JPWO2007011004A1 - 固体高分子形燃料電池用耐co被毒多成分系電極触媒 - Google Patents
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Abstract
Description
定置型の固体高分子形燃料電池に供給する水素源として、炭化水素を改質処理して得られる水素ガス(改質ガス)が用いられることがあるが、この改質ガス中には副反応物として微量の一酸化炭素(CO)が含まれることが知られている。このCOが電極として使用される白金触媒表面に強く吸着することにより被毒し、白金の水素酸化触媒作用が阻害されるという問題があった(M.Watanabe,S.Motoo,J.Electroanal.Chem.,60,267(1975).)。
従来、このようなCO被毒を防ぐために、耐CO被毒性の電極触媒としてPt−Ru二元系合金が使用されてきた。しかしながら、一般的には、CO濃度の上限は200ppm程度であり、耐CO被毒性としてはいまだ不十分であった。このため、Pt−Ru二元系合金を使用した電極触媒を用いる場合に、改質ガス中のCO濃度を低減させるシフト反応ど選択酸化反応のユニットが必要となり、これが定置型燃料電池の高コストの大きな原因を占めていた。
本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、Pt−Ru二元系合金とともに、所定の酸化物とPdとを含有する多成分系触媒を固体高分子形燃料電池用電極触媒として用いることにより、耐CO被毒性が飛躍的に向上し、もって%オーダーのCOが共存してもほとんど劣化しない電極触媒が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
また、Pt−Ru二元系合金におけるPtとRuを所定範囲の含有比率とすることにより、耐CO被毒性が飛躍的に向上し、もって%オーダーのCOが共存してもほとんど劣化しない電極触媒が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明では、第1の触媒及び第2の触媒を有し、第1の触媒が、SnO2またはTiO2である酸化物と、Pdと、Cとを含み、第2の触媒が、Pt及びRuを含有する合金と、Cとを含み、Ruの含有量がPtに対して25〜75重量%であることを特徴とする、燃料電池用触媒が提供される。
本発明において、前記酸化物が超微粒子であることが好ましく、前記SnO2の平均粒子径が2nm〜5nmであり、前記TiO2の平均粒子径が3nm〜15nmであることがさらに好ましい。
また、本発明において、第1の触媒が、SnO2又はTiO2とPdとの超微粒子を炭素担体に担持してなり、第2の触媒が、Pt及びRuを含有する合金の超微粒子を炭素担体に担持してなることが好ましい。
また、本発明において、第1の触媒と、第2の触媒との重量比が、1:0.5〜1:2であることが好ましい。
また、本発明において、第1の触媒において、酸化物と、Cとの重量比が、1:3〜1:8であり、Pdと、Cとの重量比が、1:3〜1:8であることが好ましく、第2の触媒において、Pt及びRuを含有する合金と、Cとの重量比が、1:0.5〜1:2であることが好ましい。
また、本発明では、カソード電極及びアノード電極のうち少なくとも一方の電極が、本発明にかかる燃料電池用触媒を含むことを特徴とする、燃料電池が提供される。
本発明によれば、耐CO被毒性が飛躍的に向上した燃料電池用触媒が得られる。この触媒は、%オーダーのCOが共存してもほとんど劣化しないため、定置型燃料電池のコストダウンに貢献し得る。
第2図は、Pt−Ru/C触媒あるいはPd/SnO2/C+Pt−Ru/C触媒を用いた固体高分子形燃料電池の電流−電圧測定結果を示すグラフである。
第3図は、Pd/C触媒あるいはPd/SnO2/C触媒を用いた固体高分子形燃料電池の電流−電圧測定結果を示すグラフである。
本発明において、第1の触媒は、SnO2またはTiO2である酸化物と、Pdと、Cとを含む。
