KR102648629B1 - 연료 전지용 촉매, 연료 전지용 막전극 접합체 및 그것을 구비한 연료 전지 - Google Patents
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Abstract
전력의 출력 특성이 높고, 기동, 정지 또는 부하 변동에 따른 발전 성능의 저하를 억제한 연료 전지용 촉매, 그의 제조 방법, 연료 전지용 막전극 접합체 및 그것을 구비한 연료 전지를 제공한다. 본 발명에 관계되는 연료 전지용 촉매는, 촉매 활성종과, 상기 촉매 활성종을 담지하는 담체를 적어도 갖는 연료 전지용 촉매로서, 상기 촉매 활성종이 백금, 백금 합금, 및 백금과 다른 금속의 코어를, 백금을 포함하는 셸로 피복한 코어 셸 촉매로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종이며, 상기 담체가 탄소 재료이며, 상기 촉매 활성종 및 상기 담체 중 적어도 어느 한 쪽은 불소 원자를 포함한다.
Description
본 발명은 연료 전지용 촉매, 그의 제조 방법, 연료 전지용 막전극 접합체 및 그것을 구비한 연료 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전력의 출력 특성이 높고, 기동, 정지 또는 부하 변동에 따른 발전 성능의 저하를 억제한 연료 전지용 촉매, 그의 제조 방법, 연료 전지용 막전극 접합체 및 그것을 구비한 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 것이며, 그 변환시에 물만을 배출하는 것으로부터 깨끗한 발전 시스템으로서 주목받고 있다. 연료 전지는 사용하는 전해질이나 전극의 종류에 따라 분류된다. 대표적인 연료 전지로서는, 예를 들어 고체 고분자형, 고체 산화물형, 인산형, 용융 탄산염형, 고체 전해질형, 알칼리형 등을 들 수 있다. 이들 연료 전지 중, 고체 고분자형의 연료 전지는 운전 온도가 낮고(통상 100℃ 이하), 소형화가 가능한 것으로부터, 가정용 코제너레이션 시스템이나 전기 자동차용 전원, 가반 전원, 정보 기기용 전원으로서 사용되고 있다.
고체 고분자형 연료 전지는 일반적으로 막전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)의 양면에, 한 쌍의 가스 확산층 및 금속 세퍼레이터가 각각 순차 적층된 기본 구조를 갖고 있다. 이 기본 구조는 「셀」이라고 부르고 있다. 막전극 접합체는 프로톤 전도성을 갖는 고체 전해질막이 한 쌍의 전극 촉매층, 즉 애노드측 전극 촉매층 및 캐소드측 전극 촉매층에 의해 협지된 구조를 갖고 있다. 전극 촉매층은 일반적으로 도전성을 갖는 담체에 연료 전지 반응을 촉진시키는 촉매 활성종이 담지된 담지 촉매와, 프로톤 전도성을 갖는 아이오노머에 의해 구성되어 있다.
고체 고분자형 연료 전지의 발전은 애노드측에서 수소 가스를 포함하는 연료 가스가 공급되고, 캐소드측에서 산소 가스를 포함하는 산화제 가스가 공급되어, 각각의 전극 촉매층에 있어서의 촉매 활성종 상에서 형성되는 삼상 계면에 있어서, 하기 화학 반응식으로 표시되는 반응이 진행함으로써 발생한다.
이와 같은 고체 고분자형 연료 전지로서, 예를 들어 특허문헌 1에는 탄소질 재료와, 고체 고분자 전해질인 양이온 교환 수지와, 촉매 금속 입자를 포함하며, 촉매 금속 입자가 탄소질 재료와 양이온 교환 수지의 프로톤 전도 경로와의 접촉면에 주로 담지된 연료 전지용 촉매가 개시되어 있다. 그리고, 양이온 교환 수지의 두께(A) 및 촉매 금속 입자의 입경(B)이 B≤A≤B×1.2의 관계를 충족함으로써, 촉매 금속의 이용률을 높게 하며 높은 출력 및 우수한 내구 성능이 얻어진다고 되어 있다. 그러나, 특허문헌 1에 개시된 연료 전지용 촉매에 있어서도 전력의 출력은 불충분해서, 한층더한 개선이 요구되고 있다.
또한, 특허문헌 2에는 0.8≤(F/C)S/(F/C)W≤1.2(단, (F/C)S는 불소 함유 카본 입자의 외표면에 있어서의 탄소 원자의 원자수에 대한 불소 원자의 원자수의 비이며, (F/C)W는 불소 함유 카본 입자의 전체에 있어서의 탄소 원자의 원자수에 대한 불소 원자의 원자수의 비이다.)의 관계를 충족하는 불소 함유 카본 입자가 개시되어 있다. 이 특허문헌 2에 의하면 불소 함유 카본 입자를 포함하는 담체에 백금을 담지하고, 이에 의해 얻어지는 연료 전지용 촉매를 사용함으로써 발전 성능이 높고, 연료 전지의 기동 및 정지를 반복하더라도 발전 성능이 저하되기 어려운 연료 전지가 얻어진다고 되어 있다. 그러나, 특허문헌 2에 개시된 불소 함유 카본 입자를 사용한 연료 전지용 촉매에 있어서도, 발전 성능은 불충분해서 한층더한 개선이 요구되고 있다.
