JPS62163746A - 白金合金電極触媒およびそれを使用した酸電解質燃料電池用電極 - Google Patents

白金合金電極触媒およびそれを使用した酸電解質燃料電池用電極

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JPS62163746A JP61004717A JP471786A JPS62163746A JP S62163746 A JPS62163746 A JP S62163746A JP 61004717 A JP61004717 A JP 61004717A JP 471786 A JP471786 A JP 471786A JP S62163746 A JPS62163746 A JP S62163746A
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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】 口)1を架上の利用分野] 本発明は白金合金電極触媒およびそれを使用した酸電解
質燃料電池用電極に関する。
〔従来の技術〕
燃料電池は水素または炭化水素の如き燃料と酸素の如き
酸化剤とを、低電圧直流に直接変換する電気化学的装置
であり、一般に、燃料電極(アノード)、酸化剤電極(
カソード)、電極間の電解質。
および燃料と酸化剤流を、それぞれアノードおよびカソ
ードへ別々に導入する為の手段などから構成されている
かかる燃料電池の作動時には、燃料はアノードに供給さ
れ、電極触媒と接触し、電解質の存在下で酸化されて電
子を放出する。一方、酸化剤はカソードに供給され、同
じく電解質の存在下、電極触媒表面で還元され、その際
、アノードから外部回路を通じて電子を消費する。
このように、燃料電池においては、アノードおよびカソ
ードにそれぞれ電極触媒が必要とされる。
この電極触媒としては、周期律表第■族元素(Fc。
Ru、 Os)、第■族元素(Co、 Rh、 Ir)
および第X族元索(Ni、 Pd、 1et)のうち、
白金族金属と称される、白金、パラジウム、ロジウlz
、ルテニウム、イリジウ11およびオスミウムよりなる
群から選択された1種もしくは2種以上を組み合せたも
のが有用であることが見出され、実用に供されている。
その場合、これら金属を例えば導電性カーボンブラック
粉末のような導電性担体に分散担持せしめて触媒とし、
さらにこの触媒を例えばニッケルネット、防湿性グラフ
ァイト紙などの支持部材に固定することにより電極を構
成することが一般的である。
ところで、燃料電池の出力効率は、種々の要因によって
左右されるが、中でもカソード触媒の活性度および寿命
への依存性はとりわけ大きい0例えば酸素/水素型リン
酸燃料電池においては、カソードにおける酸素還元反応
の活性化分極が、アノードにおける水素酸化反応の活性
化分極に比べて桁違いに大きいことが知られている。上
述したような白金族金属を担持するカソード触媒を使用
した場合、電解質と酸素の存在下電池の作動状態で白金
族金属(例えば白金)の微結晶の凝集−粒子成長が進行
し、その結果、金属の活性表面積が著しく低減し、ニオ
しが電池出力および総合効率における損失を招く原因と
なる。
このような不都合を解消すべく、触媒の担持金属に関し
て種々の研究がなされており、例えば。
白金族金属と、バナジウム、タングステン、アルミニウ
ム、チタン、ケイ素、セリウム、ストロンチウム、クロ
ム等、主に周期律表の第■族〜■族の卑金属との合金(
米国特許第4,186,110号、4.202,934
号、4,316,944号参照)、さらに、これらのう
ちの白金−バナジウムあるいは白金−クロムに、コバル
トを加えた三成分金属合金(米国特許第4,447,5
06号)、および白金族金属とガリウムとの合金あるい
は白金族金属と鉄の超格子合金(特開昭60−794+
号、特開昭60−156551号参照)などの白金族金
属の合金を担持せしめてなる触媒が提案されている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、これらの触媒は、初期活性が充分であっ
