JPWO2019065443A1 - 固体高分子形燃料電池用の触媒及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明において、Pt−Co−Mn3元系触媒を適用するのは、この組成の白金合金が好適な初期活性を発揮する傾向があるからである。白金合金触媒は従来から知られる触媒であり、特に、Pt−Co触媒(2元系合金触媒)はその有用性が広く知られている。本発明者等によれは、Pt−Co触媒に第3の金属元素としてマンガンを添加することで、酸素分子の4電子還元機能がより効率的に発揮され触媒活性が向上すると考察される。この白金、コバルト、マンガンの構成比は、モル比でPt:Co:Mn=1:0.25〜0.28:0.07〜0.10とする。マンガンはある程度の添加が要求されるが、過剰添加は却って活性を低下させる。コバルト、マンガンの構成比が上記範囲を逸脱すると、Pt−Co触媒と同等程度或いはそれ以下の活性となるため構成比の設定が必要となる。尚、コバルト、マンガンの構成比のより好ましい範囲は、Pt:Co:Mn=1:0.26〜0.27:0.08〜0.09である。
上記のとおり、本発明に係る触媒は、従来の触媒に対して触媒粒子の平均粒子径が大きい傾向があると共に、小粒径の触媒粒子の割合が少ない。具体的には、平均粒粒子径が3.4〜5.0nmであり、粒度分布における粒径3.0nm以下の触媒粒子の全触媒粒子に占める割合が37%以下となっている。平均粒子径が3.4nm未満となる場合、長時間の活性持続特性が明確に得られなくなる。また、平均粒子径が5.0nmを超えると触媒の初期活性が十分に得られなくなるからである。この触媒粒子の平均粒径の範囲は、上記した特許文献1、2の触媒と比較すると粗大な領域にある。
本発明の触媒においては、従来技術(特許文献2)と同様に、触媒粒子の表面にC−F結合を有するフッ素化合物が担持されている。このフッ素化合物の担持は、触媒の耐久性向上を図ることを意図するものである。
本発明においては、触媒粒子の表面状態に関し、触媒金属(白金、コバルト、マンガン)の表面積も触媒活性に影響を及ぼすことがある。具体的には、CO吸着法により測定される触媒金属比表面積(SCOMSA)が130m2/g−metal以下であるものが、良好な耐久性が発揮され好ましい。ここで、CO吸着法は、ガス吸着法による物質の比表面積測定法の一つであり、触媒の表面上に露出した白金を検出するためCOガスを吸着質として測定を行う分析方法である。CO吸着法は比較的簡便な分析方法でありながら、適切に露出した触媒金属(白金、コバルト、マンガン)を対象として、それらの比表面積(m2/g)を測定することができる。本発明の触媒の触媒金属比表面積(SCOMSA)は、従来の白金触媒の触媒金属比表面積(SCOMSA(触媒金属=白金))よりも低い傾向があり、白金触媒のSCOMSAを基準とする相対値として0.60〜0.65となっている。尚、この触媒金属比表面積(SCOMSA)は、125m2/g−metal以下がより好ましく、120m2/g−metal以下が特に好ましい。触媒金属比表面積(SCOMSA)の下限値については、20m2/g−metalとするのが好ましい。
本発明者等の検討によれば、従来の合金触媒においては、触媒粒子の表面において、酸化白金由来の2価又は4価の白金が含まれていることが確認されている。かかる価数を持った白金は、主に触媒の製造過程に由来すると考えられる。そして、本発明者等は、この2価又は4価の白金の存在が触媒の耐久性に影響を及ぼしていると考察した。
燃料電池カソードで進行する反応は、酸素還元反応(O2+4H++4e−→2H2O)である。この反応は、触媒粒子中の白金表面に対する酸素の吸着から始まり、白金表面でのプロトンと電子の授受を経て、生成した酸素種(H2O)の白金表面からの脱離によって達成される。従って、触媒の酸素還元活性は、触媒粒子中の白金と酸素との結合力に依存する。
本発明に係る触媒においては、触媒粒子についてX線回折分析(XRD)により特定される構造においても好ましい形態がある。具体的には、触媒粒子を構成する各金属元素(白金、コバルト、マンガン)が所定の存在形態にあることが要求される。即ち、Pt−Co−Mn3元系触媒における触媒粒子を構成する金属相としては、部分的にPt相が残存している可能性はあるものの、基本的に各金属が相互に合金化した合金相が主体となる。この合金相としては、Mn−Pt合金相(MnPt3)、Co−Pt合金相(CoPt3)、Mn−Co合金相(MnCo)が考えられる。