본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은 전력의 출력 특성이 높고, 기동, 정지 또는 부하 변동에 따른 발전 성능의 저하를 억제한 연료 전지용 촉매, 그의 제조 방법, 연료 전지용 막전극 접합체 및 그것을 구비한 연료 전지를 제공하는 데 있다.
본 발명에 관계되는 연료 전지용 촉매는 상기한 과제를 해결하기 위해서, 촉매 활성종과, 상기 촉매 활성종을 담지하는 담체를 적어도 갖는 연료 전지용 촉매로서, 상기 촉매 활성종이 백금, 백금 합금, 및 백금과 다른 금속의 코어를, 백금을 포함하는 셸로 피복한 코어 셸 촉매로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종이며, 상기 담체가 탄소 재료이며, 상기 촉매 활성종 및 상기 담체 중 적어도 어느 한 쪽은 불소 원자를 포함한다.
상기 구성에 있어서는, 상기 담체에 포함되는 탄소 원자의 원자수에 대한, 상기 촉매 활성종 및 상기 담체 중 적어도 어느 한 쪽에 포함되는 상기 불소 원자의 원자수의 비가 다음 식 (1)로 표시되는 관계를 충족하는 것이 바람직하다.
(F/C)S/(F/C)W<0.8 …(1)
(단, (F/C)S는 연료 전지용 촉매의 표면에 있어서의 탄소 원자의 원자수에 대한 불소 원자의 원자수의 비를 나타내고, (F/C)W는 연료 전지용 촉매의 전체에 있어서의 탄소 원자의 원자수에 대한 불소 원자의 원자수의 비를 나타낸다.)
상기 구성에 있어서는, 상기 (F/C)S가 0.4 미만인 것이 바람직하다.
상기 구성에 있어서는, 상기 탄소 재료가 그래파이트, 산화 그래파이트, 카본 블랙, 흑연화 카본 블랙, 다이아몬드 라이크 카본, 풀러렌, 단층 카본 나노튜브, 다층 카본 나노튜브, 카본 나노혼, 카본 나노월, 카본 나노파이버, 카본 나노브러시, 단층 그래핀, 다층 그래핀, 및 산화 그래핀으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하다.
본 발명에 관계되는 연료 전지용 막전극 접합체는 상기한 과제를 해결하기 위해서, 고체 고분자 전해질막과, 당해 고체 고분자 전해질막의 양쪽 표면에 배치된 전극 촉매층을 적어도 갖는 연료 전지용 막전극 접합체로서, 상기 전극 촉매층이 상기에 기재된 연료 전지용 촉매와, 당해 연료 전지용 촉매를 피복하는 아이오노머를 적어도 갖는다.
상기 구성에 있어서는, 상기 아이오노머가 불소계 수지여도 된다.
또한, 상기 구성에 있어서는, 상기 아이오노머가 방향족계 탄화수소 수지여도 된다.
또한, 상기 구성에 있어서는, 상기 아이오노머가 이온 액체여도 된다.
본 발명에 관계되는 연료 전지는 상기한 과제를 해결하기 위해서, 상기 연료 전지용 막전극 접합체를 구비한다.
본 발명에 따르면, 촉매 활성이 높고 산소 환원 반응의 향상에 의해 전력의 출력 특성을 높게 할 수 있고, 또한 기동, 정지 및 부하(변동) 응답에 따른 발전 성능의 열화를 억제하는 것이 가능한 연료 전지용 촉매, 그의 제조 방법, 연료 전지용 막전극 접합체 및 연료 전지를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관계되는 단일 셀 구조의 연료 전지를 도시하는 개략 단면도이다.
(연료 전지용 촉매)
본 실시 형태에 관계되는 연료 전지용 촉매는 촉매 활성종과, 당해 촉매 활성종을 담지하는 담체를 적어도 갖는 담지체의 구조를 갖고 있다. 또한, 촉매 활성종 및 담체 중 적어도 어느 한 쪽에는 불소 원자가 포함된다. 본 실시 형태의 연료 전지용 촉매는 고체 고분자형 연료 전지 등에 적합하게 사용할 수 있다.
<담체>
우선, 연료 전지용 촉매를 구성하는 담체에 대하여 설명한다.