ても比較的短期間のうちに活性低下を来したり、あるい
は、活性の長期安定性には優れているものの活性自体が
充分でないなど、必ずしも満足しうるちのではなく未だ
改良の余地が残されていた。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、前述した従来技術の問題点を解決し、前記要
請に応えるものとして、40〜80原子%の白金(Iに
)、10〜40原子%の鉄(Fe)およびlO〜40原
子%の原子用ト(Co)を含有する白金−鉄−コバルト
(PL−Fe−Co)合金が担体に分散担持されてなる
ことを特徴とする白金合金電極触媒、および該触媒と該
触媒を支持する導電性であり、しかも耐酸性の支持部材
とからなることを特徴とする酸電解質燃料電池用’、i
i画を提供するものである。
まず2本岱明の白金合金電極触媒は、PL−Fe−C。
三成分合金よりなる担持金属と、これを担持する担体と
から構成される。担持金属中の白金、鉄。
コバルトの組成については、鉄およびコバルトが原子比
で約10原子%未満の場合は、これらの成分の添加効果
が顕著に呪われず、白金jn独の触媒値か、せいぜい白
金−鉄または白金−コバルトの二成分合金触媒程度の性
能しか示さない。また鉄またはコバルトの原子比が、 
40原子%を超える場合、あるいは、残部白金の組成が
40原子%未滴の場合は、白金と合金化しうる鉄あるい
はコバルトの比率が低下し、触媒上には、三成分合金以
外の鉄および、コバルトの化学種が残留し、添加の効果
よりもむしろ触媒活性に対する阻害効果が認められるよ
うになる。
そして、このPt−Fe−Co合金は、30rrr/g
以上、さらには、60n(7g以上の表面積を有する高
分散状態で担持されることが好ましい。30+n’/g
未満では、合金単位重量当りの活性が不十分であり、経
済的ではない。
一方、かかる合金を担持する担体材料としては導電性炭
素材料が好適であり、例えば、導電性カーボンブラック
、アセチレンブラック、グラファイト、タングステンカ
ーバイドなどをあげることができる。具体的には、Ca
bot社の商品名VulcanXC−121<、 XC
−72またはColumbian Chemicals
社の商品名Conductex 975として市販され
ている導電性カーボンブラック、あるいは、Gulf 
Oi1社の商品名Shaiijnigan Black
として市販されているアセチレンブラックなどである。
Vulcan XC−72やConducL;ex 9
75等は、不活性ガス雰囲気下または真空中で高温加熱
処理を施すことにより部分的にグラファイト化処理を施
し高温の電解質と酸化剤が共存する条件下における電極
触媒担体としての耐蝕性を向上させることが望ましい。
これらの担体材料は、一般に約60〜250rn’/g
の表面積、および約0.1〜50ミクロンの粒度を有し
ている。
かかる本発明の白金合金電極触媒において、pt−Fe
−Co合金の担持量は、通常、担体と合金の総重量に対
し、0.1〜30重量%、好ましくは5〜15重量%に
設定される。
担持量が30重量%を超える場合は、相対的に合金の分
散状態が悪くなり、合金の使用散が増す割には、性能の
向上がなく、担体を用いる経済上の利点も低下する。ま
た、逆に担持率を極端に低くしても、合金の分散度には
上限があり、これを超えると単位触媒型1逢当りの活性
は低下する為、多量の触媒が必要となり、いずれにして
も好ましくない。
本発明の白金合金電極触媒は例えば次のようにして製造
される。
すなわち、まず、導電性カーボンブラック粉末のような
粉末状の担体材料を上記合金を構成する各成分金属の化
合物を含む水溶液もしくは水系懸濁液(スラリー)と接
触させ、各金属化合物を担体上に含浸もしくは吸着させ
る。ついで、適当な還元剤の存在下で加熱処理すること
により、金属化合物を金属に還元せしめる。白金化合物
としては2価あるいは4価の塩化白金酸、塩化白金酸塩
、可溶化された11□Pt(011)6などの酸もしく
は塩を使用することができる。また、鉄化合物としては
、塩化第一鉄、塩化第二鉄、硝酸第一鉄、硝酸第二鉄、
硫酸第一鉄、硫酸第二鉄などが、コバルト化合物として