本発明に係る触媒は、固体高分子形燃料電池の電極としての性能を考慮し、触媒粒子の担持密度を30〜70%とするのが好ましい。ここでの担持密度とは、担体に担持させる触媒粒子質量(担持させた白金、遷移金属Mの合計質量)の触媒全体の質量に対する比をいう。
次に、本発明に係る固体高分子形燃料電池の触媒の製造方法について説明する。本発明に係る触媒の製造にあたっては、基本的工程は一般的な合金触媒の製造方法に準じ、担体に触媒粒子となる金属を担持し、適宜に乾燥した後に熱処理を行い担持した金属の合金化を行う。但し、上記した先行技術(特許文献1、2)で述べられているように、白金、コバルト、マンガンの合金を触媒粒子とする3元系合金触媒については、触媒金属の担持工程において、まず、白金のみが担持された触媒を用意し、これにコバルト及びマンガンを担持することが要求される。
第1実施形態:本実施形態では、白金触媒を製造し、この白金触媒にコバルト及びマンガンを担持・合金化した後、フッ素化合物で処理して3元系触媒を製造した。
製造容器にジニトロジアンミン白金硝酸溶液603.83mL(白金含有量:30.30g)と純水3793mLを投入した。そして、担体となる炭素微粉末(比表面積800m2/g、商品名:KB)70.00gを粉砕しながら添加した。その後、還元剤として変性アルコール(95%エタノール+5%エタノール)を540mL(10.8体積%)加えて混合した。この混合溶液を約95℃で6時間還流反応させて白金を還元した。その後、濾過、乾燥(60℃ 15時間)し洗浄した。以上の工程により、白金触媒を得た(白金担持率30wt%)。
上記で製造した白金触媒にコバルト、マンガンを担持した。白金触媒を、塩化コバルト(CoCl2・6H2O)と塩化マンガン(MnCl2・4H2O)をイオン交換水100mLに溶解させた金属塩溶液に浸漬し、マグネティックスターラーにて攪拌した。そして、この溶液に濃度1質量%の水素化ホウ素ナトリウム(SBH)溶液500mLを滴下し攪拌して還元処理し、白金触媒にコバルト、マンガンを担持した。その後、ろ過・洗浄・乾燥した。
触媒金属を担持した触媒について合金化のための熱処理を行った。本実施形態では、100%水素ガス中で熱処理温度を1000℃として30分の熱処理を行った。
合金化熱処理後の触媒について酸化性溶液処理を行った。この処理は、熱処理後の触媒を、0.2mol/Lの硫酸水溶液中80℃にて2時間処理した後、濾過・洗浄・乾燥した。その後1.0mol/Lの硝酸水溶液(溶存酸素量0.01cm3/cm3(STP換算))中70℃にて2時間処理した後、濾過・洗浄・乾燥した。
そして、製造したPt−Co−Mn3元系触媒について、フッ素化合物溶液にて処理して撥水層を形成した。フッ素化合物溶液として市販のフッ素樹脂材料(商品名:EGC−1700、住友スリーエム(株)製、フッ素樹脂含有量1〜3%))20mLを、希釈溶媒であるハイドロフルオロエーテル(商品名:Novec7100:住友スリーエム(株)製)30mLに溶解させたものを使用した。この処理では、触媒5gを上記フッ素化合物溶液に浸漬し、室温で3時間攪拌し、更に60℃で5時間攪拌した。その後、乾燥機にて60℃で保持し、溶剤が完全になくなるまで蒸発させた。この処理により、フッ素化合物が触媒に担持され撥水層を有する触媒が製造された。
各実施例・比較例及び参考例のPt−Co触媒について、初期活性試験を行った。この性能試験は、Mass Activityを測定することにより行った。実験には単セルを用い、プロトン伝導性高分子電解質膜を電極面積5cm×5cm=25cm2のカソード及びアノード電極で挟み合わせた膜/電極接合体(Membrane Electrode Assembly、MEA)を作製し評価した(設定利用効率:40%)。前処理として、水素流量=1000mL/min、酸素流量=1000mL/min、セル温度=80℃、アノード加湿温度=90℃、カソード加湿温度=30℃の条件にて電流/電圧曲線を引いた。その後、本測定として、Mass Activityを測定した。試験方法は0.9Vでの電流値(A)を測定し、電極上に塗布したPt重量からPt1gあたりの電流値(A/g-Pt)を求めてMass Activityを算出した。
更に、各触媒に対して耐久性を評価するための耐久試験(劣化試験)を行った。耐久試験は、上記の初期活性試験後の膜/電極接合体(MEA)に対して電位サイクル試験を行った。電位サイクル試験では、650−1050mVの間を掃引速度40mV/sで20時間(3600サイクル)掃引して前処理し、その後、650−1050mVの間を掃引速度100mV/s(本処理)で24時間(1回目:合計44時間、14400サイクル)、24時間(2回目:合計68時間、25200サイクル)掃引して触媒を劣化させた。そして、2回目のサイクルによって劣化した触媒についてMass Activityを測定した。