본 명세서에 있어서 「담체」란, 애노드측 전극 촉매층 및/또는 캐소드측 전극 촉매층(이하, 간단히 「전극 촉매층」이라고 하는 경우가 있다.)에 있어서, 촉매 활성종의 과도한 응집을 억제하는 것 등을 목적으로 하여 사용되는 전자 전도성 물질을 의미한다.
본 실시 형태의 담체는 탄소 재료를 포함한다. 탄소 재료로서는 특별히 한정되지 않고 예를 들어, 활성탄, 카본 블랙, 흑연화 카본 블랙, 하드 카본, 소프트 카본, 메조포러스 카본, 천연 흑연, 인조 흑연, 다이아몬드 라이크 카본, 풀러렌, 단층 카본 나노튜브, 다층 카본 나노튜브, 카본 나노혼, 카본 나노월, 카본 나노파이버, 카본 나노브러시, 단층 그래핀, 다층 그래핀, 산화 그래핀 등을 들 수 있다. 이들은 1종 단독으로, 또는 2종 이상을 병용할 수 있다. 도전성, 화학적 안정성, 입수 용이성의 관점에서, 카본 블랙, 흑연화 카본 블랙, 단층 카본 나노튜브, 다층 카본 나노튜브, 단층 그래핀, 다층 그래핀이 바람직하다.
상기 탄소 재료의 비표면적은 상기 촉매 활성종을 고분산 담지시키는 데 충분한 비표면적이면 되고, 구체적으로는 10 내지 1500㎡/g이 바람직하고, 30 내지 1200㎡/g이 보다 바람직하고, 50 내지 1000㎡/g이 특히 바람직하다. 상기 비표면적을 10㎡/g 이상으로 함으로써, 촉매 활성종이 담체에 많이 담지되어 연료 전지의 성능이 향상된다. 한편, 상기 비표면적을 1500㎡/g 이하로 함으로써, 담지되는 촉매 활성종의 이용률의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 상기 탄소 재료의 비표면적의 측정 방법으로서는, 예를 들어 일본 공업 규격 JIS Z8830:2013의 BET법에 기초하여 측정할 수 있다.
상기 담체가 불소 원자를 함유하는 경우, 예를 들어 아이오노머(상세에 대해서는 후술한다.)가 불소 원자를 함유할 때에는 당해 담체와 아이오노머의 친화성을 향상시킬 수 있다. 아이오노머와의 친화성의 향상은, 예를 들어 전극 촉매층에 있어서의 삼상 계면(연료 전지용 촉매, 고체 고분자 전해질, 및 산소(산화제) 또는 수소(환원제)를 포함하는 반응 가스의 삼상이 접촉하는 계면)에 있어서, 율속 요인으로서 들 수 있는 산소 확산 및 프로톤 확산을 촉진시키는 상태가 된다. 종래의 연료 전지에 있어서는, 고전류 밀도 영역에 있어서의 물질 이동 과정에서의 산소 및 프로톤의 이동 율속이 발생하고, 이에 의해 전지 성능의 저하를 초래하고 있었다. 그러나, 산소 및 프로톤의 확산이 촉진됨으로써 이들의 이동 율속을 저감시킬 수 있고, 그 결과 산소 환원 반응을 향상시켜서 고전류 밀도 영역에서의 고출력을 가능하게 한다.
또한, 불소 원자는 탄소 재료의 외표면 및/또는 세공의 내부 표면에 존재함으로써, 당해 탄소 재료의 부식을 저감 또는 억제할 수 있다. 이에 의해, 연료 전지의 기동 및 정지 시에, 탄소 재료의 부식에서 기인한 촉매 활성종의 탈리를 저감시킬 수 있고, 연료 전지의 기동 및 정지를 반복하는 것에 의한 발전 성능의 저하를 억제할 수 있다.
상기 불소 원자의 함유량은 연료 전지용 촉매의 전체 질량에 대하여 0.1 내지 30질량％인 것이 바람직하고, 0.25 내지 20질량％인 것이 보다 바람직하고, 0.5 내지 15질량％인 것이 특히 바람직하다. 불소 원자의 함유량을 0.1질량％ 이상으로 함으로써, 전술한 바와 같이 연료 전지의 기동 및 정지를 반복하는 것에 의한 발전 성능의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 고전류 밀도 영역에서의 전력의 고출력을 가능하게 하는 연료 전지가 얻어진다. 그 한편, 불소 원자의 함유량을 30질량％ 이하로 함으로써, 도전성의 저하를 억제할 수 있다.
불소 원자는 탄소 재료의 외표면 또는 세공의 내부 표면에, 예를 들어 화학 흡착 및/또는 물리 흡착에 의해 흡착된 상태로 존재한다.