本発明において、第1の触媒中に含まれるCとしては、通常燃料電池用触媒に使用される炭素担体を特に制限なく挙げることができる。たとえば、Cabot社製Vulcan XC−72Rなどを使用することができる。
本発明において、第1の触媒中に含まれる酸化物は、貴金属のCO吸着性能に効果的に影響を与え、また、担体としての酸化物の性質を有する大きさであるというという観点から超微粒子であることが好ましい。
具体的には、SnO2の平均粒子径については、2nm〜5nmであることが好ましく、2.5nm〜3.5nmであることがより好ましい。
また、TiO2の平均粒子径については、3nm〜15nmであることが好ましく、3nm〜8nmであることがより好ましく、3nm〜5nmであることがさらに好ましい。
本発明において、第1の触媒中に含まれる酸化物の含有量は、Pdに有効に影響を与えるという観点から、Cに対して12.8重量%〜33.3重量%であることが好ましく、20重量%〜30重量%であることがより好ましく、23重量%〜27重量%であることがさらに好ましい。
本発明において、第1の触媒中に含まれるPdは、表面にあるPd原子の量を増やす観点から、Cに対して12.8重量%〜33.3重量%であることが好ましく、20重量%〜30重量%であることがより好ましく、23重量%〜27重量%であることがさらに好ましい。
本発明において、第2の触媒が、Pt及びRuを含有する合金と、Cとを含む。
本発明において、Pt及びRuを含有する合金中、Ruの含有量がPtに対して25〜75重量%であることが好ましく、35〜65重量%であることがより好ましく、40〜60重量%であることがさらに好ましい。
第2の触媒中に含まれるCとしては、第1の触媒中に含まれるCと同様に、通常燃料電池用触媒に使用される炭素担体を特に制限なく挙げることができる。たとえば、Cabot社製Vulcan XC−72Rなどを使用することができる。
本発明において、第2の触媒中に含まれるPt及びRuを含有する合金としては、通常燃料電池用触媒に使用される合金を特に制限なく挙げることができる。
本発明において、第2の触媒中に含まれる合金の含有量は、Pt−Ru合金の表面積が大きく、電気化学性能を発揮させる観点から、Cに対して20重量%〜200重量%であることが好ましく、20重量%〜100重量%であることがより好ましく、60重量%〜85重量%であることがさらに好ましく、75重量%〜85重量%であることが特に好ましい。
本発明において、第2の触媒としては、市販のPt−Ru/C触媒を用いることができ、例えば、石福金属興業株式会社製「IFPC30A」を挙げることができる。
本発明において、第1の触媒が、SnO2又はTiO2とPdとの超微粒子を炭素担体に担持してなり、第2の触媒が、Pt及びRuを含有する合金の超微粒子を炭素担体に担持してなることが好ましい。この場合の超微粒子及び炭素担体に関する規定は、上述するとおりである。
本発明において、第1の触媒と第2の触媒の重量比は、CO耐性が高く、かつ、十分な電気化学特性を発揮させるという観点から、1:0.5〜1:2であることが好ましく、1:0.5〜1:1.5であることがより好ましく、1:0.8〜1:1.2であることが更に好ましい。
本発明にかかる燃料電池用触媒において、貴金属(Pt+Pd)の担持量は、0.2mg/cm2〜2mg/cm2であることが好ましく、0.2mg/cm2〜1.5mg/cm2であることがより好ましく、0.3mg/cm2〜1mg/cm2であることがさらに好ましい。
本発明にかかる燃料電池用触媒は、たとえば以下の方法で作製することができる。
まず、超微粒子SnO2を公知のゾルゲル法で調製する。また、超微粒子TiO2を公知のグリコサーマル法で調製する。
このようにして調製した酸化物をジニトロジアミンPd硝酸溶液と混合し、炭素担体である「Vulcan XC−72R」(Cabot社製)に含浸担持させる。