は、塩化コバルト、硝酸コバルト、硫酸コバルトなどが
それぞれあげられる。
なお、これらの金属化合物を担体に担持せしめるにあた
り、Pt、 FeおよびCOの3種の化合物の混合溶液
による3成分同時担持法を適用してもよいが、まず、p
tのみを担持せしめた担持白金触媒を製造し、しかるの
ち、FeおよびCoを同時に、またはFeを担持せしめ
たのちにcoを、あるいはその逆にCoを担持せしめた
のちにFeを担持せしめる段階的担持法を適用すること
が有利である。
一般に、白金が他の金属元素と合金化すると、白金の格
子定数が変化する。格子定数の変化は、X線回折法にて
、回折ピークの位置のシフトにより検知される。本発明
において、白金が鉄およびコバルトと合金化すると、合
金の格子定数は、白金の面心立方格子の格子定数d =
3.923人 から、鉄の面心立方格子(鉄は常温では
、体心立方構造を示すが高温での面心立方構造の格子定
数から外挿して)の格子定数d =3.72人、または
コバル1〜の面心立方格子の格子定数d:=3.555
人へ、向けて組成に応じてシフトする。
合金化処理に必要な温度および時間は、主に、前記のご
とく成分金属またはそれらの化合物を担持させた触媒前
駆体−にの各金属または化合物の粒子径と分散度に依存
する。粒子径が小さく、高分散の場合、600℃程度で
もある程度合金化が進むが、十分な合金化には900℃
程度の温度が必要である。本発明の組成範囲のPt−F
e−Co合金は、その望ましい合金化度合において、お
よそd =3.76〜3.86人範囲の格子定数を有す
る。
ついで、かかる白金合金電極触媒を使用した本発明のM
電解質燃料電池用電極について述べる。
この燃料電池用電極は、Pt−Fe−Co合金触媒を防
湿性グラファイト紙やニッケルネットなどの導電性支持
部材上に、耐酸性および防湿性のバインダー、例えばポ
リテトラフルオロエチレン、ポリフルオロエチレンプロ
ピレン、トリフルオロアルコキシポリエチレン等のポリ
マーにより支持結合してなるもので、とくに、#電解質
燃料電池、更にはリン酸燃料電池のカソードとして有用
なものである。
前記のバインダーは、触媒層を導電性支持部材に結着さ
せるとともに、電解質中で′電極に水素や酸素のような
反応物ガスに対する透過性を与え、気・液・固の三相界
面を形成させるために必要である。
本発明の電極は次のようにして製造される。
すなわち、まず、上記と同様にしてPt−Fe−Co合
金触媒を製造し、ついで、この触媒をポリテトラフルオ
ロエチレン懸濁液(例えばDu Pont社の商標TE
FLONとして市販されているもの)またはその、他の
耐酸性ポリマー材料よりなるバインダーと混合して均一
なIvA濁液とする。一方で、同様の耐酸性ポリマー材
料により予め防湿化処理された支持部材を用意し、この
上に、上記触媒−バインダー懸濁液を濾過−吸引法また
はスプレー法などにより沈積し、空気中で焼成すること
により製造される。
Pt−Fe−Co合金は、電極支持部材上に、触媒的に
有効な址だけ存在することが好ましく、これは一般に支
持部材の幾何学的表厘積/−当たりPt−Fe −Co
合金約0.1〜2mgの範囲であり、好ましくは約0.
2〜1mg/aJ、更に好ましくは約0.3〜0.7m
g/co?である。
〔実施例〕
以下1本発明を実施例により具体的に説明する。
製造例1 110rn’/gの表面積を有する熱処理済導電性カー
ボンブラック(Caboj、νulcan XC−72
R) 81gを、氷酢酸4.0gを含有する脱イオン水
1500g中でスラリー化した。白金9.0gをH,P
t(OH)、として、全量600gの水溶液中にアミン
と共に溶解させた。炭素スラリーを攪拌しながらそれに
白金溶液を添加した後、5%のギ酸50gを還元剤とし
て徐々に添加しながらスラリ一温度を約95℃まで徐々
に上昇させ、次いで95℃に30分間保持した後、室温
まで放冷し、濾過し、脱イオン水で洗浄し、濾過固形物
を窒素気流中95℃で16時間乾燥させた。このように
して製造された10重量%の白金を含有する炭素担持白
金触媒(C−1”とする。)(11印は比較例であるこ
とを示す。以下、同じ。)は120m/gの金属表面積