또한, 불소 원자는 탄소 재료의 외표면에 균일하게 존재하는 것이 바람직하다. 또한, 불소 원자는 탄소 재료의 세공의 내부에도 균일하게 존재하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 탄소 재료의 외표면이나 세공의 내부 표면에 있어서, 불소 원자가 존재하지 않는 영역에서 탄소 재료의 부식이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
<촉매 활성종>
이어서, 본 실시 형태에 관계되는 촉매 활성종에 대하여 이하에 설명한다.
본 명세서에 있어서 「촉매 활성종」이란, 연료 전지 내에 있어서의 전기 화학 반응에 있어서 촉매 기능을 발휘할 수 있는 물질을 의미한다. 본 실시 형태의 촉매 활성종은 구체적으로 백금, 백금 합금, 및 코어 셸 촉매로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 활성종을 포함한다.
상기 백금 합금에 있어서, 백금과 합금을 구성하는 금속으로서는 특별히 한정되지 않고 예를 들어 붕소, 마그네슘, 알루미늄, 규소, 칼슘, 스칸듐, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 갈륨, 게르마늄, 스트론튬, 이트륨, 지르코늄, 니오븀, 몰리브덴, 테크네튬, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 인듐, 주석, 안티몬, 바륨, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 레늄, 오스뮴, 이리듐, 금, 납, 비스무트, 란탄, 세륨 등을 들 수 있다. 이들 금속은 1종 단독으로, 또는 2종 이상을 조합하여 백금 합금을 구성해도 된다. 또한, 백금과 합금을 구성하는 금속으로서는, 촉매 성능의 관점에서 루테늄, 몰리브덴, 오스뮴, 코발트, 로듐, 이리듐, 철, 니켈, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 레늄, 크롬, 망간, 탄탈 및 금이 바람직하다.
백금 합금에 있어서의 백금의 함유량은, 당해 백금 합금의 전체 질량에 대하여 1 내지 99질량％의 범위 내인 것이 바람직하고, 3 내지 75질량％의 범위 내인 것이 보다 바람직하고, 5 내지 50질량％의 범위 내인 것이 특히 바람직하다. 백금의 함유량이 1질량％ 이상이면 연료 전지 반응에 있어서의 촉매 기능을 양호한 것으로 할 수 있다. 그 한편, 백금의 함유량이 99질량％ 이하이면, 백금 이외의 금속과 합금을 형성할 수 있다.
상기 코어 셸 촉매는 백금 이외의 금속을 포함하는 코어를, 백금을 포함하는 셸로 피복하는 촉매이다. 상기 코어를 구성하는 금속으로서는 백금 이외이면 특별히 한정되지 않고 예를 들어 니켈, 구리, 팔라듐, 은, 금, 이리듐, 티타늄, 철, 코발트, 루테늄, 오스뮴, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐을 들 수 있다. 이들 금속 중, 촉매 성능의 관점에서는 니켈, 구리, 팔라듐, 은, 금, 이리듐, 티타늄, 철, 코발트, 루테늄이 바람직하다. 또한, 이들 금속은 1종류만을 사용해도 되고, 혹은 2종류 이상을 병용해도 된다.
또한, 상기 셸은 적어도 백금을 포함하는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어 백금만으로 이루어지는 경우 외에, 당해 백금과, 니켈, 구리, 팔라듐, 은 또는 금의 적어도 어느 것을 포함하는 경우여도 된다.
상기 촉매 활성종이 다른 불소 원자를 함유하는 경우, 다른 불소 원자는 촉매 활성종의 표면에 화학 흡착 및/또는 물리 흡착에 의해 흡착된 상태로 존재한다.
촉매 활성종이 다른 불소 원자를 함유함으로써, 예를 들어 불소 원자를 함유하는 탄소 재료 및/또는 아이오노머를 사용한 경우에는 당해 탄소 재료 등과의 친화성을 향상시킬 수 있다. 이에 의해, 예를 들어 전극 촉매층에 있어서의 상기 삼상 계면에 있어서, 율속 요인으로서 들 수 있는 산소 확산, 프로톤 확산을 촉진시키는 상태가 된다. 그 결과, 전술한 경우와 마찬가지로 산소 및 프로톤의 이동 율속을 한층 더 저감시킬 수 있고, 산소 환원 반응을 향상시켜서 고전류 밀도 영역에서의 고출력을 가능하게 한다.