次いで、含浸担持させた炭素担体Vulcan XC−72Rを、窒素気流中、250℃〜350℃まで、100℃/時間以下の昇温速度で昇温し、20分〜60分保持し、第1の触媒を得る。
このようにして得られた第1の触媒と、Pt−Ru/C(石福金属興業株式会社製、IFPC30A)といった第2の触媒とを混合することにより、本発明にかかる燃料電池用触媒を得ることができる。
本発明では、カソード電極及びアノード電極のうち少なくとも一方の電極が本発明にかかる燃料電池用触媒を含むことを特徴とする燃料電池が提供される。
以下、本発明にかかる燃料電池の一態様(膜−電極接合体:MEA)を示す断面概念図である第1図を用いて説明する。
第1図に示されるように、膜電極接合体は、電解質膜10、アノード電極20、カソード電極30を含んで構成される。
電解質膜10としては、固体状の高分子電解質膜を特に制限なく挙げることができ、たとえば、スルホン酸基を持つフッ素系樹脂を挙げることができる。具体的には、フッ素系樹脂(例えば、Nafion(登録商標)117(Aldrich社製:過フッ素化膜、膜厚0.007インチ))などを用いることができる。
第1図に示されるアノード電極20およびカソード電極30のうち少なくとも一方の電極は、本発明にかかる燃料電池用触媒を含む。このような電極は、例えば、本発明にかかる燃料電池用触媒を通常のペースト法により担持させることで得ることができる。
具体的には、フッ素系樹脂(例えば、Nafion(登録商標)11(Aldrich社製))、水、有機溶媒の溶液に本発明にかかる燃料電池用触媒を混合してよく攪拌し、ペーストを調整する。
ペースト中の固形分は、3重量%〜10重量%であることが好ましく、5重量%〜7重量%であることがより好ましく、6重量%〜7重量%であることがさらに好ましい。
ペーストの調製に使用される有機溶媒としては、酢酸n−ブチルを挙げることができる。
得られたペーストは、カーボンペーパー、GDL P50T Paper,Ballard Material Productsに塗布して電極を得る。
ここで、電極中の貴金属(Pt+Pd)担持量は、貴金属の有効利用の観点から、0.2mg/cm2〜2mg/cm2であることが好ましく、0.2mg/cm2〜1.5mg/cm2であることがより好ましく、0.3mg/cm2〜1mg/cm2であることがさらに好ましい。
本発明にかかる燃料電池用触媒は、カソード電極及びアノード電極に含ませることができるが、貴金属Ru,Pdの有効利用の観点から、アノード電極のみに含ませることが好ましい。
この場合、カソード電極としては、例えば、転写法で調製したPt電極(貴金属担持量0.3mg/cm2〜2mg/cm2)が用いられる。
このようにして得られたカソード電極及びアノード電極と電解質膜とを、第1図の順に並べ、ホットプレスして膜電極接合体を得ることができる。
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。ただし、本発明は、下記の実施例に制限されるものではない。
触媒はすべて含浸法により調製した。まず、超微粒子のSnO2(平均粒子径4nm)をゾルゲル法で調製した。ジニトロジアミンPd硝酸溶液(田中貴金属)に、超微粒子のSnO2を混合させた。
さらに、Pt−Ru/C(石福金属興業株式会社製、IFPC30A、Pt−RuとCの重量比は約1:1、PtとRuとの重量比は30:15)を混合し、混合溶液をVulcan XC−72R(Cabot社製)に含浸担持して80℃スチーム上で攪拌、乾燥させた。粉末を窒素気流中、300℃まで昇温速度200℃/時間で昇温し、300℃で30分保持した。
得られた触媒中、第1の触媒に相当する部分におけるSnO2とPdとCの重量比は約1:1:6であり、第1の触媒と第2の触媒の重量比は、約1:1であった。
また、このSnO2含有触媒におけるPt−Ru合金中のPtとRuの含有比率について検討するため、次の2種類の比較触媒を準備した。すなわち、Pt−Ru/CにおけるPtとRuとの重量比を20:20とした以外は同様の手順で調製した比較触媒2と、Pt−Ru/CにおけるPtとRuとの重量比を1:0(すなわち、Pt/C)とした以外は同様の手順で調製した比較触媒3とを準備した。