を有するものであった。
製造例2 担持Pt−Fe−Co合金触媒の製造(鉄−コバルト共
沈法)製造例1の担持白金触媒(C−1”) 50gを
蒸留水1000m12中に分散させてスラリーとし、硝
酸鉄(m)として0.72g の鉄と、硝、酸コバルト
(■)として0.79gのコバルトを含有する水溶液1
50gを十分攪拌しながらスラリーに添加した後、ヒド
ラジン希釈水溶液をゆっくり滴下しながらスラリーのp
Hを8.0に調節した。1時間攪拌、保持し、鉄および
コバルトの化学種を担持白金触媒上に吸着担持させた後
、スラリーを濾過し、固体を窒素中95℃で乾燥した。
次いで7容量%の水素(残部窒素)ガス気流中で900
℃、1時間熱処理することにより、炭素担持Pt−Fe
−Co合金(原子比2:l:l)触媒(C−2)を得た
Pt−Fe−Go三成分合金の生成は、X線回折法にて
白金単味の触媒で白金の面心立方格子定数d=3.92
3人 が、[)t−F’e−Co合金の生成に伴ないd
=3.817人ヘシフトすることにより確認された。結
晶粒子径は35人であった。また、透過電子顕微鏡とエ
ネルギー分散微少部分析計を組み合わせた分析透過電顕
tm?Xにより、三成分合金粒子の組成が、白金:鉄:
コバル1へ原子比2:1:1であることを確認した。
製造例3 製造例2において、硝酸鉄(m)として0.72 gの
鉄のみを担持させた点以外は、製造例2に従って、担持
PL−Fe合金触媒(C−3”)を製造した。X線回折
により結晶粒子径33人、格子定数d =3.866人
のPt、Fe超格子合金の生成を確認した。
製造例4 製造例3の、担持Pt−Fe合金触媒を前駆体として、
製造例2において、硝酸コバルト(TI)として0.7
9 gのコバルトのみを担持させた点以外は、製造例2
に従ってPt−Fa−Co合金触媒(C−4)を製造し
た。
X線回折により結晶粒子径34人、格子定数d=3.8
27人のPt−Fe−Co合金の生成が確認された。
製造例5 製造例2において硝酸鉄(m )と硝酸コバルト(11
)の仕込重址を種々変えて、PL:Fe:Coの原子比
が4:1:1.3:1:1.3:2: 1、および2:
I:2であるPL−Fe−Co合金触媒(各々、C−5
、C−6,C−7およびC−8とする)を製造した。
これらの合金の格子定数はd =3.812〜3.86
1人の範囲であった。
製造例6 製造例2において、硝酸コバルト(■)として0.79
 gのコバルトのみを担持させた点以外は製造例2に従
ってPt−Co合金触媒(C−9”)を製造した。
X線回折により結晶粒子径32人、格子定数d=3.8
76人のPt−Co合金の生成が確認された。
製造例7 製造例2において硝酸鉄(Ill)と硝酸コバルト(I
I)の仕込み重量を種々変えてPt : Fe : C
oの原子比が9:1:1.8:4:1および1:l:1
であるPL−Fe−Co合金触媒(各々、C−10”、
C−11”、C−12”とする)を製造した。これらの
合金の格子定数はC−1o”がd =3.883人、C
−tげがd =3.839人、C−12”がd=3.7
77人であった。
製造例8 製造例2において、硝酸クロム(III)として0.5
5gのクロムを担持させた点以外は、製造例2に従って
Pt−Cr合金触媒(C−1,3”)を製造した。
X線回折により結晶粒子径35人、格子定数d=3.8
66人のPt−Cr合金の生成が確認された。
製造例9 製造例2において、硝酸クロム(m)として0.55g
のクロムと、硝酸コバルト(II)として0.79gの
コバルトを担持させた点以外は製造例2に従って、Pt
−Cr−Co合金触媒(C−14°)を製造した。
X線回折により結晶粒子径36人、格子定数d=3.8
27人のPt−Cr−Co合金の生成が確認された。
実施例1〜6、比較例1〜8 (1)電極の製造 上記した製造例1〜9により得られた触媒c−i”〜C
−14” をそれぞれ、ポリテトラフルオロエチレン水
系懸濁液(Dupone TEFI、ON@ TF!F
−30)の中に超音波で分散させた。この混合懸濁液に
三塩化アルミニウムを添加することにより綿状の固まり
を凝集析出させた。この乾燥重量基準で50%の触媒と