촉매 활성종이 다른 불소 원자를 함유하는 경우, 당해 다른 불소 원자의 함유량은 담체인 탄소 재료가 함유하는 불소 원자와의 합계량으로, 연료 전지용 촉매의 전체 질량에 대하여 0.1 내지 30질량％인 것이 바람직하고, 0.25 내지 20질량％인 것이 보다 바람직하고, 0.5 내지 10질량％인 것이 특히 바람직하다. 상기 다른 불소 원자 및 불소 원자의 합계 함유량을 0.1질량％ 이상으로 함으로써, 전술한 바와 같이 연료 전지의 기동 및 정지를 반복하는 것에 의한 발전 성능의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 고전류 밀도 영역에서의 고출력을 가능하게 하는 연료 전지가 얻어진다. 그 한편, 상기 다른 불소 원자 및 불소 원자의 합계 함유량을 30질량％ 이하로 함으로써, 도전성의 저하를 억제할 수 있다.
탄소 재료에 담지되어 있는 촉매 활성종의 평균 입경은 특별히 한정되지 않지만, 통상은 0.1 내지 50㎚이며, 바람직하게는 0.5 내지 30㎚, 보다 바람직하게는 1 내지 20㎚이다. 상기 촉매 활성종의 평균 입경을 0.1㎚ 이상으로 함으로써, 촉매 활성을 높게 할 수 있다. 그 한편, 상기 촉매 활성종의 평균 입경을 50㎚ 이하로 함으로써, 촉매 활성종의 비표면적의 감소에 수반하는 활성점의 감소를 억제할 수 있다. 또한, 촉매 활성종의 평균 입경이란, 촉매 활성종의 외접원의 직경을 측정하여 평균한 것을 나타낸다. 구체적으로는, 투과형 전자 현미경 혹은 주사형 전자 현미경의 관찰상에 있어서, 500㎚×500㎚의 시야 중에 분산된 적어도 500개의 촉매 활성종의 입경의 평균값에 의해 산출한 값이다.
또한, 탄소 재료에 담지되어 있는 촉매 활성종의 최대 입경은 특별히 한정되지 않지만, 통상은 0.1 내지 60㎚이며, 바람직하게는 0.5 내지 30㎚, 보다 바람직하게는 1 내지 20㎚이다. 상기 촉매 활성종의 최대 입경을 0.1㎚ 이상으로 함으로써, 반응 표면적의 증대에 의해 단위 촉매 질량당의 촉매 활성을 높게 할 수 있다. 그 한편, 상기 촉매 활성종의 최대 입경을 60㎚ 이하로 함으로써, 촉매 활성종의 비표면적의 감소에 수반하는 활성점의 감소를 억제할 수 있다. 최대 입경은 보다 구체적으로 500㎚×500㎚의 시야 중에 있어서 시인할 수 있는 최대의 입경을 갖는 입자의 입경을 의미한다.
또한, 촉매 활성종의 평균 입경 및 최대 입경은 그 형상이 구상 이외의 형상일 경우, 예를 들어 타원형일 경우에는 장축의 값을 입경으로 하고, 또한 기타의 형상일 경우에는 원 상당 직경을 입경으로 하여 측정한 값이다.
또한, 촉매 활성종의 함유량은 특별히 한정되지 않지만, 통상은 연료 전지용 촉매의 전체 질량에 대하여 5 내지 80질량％이며, 바람직하게는 10 내지 75질량％, 보다 바람직하게는 15 내지 70질량％이다. 촉매 활성종의 함유량을 5질량％ 이상으로 함으로써, 높은 촉매 활성을 유지할 수 있다. 그 한편, 촉매 활성종의 함유량을 80질량％ 이하로 함으로써, 유효하게 이용되는 촉매 활성종의 비율이 저하되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 담체에 담지되는 촉매 활성종이 응집하여, 이에 의한 촉매 활성의 저하도 억제할 수 있다.
<연료 전지용 촉매에 있어서의 불소 원자수와 탄소 원자수의 비>
본 실시 형태에 있어서 담체인 탄소 원자의 원자수에 대한, 촉매 활성종 및 담체 중 적어도 어느 한 쪽에 포함되는 불소 원자의 원자수의 비는 다음 식 (1)의 관계를 충족하는 것이 바람직하다.
(F/C)S/(F/C)W<0.8 …(1)
(단, (F/C)S는 연료 전지용 촉매의 표면에 있어서의 탄소 원자의 원자수에 대한 불소 원자의 원자수의 비를 나타내고, (F/C)W는 연료 전지용 촉매의 전체에 있어서의 탄소 원자의 원자수에 대한 불소 원자의 원자수의 비를 나타낸다.)
탄소 원자의 원자수와 불소 원자의 원자수의 비를 식 (1)로 표시되는 관계를 충족하도록 함으로써, 연료 전지용 촉매의 도전성 저하를 억제하여 우수한 촉매 활성을 가능하게 한다. 또한, (F/C)S/(F/C)W의 값은 0.1 이상 0.8 미만인 것이 바람직하고, 0.3 이상 0.8 미만인 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 (F/C)S의 값은 X선 광전자 분광법(XPS)을 사용하여 산출할 수 있다. 또한, 상기 (F/C)W는 연소 플라스크법에 의해 산출할 수 있다. 즉, 산소를 채운 플라스크 내에서 연료 전지용 촉매를 연소시키고, 발생한 가스를 플라스크 내의 시료액에 흡수시킨다. 또한, 가스의 흡수에 의해 용해된 시료액 중의 불소 이온을 이온 크로마토그래피로 측정한다. 이에 의해, 상기 (F/C)W의 값을 산출할 수 있다.