(2)アノード触媒の調製(TiO2含有)
超微粒子のTiO2をグリコサーマル法で調製し(平均粒子径:6nm〜10nm)、TiO2とPdとCの重量比を約1:1:6とし、Pd/TiO2/CとPt−Ru/C(石福金属興業株式会社製、IFPC30A)の重量比を約1:1とした以外は(1)と同様の手順で調製した。
(3)触媒塗工ペーストの調製
電極として触媒を作用させるために、電極基板上に載せるための触媒塗工ペーストを調製した。すなわち、酢酸n−ブチル(和光純薬社製)、5重量%Nafion(登録商標)溶液(Aldrich社製)、イオン交換水、(1)又は(2)で調製した触媒、Vulcan XC−72R(Cabot社製)を、5:10:1:1:0.4の割合(重量比)で混ぜた。
(4)固体高分子形燃料電池(PEFC)セル発電実験
触媒ペーストを用いて、膜−電極接合体(MEA)を作製した。まず、(3)で調製した触媒ペーストをカーボンペーパー(P50T、5cm2、Ballard社製)上に貴金属量(Pd+Pt)が1mg/cm2となるように塗布し、一晩置いて十分乾燥させた。ペーストの塗布はスパチュラを用い、少しずつ塗っては乾燥させ、触媒の凹凸が少なくなるように丁寧に塗布した。なおカソード側の触媒には別途調製した40重量%Pt/Cを用いた。
アノード用、カソード用の触媒をそれぞれカーボンペーパーに塗布した後、電解質膜となるNafion(登録商標)117(Aldrich社製)を作製した両電極ではさみ、2Mpa、130℃で10分間ホットプレスすることによりMEAとした。使用したNafion(登録商標)117膜としては、使用する大きさ(ホットプレスに使用するダイスと同じ面積)に切り取った後に、5MのH2SO4中で煮沸し、さらに一日浸漬したものを用いた。作製したMEAはElectrochem社製のハウジング(電極面積:5cm2)に組み込み、発電性能評価装置(CHINO社製)と接続し、電流−電圧測定を行った。
なお、アノードにはH2(もしくは5000ppm以上のCO/H2)を50ml/分、カソードにはO2(もしくは空気)を50ml/分の流量で供給した。ガスは、セルへの供給前に、70℃のバブラーを通し加湿した(アノード、カソード共に)。測定時のセル温度は70℃とした。
また、比較として用いた燃料電池は、アノード触媒としてPt−Ru/C(石福金属興業株式会社製、IFPC30A、PtとRuとの重量比は30:15、比較触媒1)を用いた以外は上記と同様の手順で調製した。
電流−電圧測定結果を第2図(SnO2含有アノード触媒との比較)に示す。
第2図に示されるように、5000ppm以上のCOを入れた条件で発電を行い、電流密度0.2A/cm2で起電圧を比較すると、従来最も耐性のあるといわれているPt−Ru(比較触媒1)では0.36Vとなった(図2の「5000ppm CO Pt30−Ru15/C」)。これに対し、本発明にかかる触媒(SnO2含有アノード触媒)を用いた場合は、0.61Vとなった(図2の「5000ppm CO Pd/SnO2/C + Pt30−Ru15/C」)。
また、このSnO2含有触媒におけるPt−Ru合金中のPtとRuの含有比率について検討するための比較触媒2では0.19Vとなり(図2の「5000ppm CO Pd/SnO2/C + Pt20−Ru20/C」)、比較触媒3では0.48Vとなった(図2の「5000ppm CO Pd/SnO2/C + Pt/C」)。
また、アノード触媒としてTiO2含有アノード触媒を用いた燃料電池を使用して同様の測定を行ったところ、電流密度0.2A/cm2での起電圧が0.60Vとなった。
これにより、本発明にかかる燃料電池が、従来の触媒(比較触媒1)よりはるかに耐CO被毒性が高くなったことがわかる。
これは、第2の触媒であるPt−Ru/CによってCOが除去され、第1の触媒であるPd/SnO2/C又はPd/TiO2/CがPtよりもCOが吸着されにくいため、発電が進んだと考えられる。なお、このメカニズムは仮説に過ぎず、本発明は当該メカニズムに限定されるものではない。