Claims (13)
- 白金、コバルト、マンガンからなる触媒粒子が炭素粉末担体上に担持されてなる固体高分子形燃料電池用触媒において、
前記触媒粒子は、白金、コバルト、マンガンの構成比がモル比でPt:Co:Mn=1:0.25〜0.28:0.07〜0.10であり、
前記触媒粒子の平均粒子径が3.4〜5.0nmであり、更に、触媒粒子の粒度分布において、粒径3.0nm以下の触媒粒子の全触媒粒子に占める割合が粒子数基準で37%以下であり、
少なくとも前記触媒粒子の表面に、C−F結合を有するフッ素化合物が担持されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池用触媒。 - 触媒全体の質量を基準として、3〜20質量%のフッ素化合物が担持されている請求項1記載の固体高分子形燃料電池用触媒。
- フッ素化合物は、フッ素樹脂、フッ素系界面活性剤である請求項1又は請求項2記載の固体高分子形燃料電池用触媒。
- CO吸着法により測定される、触媒金属1gに対する触媒金属比表面積(SCOMSA)が、130m2/g−metal以下である請求項1〜請求項3のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用触媒。
- 触媒粒子表面に存在するPtに対する、0価のPtが占める割合が90%以上100%以下である請求項1〜請求項4のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用触媒。
- 触媒粒子に対するX線光電子分光分析を行い、0ev以上30ev以下の領域における価電子帯スペクトルを測定したときに得られる、Pt5d軌道由来のスペクトルから算出されるdバンドセンター値が4.23eV以上4.30V以下である請求項1〜請求項5のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用触媒。
- 触媒粒子についてのX線回折分析において、2θ=27°近傍に現れるCo−Mn合金のピーク強度比が、2θ=40°近傍に現れるメインピークを基準として0.25以下である請求項1〜請求項6のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用触媒。
- 触媒粒子についてのX線回折分析において、2θ=32°近傍に現れるCoPt3合金のピーク及びMnPt3合金のピーク比が、2θ=40°近傍に現れるメインピークを基準として0.20以上である請求項1〜請求項7のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用触媒。
- 触媒粒子の担持密度は、30〜70%である請求項1〜請求項8のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用の触媒。
- 請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の固体高分子形燃料電池用触媒の製造方法であって、
炭素粉末担体上に白金粒子が担持されてなる白金触媒に、コバルト及びマンガンを担持する工程と、
前記担持工程によりコバルト及びマンガンが担持された白金触媒を1000〜1100℃で熱処理する工程と、
前記熱処理工程後の触媒と、フッ素化合物を含む溶液とを接触させて前記触媒にフッ素化合物からなる撥水層を形成する工程と、
含む固体高分子形燃料電池用触媒の製造方法。 - 白金触媒の製造工程を含み、
前記白金触媒の製造工程は、炭素粉末担体と白金化合物溶液とを混合して混合溶液を製造する工程と、前記混合溶液に還元剤を添加して、白金からなる触媒粒子を前記炭素粉末担体に担持する工程とを含み、
前記混合溶液を製造する工程は、前記炭素粉末担体を粉砕しながら白金化合物溶液を混合するものである請求項10記載の固体高分子形燃料電池用触媒の製造方法。 - 熱処理後の触媒を少なくとも1回酸化性溶液に接触させ、触媒粒子表面のコバル及びマンガンを溶出させる工程を含む請求項10又は請求項11記載の固体高分子形燃料電池用触媒の製造方法。
- 酸化性溶液は、硫酸、硝酸、亜リン酸、過マンガン酸カリウム、過酸化水素、塩酸、塩素酸、次亜塩素酸、クロム酸である請求項12記載の固体高分子形燃料電池用触媒の製造方法。
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