상기 (F/C)S의 상한값은 0.4 미만이 바람직하고, 0.3 미만이 보다 바람직하고, 0.2 미만이 더욱 바람직하고, 0.1 미만이 특히 바람직하다. (F/C)S의 상한값을 0.3 미만으로 함으로써, 도전성 저하를 억제함과 함께 내산화성을 갖는 표면을 형성할 수 있다. 또한, 상기 (F/C)S의 하한값으로서는 0.001 이상이 바람직하다.
<연료 전지용 촉매의 일함수>
본 실시 형태에 관계되는 연료 전지용 촉매의 일함수는 4 내지 7.5eV인 것이 바람직하고, 4 내지 7eV인 것이 보다 바람직하고, 5 내지 6.5eV인 것이 특히 바람직하다. 연료 전지용 촉매의 일함수가 4eV 이상이면 전자 전도성을 양호하게 유지할 수 있다. 그 한편, 연료 전지용 촉매의 일함수가 7.5eV 이하이면, 전자 전도성을 손상시키지 않고 내산화성의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 연료 전지용 촉매의 일함수는 자외선 광전자 분광법 등에 의해 측정 가능하다.
(연료 전지용 촉매의 제조 방법)
이어서, 본 실시 형태에 관계되는 연료 전지용 촉매의 제조 방법에 대해서, 이하에 설명한다.
본 실시 형태에 관계되는 연료 전지용 촉매의 제조 방법으로서는, 담체를 불소화 처리한 후에 촉매 활성종을 담지하는 방법 A, 담체에 촉매 활성종을 담지한 후에 불소화 처리를 행하는 방법 B, 불소화 처리한 촉매 활성종을 담체에 담지하는 방법 C를 들 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는 상기 방법 A 및 방법 B에 대하여 재불소화 처리를 행해도 된다.
<촉매 활성종의 담지>
촉매 활성종을 담체에 담지시키는 방법으로서는 특별히 한정되지 않고 공지된 방법을 채용할 수 있다. 예를 들어, 촉매 활성종의 전구체를 용해시킨 반응액에 담체로서의 탄소 재료를 분산시킨다. 분산 방법에 대해서는 특별히 한정되지 않고 공지된 방법을 채용할 수 있다. 이어서, 이 반응액에 적절한 환원제를 투입하고, 용존하고 있는 전구체의 금속 이온종을 환원함으로써 촉매 활성종을 담체 표면에 담지시킨다. 계속해서, 이 반응액을 고액 분리한 후, 고형분을 건조시킨다. 이에 의해, 촉매 활성종의 담지체가 얻어진다. 또한, 촉매 활성종의 탄소 재료로의 담지는, 당해 촉매 활성종 및 탄소 재료에 불소 원자가 도입되어 있는지의 여부에 관계 없이 가능하다.
예를 들어, 촉매 활성종이 단일 금속의 백금이며, 탄소 재료가 카본 블랙일 경우, 백금의 전구체로서 염화백금산 및 그의 염 등을 물에 용해시켜 반응액을 제작한다. 계속해서, 이 반응액에 상기 카본 블랙을 첨가하여 분산시키고, 추가로 환원제를 첨가한다. 환원제로서는 특별히 한정되지 않고 예를 들어 수소화붕소나트륨, 히드라진, 포름알데히드, 알코올 등을 들 수 있다. 환원제의 첨가에 의해, 카본 블랙의 표면에 미립자상의 백금을 환원 석출시킨다. 계속해서, 이 반응액을 고액 분리하고, 고형분을 건조시킴으로써, 미립자상의 백금이 카본 블랙의 표면이나 세공 내부에 담지된 촉매 활성종의 담지체를 제작할 수 있다.
<불소 원자의 도입>
촉매 활성종, 탄소 재료, 또는 촉매 활성종을 담지한 탄소 재료로의 불소 원자의 도입은 불소화 처리를 행함으로써 가능하다. 불소화 처리를 행함으로써, 탄소 재료의 표면이나 세공 내부에 탄소-불소 결합에 의한 불소기가 도입된다. 따라서, 예를 들어 탄소 육각망면의 에지 부분에 수산기, 카르보닐기 또는 카르복실기 등의 산소 함유 관능기를 부여하는 산화 처리와는 달리, 탄소 재료에 대미지를 주거나 분해시키는 등의 구조 결함이 발생하지 않고, 그의 표면을 불소화할 수 있다.
