる
。比較として標準的な白金/パルカンXC−72和休を
使用1′る燃料電池の、完全な燃料電池性能をy1表中
に示す。
比較例 本発明の三元P t −N ’(−Co触媒の性能をp
t−Ni及びPt−Co二元触媒と比較するために実施
例1〜40基本的手順を繰返す。結果は次のとおりであ
る。
Pt−Ni        728   660Pt−
Co     788  735        fP
t−Ni −Co     B g 1   740こ
の技術分野の熟練者には明白であるように、上6己の説
明の範囲内で種々の変更を行なうことができる。この分
野の熟練者の能力内にあるそのような変更は本発明の部
分を形成し、特許請求の範囲内に含すれる。
特許出願人 ガイナー・インコーホレーテッド リA1

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、燐酸電解質及び導電性の基質と該基質上に配置した
    電解触媒を含有する負極を包含する燃料電池にして、該
    電解触媒は白金及び少なくとも2種の白金よりも劣位の
    元素(less nobleelments)の三元合
    金を含有し、該合金は同一条件下における非合金化白金
    電解触媒と比較して高い、200mA/cm^2の電流
    密度において少なくとも25mVの酸素の還元に対する
    接触活性を有していることを特徴とする、該燃料電池。 2、該基質は炭素担体を包含することを特徴とする特許
    請求の範囲第1項記載の燃料電池。 3、該劣位の元素はクロム、セリウム、コバルト、ニッ
    ケル及び炭素から成るグループから選択することを特徴
    とする特許請求の範囲第1項記載の燃料電池。 4、白金の三元合金はPt−Cr−Cの合金であること
    を特徴とする特許請求の範囲第1項記載の燃料電池。 5、白金の三元合金はPt−Cr−Ceの合金であるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の燃料電池。 6、白金の三元合金はPt−Co−Niの合金であるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の燃料電池。 7、該2種の劣位の元素は共に金属であることを特徴と
    する特許請求の範囲第1項記載の燃料電池。 8、該2種の劣位の元素は共に非金属であることを特徴
    とする、特許請求の範囲第1項記載の燃料電池。 9、該2種の劣位の元素の中の一方は金属であり且つ他
    方は非金属であることを特徴とする特許請求の範囲第1
    項記載の燃料電池。 10、白金及び少なくとも2種の白金よりも劣位の元素
    の三元合金を含有し、該合金は同一条件下における非合
    金化白金電解触媒と比較して高い、200mA/cm^
    2の電流密度において少なくとも25mVの酸素の還元
    に対する接触活性を有していることを特徴とする、酸素
    の還元のための電解触媒。 11、劣位の元素はクロム、セリウム、コバルト、ニッ
    ケル及び炭素から成るグループの一員であることを特徴
    とする、特許請求の範囲第10項記載の電解触媒。 12、白金の三元合金はPt−Cr−Cの合金であるこ
    とを特徴とする、特許請求の範囲第10項記載の電解触
    媒。 13、白金の三元合金はPt−Cr−Ceの合金である
    ことを特徴とする、特許請求の範囲第10項記載の電解
    触媒。 14、白金の三元合金はPt−Co−Niの合金である
    ことを特徴とする、特許請求の範囲第10項記載の電解
    触媒。 15、該2種の劣位の元素は共に金属であることを特徴
    とする、特許請求の範囲第10項記載の電解触媒。 16、該2種の劣位の元素は共に非金属であることを特
    徴とする、特許請求の範囲第10項記載の電解触媒。 17、該二種の劣位の金属の中の一方は金属であり且つ
    他方は非金属であることを特徴とする、特許請求の範囲
    第10項記載の電解触媒。
JP60121610A 1984-06-07 1985-06-06 燃料電池及びそのための電解触媒 Pending JPS618851A (ja)

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