50%のポリテトラフルオロエチレンを含む綿状の固ま
りを、予めポリテトラフルオロエチレンで防湿化された
グラフアイ1−紙の支持部材上に担持させ、プレスした
後乾燥させ、空気中350℃で15分間焼成し、電極を
得た。得られた電極(E−1〜E−14とする)は電極
単位面積1a(当たり0.5mgの白金を含むように調
整された。
(2)空気極半電池試験 105%リン酸を電解質とし200℃にて、空気をGO
OmQ/min通じながら空気極半電池特性をE−11
〜E−149の各電極について測定した。
電流密度200mA/ ciにおける内部抵抗無しの半
電池電圧(対水素基準電極)を第1表に示す。表から約
40〜80原子%の白金と約lO〜40原子%の鉄およ
び約lO〜40原子%のコバル1〜を含有する本発明の
実施例であるPt−Fe−Co合金触媒からつくられた
電極E−2、E−4、IE−5、トロ、E−7およびI
E−8は、白金単独の触媒からつくられた電極E−げや
、Pt−Fe合金触媒の電極ト3*、Pt−Co合金触
媒の電極IE−9”。
さらには、Pt−Cr−Co三成分合金触媒の電極E−
14”に比較して、少なくとも8mV高い電位を示し、
特に、Pt : Fe : Coの原子比2:1: l
のPL−Fe−Co合金触媒の電t4E−2およびE−
4は、コバルトを添加しないPt−Fe合金触媒の電極
IE−3に比べて25〜35mVもの高活性を示した。
なお、白金に対するコバルトのみの添加(E−9°)は
活性促進にそれほど効果がないこと、また鉄およびコバ
ルトの組成が、それぞれ10原子%を切る場合(E−t
oo)や、白金:鉄の原子比2:1のPt−Fe合金に
コバルトを10原子%未満と少量しか添加しない場合(
E−11”)は、第三成分の添加の効果がないこと、ま
たは、 PL−Fe−Co合金中の、白金の組成が40
原子%未満で、鉄およびコバル1への組成が各々30原
子%以上と多すぎる場合(E−12”)も、かえって活
性が低下することが確認された。
第1表 ;(U式粍例I  C−2Pt−Fe−Go/C50:
 25 : 25      785II 2 E−4
Pt−Fe−Go/C50:25:25 795// 
3 E−5Pt−Fe−Go/C67:17:17 7
70〃4 E−6Pt−Fe−Go/C60:20:2
0 772II 5 E−7Pt−Fe−C5/C50
:33:17 775+/ 6 E−8Pt−Fe−G
o/C40:20:40 770比幡」会!Ill  
E−1’   Pt/C740n 2 E−3” Re
−Fe/C77:33  760# 3 E−9” P
t−Go/C77:33  745// 4 E−10
” Pt−Fe−Co/C82: 9: 9 749I
I 5 E−11” PL−Fe−Go/C62:31
: 7 760II6E−12”PlニーFC−Co/
C34:33:33760n 7 E−13” Pt−
Cr/C77:33  754+/ 8 E(4IPt
−Cr−Co/C50:25:25 762(注)/C
は担体がカーボンブラックであることを示す。
実施例7、比較例9.to(単電池試験)電極E−19
をアノードとし、電極ト19、E−3°、E−4をそれ
ぞれカソードとして、実験用燃料電池単電池を組み立て
、190℃において水素および空気をそれぞれアノード
およびカソードに供給しながらリン酸を電解質として、
 160mA/aJの電流密度で運転し、200時間後
の内部抵抗なしの端子電圧を測定、比較した。結果を第
2表に示す。このようにPt−Fe−Co合金触媒は、
単電池試験でも、白金単独の触媒に比べては勿論のこと
、Pt−Fe合金触媒に比べてもすぐれた性能を示すこ
とが確認された。
また、各単電池試験における電流−電圧曲線から一定電
圧750mVにおける電流密度を比較すると、カソード
[E−3”の場合120mA/ad、カソードE−4の
場合160mA/altであり、これは、Pt−Fe−
Co合金触媒のカソードを用いる燃料電池がPt−Fe
合金触媒のものに比べて、一定効率の下で33%もの出
力密度の向上が得られることを意味する。
第2表 実施例7   E−4Pt−Fe−Co/C750比較
例9   E−1’   Pt/C680rr  10