불소화 처리의 방법으로서는 특별히 한정되지 않고 불소 원자 함유 가스를 포함하는 처리 가스를 촉매 활성종 등의 처리 대상에 접촉시키는 방법, 불소 원자 함유 가스를 용매에 용해시킨 처리액을 처리 대상에 접촉시키는 방법, 불소화제를 용매에 용해시킨 처리액을 처리 대상에 접촉시키는 방법 등을 들 수 있다.
상기 처리 가스로서는, 전체 체적에 대하여 0.1 내지 100vol％, 바람직하게는 0.2 내지 80vol％, 보다 바람직하게는 0.3 내지 50vol％의 불소 원자 함유 가스를 포함하는 것이 사용된다. 불소 원자 함유 가스의 농도를 0.1vol％ 이상으로 함으로써, 촉매 활성종 등의 처리 대상에 대한 불소 원자의 도입이 불충분해지는 것을 방지할 수 있다.
불소 원자 함유 가스란 불소 원자를 포함하는 기체를 의미하고, 본 실시 형태에 있어서는 불소 원자를 포함하는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 불소 원자 함유 가스로서는, 예를 들어 불소(F2), 불화수소(HF), 3불화염소(ClF3), 3불화브롬(BrF3), 5불화브롬(BrF5), 5불화요오드(IF5), 5불화인(PF5), 4불화황(SF4), 3불화붕소(BF3), 3불화질소(NF3), 불화카르보닐(COF2) 등을 들 수 있다. 이들은 1종 단독으로, 또는 2종 이상을 혼합하여 사용해도 된다.
상기 처리 가스에는 불활성 가스가 포함되어 있어도 된다. 불활성 가스로서는 특별히 한정되지 않지만, 불소 원자 함유 가스와 반응하여 탄소 재료의 불소화 처리에 악영향을 주는 것, 탄소 재료와 반응하여 악영향을 주는 것, 및 당해 악영향을 주는 불순물을 포함하는 것은 바람직하지 않다. 구체적으로는, 예를 들어 질소, 아르곤, 헬륨, 네온, 크립톤, 크세논 등을 들 수 있다. 이들은 1종 단독으로, 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, 불활성 가스의 순도로서는 특별히 한정되지 않지만, 당해 악영향을 주는 불순물에 대해서는 100ppm 이하인 것이 바람직하고, 10ppm 이하인 것이 보다 바람직하고, 1ppm 이하인 것이 특히 바람직하다.
또한, 상기 처리 가스에는 할로겐 원자 함유 가스(단, 불소 원자 함유 가스를 제외한다.)가 포함되어 있어도 된다. 상기 할로겐 원자 함유 가스로서는, 염소가스, 브롬 가스 등을 들 수 있다. 이들은 1종 단독으로, 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
촉매 활성종 등의 처리 대상에 대한 처리 가스의 접촉 방법으로서는 특별히 한정되지 않고 당해 처리 가스의 플로우 하, 또는 당해 처리 가스를 밀폐한 상태 하에서 접촉시킬 수 있다.
불소 원자 함유 가스를 용매에 용해시킨 처리액을 탄소 재료에 접촉시키는 방법의 경우, 당해 용매로서는 특별히 한정되지 않고 비프로톤성 극성 용매, 프로톤성 극성 용매를 사용할 수 있다.
상기 비프로톤성 극성 용매로서는 특별히 한정되지 않고 예를 들어 헥산, 벤젠, 톨루엔, 클로로포름, 디클로로메탄, 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸프로필케톤, 메틸이소부틸케톤, 디이소부틸케톤, 시클로헥사논, 테트라히드로푸란, 디이소프로필에테르, 디부틸에테르, 1,4-디옥산, 1,3-디옥솔란, 디메톡시에탄, 에틸렌글리콜디메틸에테르, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, 아세토니트릴, 프로피오니트릴, 디메틸술폭시드, 디메틸술폰, 술포란, 1,3-프로판술톤, 디메틸술페이트, 트리메틸포스페이트, 트리에틸포스페이트, N,N-디메틸포름아미드, N-메틸-2-피롤리돈, 아세트산메틸, 아세트산에틸, 아세트산부틸, 프로필렌카르보네이트, 에틸렌카르보네이트, 디메틸카르보네이트, 에틸메틸카르보네이트 등을 들 수 있다. 이들은 1종 단독으로, 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 프로톤성 극성 용매로서는 특별히 한정되지 않고 물, 아세트산, 포름산, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올, 부탄올, 니트로메탄, 니트로에탄 등을 들 수 있다. 이들은 1종 단독으로, 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
불소 원자 함유 가스의 처리액 중에 있어서의 농도로서는 특별히 한정되지 않지만, 통상은 처리액의 전체 질량에 대하여 0.1 내지 100질량％이며, 바람직하게는 0.2 내지 80질량％, 보다 바람직하게는 0.3 내지 50질량％이다. 불소 원자 함유 가스의 농도를 0.1wt％ 이상으로 함으로써, 촉매 활성종 등의 처리 대상에 대한 불소 원자의 도입이 불충분해지는 것을 방지할 수 있다.