また、本発明にかかる燃料電池が、比較触媒2及び3よりはるかに耐CO被毒性が高くなったことがわかる。
まず、超微粒子のSnO2(平均粒子径4nm)をゾルゲル法で調製した。ジニトロジアミンPd硝酸溶液(田中貴金属)に、超微粒子のSnO2を混合させた。この混合溶液をVulcan XC−72R(Cabot社製)に含浸担持して80℃スチーム上で攪拌、乾燥させた。粉末を窒素気流中、300℃まで昇温速度200℃/時間で昇温し、300℃で30分保持した。得られた触媒中、SnO2とPdとCの重量比は約1:1:6であった。
このようにして得られた触媒をアノード触媒を用いた以外は実施例1と同様の手順で膜−電極接合体(MEA)を作製した。作製したMEAをElectrochem社製のハウジング(電極面積:5cm2)に組み込み、発電性能評価装置(CHINO社製)と接続し、電流−電圧測定を行った。
ただし、アノードにはH2(もしくは500ppmのCO/H2)を50ml/分、カソードにはO2(もしくは空気)を50ml/分の流量で供給した。ガスは、セルへの供給前に、70℃のバブラーを通し加湿した(アノード、カソード共に)。測定時のセル温度は70℃とした。
また、ジニトロジアミンPd硝酸溶液(田中貴金属)を、Vulcan XC−72R(Cabot社製)に含浸担持して80℃スチーム上で攪拌、乾燥させた。粉末を窒素気流中、300℃まで昇温速度200℃/時間で昇温し、300℃で30分保持した。得られたPd/C触媒中、PdとCの重量比は約1:6であった。比較として用いた燃料電池のアノード触媒のPd/Cを用いた以外は上記と同様の手順で調製した。
電流−電圧測定結果を第3図に示す。
第3図に示されるように、500ppmのCOを入れた条件で発電を行い、電流密度0.2A/cm2で起電圧を比較すると、Pd/SnO2/Cの起電圧は0.41Vであり、Pd/Cの0.18Vよりも上回る結果となった。しかしながら、これはCO濃度を実施例1の10分の1とした条件下で発電を行った結果であり、いまだ耐CO被毒性能は十分とはいえない。現に、5000ppmのCOを入れた条件下で発電を行ったところ、触媒活性がほとんどなく、起電圧は測定不可能なレベルであった。
Claims (8)
- 第1の触媒及び第2の触媒を有し、
第1の触媒が、SnO2またはTiO2である酸化物と、Pdと、Cとを含み、
第2の触媒が、Pt及びRuを含有する合金と、Cとを含み、Ruの含有量がPtに対して25〜75重量%であることを特徴とする、燃料電池用触媒。 - 前記酸化物が超微粒子であることを特徴とする、請求の範囲第1項に記載の燃料電池用触媒。
- 第1の触媒が、SnO2又はTiO2とPdとの超微粒子を炭素担体に担持してなり、
第2の触媒が、Pt及びRuを含有する合金の超微粒子を炭素担体に担持してなることを特徴とする、請求の範囲第1項に記載の燃料電池用触媒。 - 前記SnO2の平均粒子径が2nm〜5nmであり、前記TiO2の平均粒子径が3nm〜15nmである、請求の範囲第1項〜第3項のいずれかに記載の燃料電池用触媒。
- 第1の触媒と、第2の触媒との重量比が、1:0.5〜1:2である、請求の範囲第1項〜第4項のいずれかに記載の燃料電池用触媒。
- 第1の触媒において、酸化物と、Cとの重量比が、1:3〜1:8であり、Pdと、Cとの重量比が、1:3〜1:8である、請求の範囲第1項〜第5項のいずれかに記載の燃料電池用触媒。
- 第2の触媒において、Pt及びRuを含有する合金と、Cとの重量比が、1:0.5〜1:2である、請求の範囲第1項〜第6項のいずれかに記載の燃料電池用触媒。
- カソード電極及びアノード電極のうち少なくとも一方の電極は、請求の範囲第1項〜第7項のいずれかに記載の燃料電池用触媒を含むことを特徴とする、燃料電池。
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