   [E−3”   Pt−Fe/C734(注)/
Cは担体がカーボンブラックであることを示す。
実施例8,9、比較例11〜15(触媒安定度試験)1
05%のリン酸1.60mQ中に触媒(C−2)2.0
gを分散させたスラリーを空気流通下200±0.5℃
で、毎分200回転の撹拌棒で十分に1景拌、混合しな
がら5時間保持した。室温まで放冷後、純水で希釈し濾
過洗浄し、濾液への白金の溶出量を分析した。また、乾
燥後の触媒残渣の白金または合金粒子径をX線回折法で
調べた。同様の試験を触媒C−]、C−3°、C−4、
C−9*、C−13”、C−14”についても行なった
結果を第3表に示す。
第3表 実施例8  C−2Pt−Fe−Go/Cl     
 35   35n 9 C−4Pt−Fe−Go/C
l   34 34比較例11  C−1”  Pt/
C3023110// 12 C−3” Pt−Fe/
C1,53343n 13 C−9” Pt−Co/C
4323!]II 14 C−13” PL−Cr/C
83548n 15 C−14” PL−Cr−Co/
C53637上記における触媒の200℃における加熱
リン酸スラリーの空気雰囲気下5時間攪拌の条件は、そ
の触媒の焼結度合に支える影響において、通常の燃料電
池作!PIJ条件での3000〜4000時間に対応す
るものと考えられる。本発明のPt−Fe−Co合金触
媒においては、白金単独の触媒に比べては勿論のこと、
Pt−Fe合金触媒や、Pt−Cr−Co合金触媒に比
べても、白金の溶出および白金(または合金)粒子の焼
結の両方が抑制されていることがわかる。
実施例10.11.比較例16〜19(電極安定性試験
)電極E−1”、 E−2、E−3*、E−4,E−1
3”、E−14”のそれぞれを、105%リン酸100
mQを含有する加速エージング試験の中に浸漬し、雰囲
気を純窒素ガスでパージしながら、水素参照電極に対し
プラス700mVの一定電位を負荷しながら、200℃
、50時間保持した後、白金(または白金合金)の表面
積を測定した。結果を第4表に示した。
第4表 実施例10  E−2Pt−Fe−Co/C90626
9n 11 E−4Pt−Fe−Co/C825870
比較例16  E−1”  Pt、/c     12
0    48    40ノr1.7E−3”Pt−
Fe/C815062n 18 E(3” Pt−Cr
/C965557tJ 1.9 E−14” Pt−C
r−Co/C77516にのようにカソードとしての加
速エージング試験においても、Pt−Fs−Co合金触
媒の電極は、白金単独の触媒の電極に比べては勿論のこ
と、Pt−Fe合金触媒やPt−Cr−Co合金触媒の
電極に比べても明らかに高い安定性を示すことが確認さ
れた。
〔発明の効果〕
以上の説明から明らかなように、本発明の白金合金電極
触媒は第1にそれ自身の安定性が非常に高く、活性の高
いものであるとともに、かかる触媒を使用した電極、と
くに酸電解質燃料電池のカソードとしての性能が従来の
白金単独の触媒または白金合金触媒を使用したものに比
べ、長期安定性を有することはもちろん、一定効率の下
での出力にして30%以上向上していることが確認され
た。
したがって、かかる電極を使用した電池、とくに酸電解
質燃料電池は高性能、長寿命で、極めて経済的なものと
なるためその工業的価値は高い。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、40〜80原子%の白金、10〜40原子%の鉄お
    よび10〜40原子%のコバルトを含有する白金−鉄−
    コバルト合金が担体に分散担持されてなることを特徴と
    する白金合金電極触媒。 2、40〜80原子%の白金、10〜40原子%の鉄お
    よび10〜40原子%のコバルトを含有する白金−鉄−
    コバルト合金が担体に分散担持されてなる白金合金電極
    触媒と、該触媒を支持する導電性かつ耐酸性の支持部材
    とからなることを特徴とする酸電解質燃料電池用電極。
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