불소화제를 용매에 용해한 처리액을 촉매 활성종 등의 처리 대상에 접촉시키는 방법의 경우, 당해 불소화제로서는 특별히 한정되지 않고 예를 들어 불화칼륨, 산성 불화칼륨, 테트라부틸암모늄플루오라이드 수화물, 테트라부틸암모늄비플루오라이드, 테트라부틸암모늄3불화2수소, 테트라메틸암모늄플루오라이드 4수화물, 1-플루오로피리디늄테트라플루오로보레이트, 1-플루오로피리디늄트리플루오로메탄술포네이트, 1-플루오로-2,4,6-트리메틸피리디늄트리플루오로메탄술포네이트, 불소화제 F-51 등을 들 수 있다. 이들은 1종 단독으로, 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
불소화제를 용해시키는 용매로서는 특별히 한정되지 않고 전술한 비프로톤성 극성 용매, 및 프로톤성 극성 용매를 사용할 수 있다. 따라서, 그들의 상세한 설명에 대해서는 생략한다.
불소화제의 처리액 중에 있어서의 농도로서는 특별히 한정되지 않지만, 통상은 처리액의 전체 질량에 대하여 0.1 내지 100질량％이며, 바람직하게는 0.2 내지 80질량％, 보다 바람직하게는 0.3 내지 50질량％이다. 불소화제의 농도를, 0.1질량％ 이상으로 함으로써, 촉매 활성종 등의 처리 대상에 대한 불소 원자의 도입이 불충분해지는 것을 방지할 수 있다.
불소화 처리를 행할 때의 처리 온도는 -50℃ 내지 600℃가 바람직하고, -20℃ 내지 350℃가 보다 바람직하고, -10℃ 내지 250℃가 더욱 바람직하고, -10℃ 내지 100℃가 특히 바람직하다. 처리 온도를 -50℃ 이상으로 함으로써, 촉매 활성종 등의 처리 대상에 대한 불소 원자의 도입을 진행시킬 수 있다. 그 한편, 처리 온도를 600℃ 이하로 함으로써, 탄소 재료의 불소화에 의한 CF4의 형성에 따른 탄소의 소모를 방지할 수 있다. 또한, 연료 전지용 촉매의 도전성 저하, 및 촉매 활성종의 소결에 의한 비대화를 방지할 수 있다.
불소화 처리의 처리 시간(반응 시간)으로서는 특별히 한정되지 않고 촉매 활성종 등의 처리 대상에 대하여 균일하게 불소 원자를 도입할 수 있으면 된다. 처리 시간은 통상은 0.5분 내지 12시간이 바람직하다. 처리 시간을 0.5분 이상으로 함으로써, 탄소 재료의 표면이나 세공 내부의 불소화를 충분한 것으로 할 수 있다. 그 한편, 처리 시간을 12시간 이하로 함으로써, 제조 시간의 장기화에 의한 제조 효율의 저하를 방지할 수 있다.
불소화 처리를 행할 때의 압력 조건으로서는 특별히 한정되지 않고, 상압 하, 가압 하 또는 감압 하에서 행할 수 있다. 경제상·안전상의 관점에서는 상압 하에서 행하는 것이 바람직하다. 불소화 처리를 행하기 위한 반응 용기로서는 특별히 한정되지 않고 고정상, 유동상 등의 종래 공지된 것을 채용할 수 있다.
또한, 촉매 활성종 등의 처리 대상에 대해서는 불소화 처리의 직전 및/또는 직후에 있어서 감압 처리를 행하는 것이 바람직하다. 감압 처리의 방법으로서는, 예를 들어 처리 대상을 반응 용기 내에서 진공화하는 방법 등을 들 수 있다. 이에 의해, 담체인 탄소 재료의 표면 등에 부착된 수분, 미반응된 처리 가스(미반응된 불소 원자 함유 가스 등을 포함한다.), 및 불소화 처리에 의해 부생한 반응 부생물 등을 제거할 수 있다.
감압 처리를 행하는 경우의 압력 조건으로서는 0Pa 내지 100Pa의 범위가 바람직하고, 0Pa 내지 50Pa의 범위가 보다 바람직하고, 0Pa 내지 10Pa의 범위가 특히 바람직하다. 100Pa 이하로 함으로써, 전술한 바와 같이 담체 표면 등에 부착된 수분, 미반응된 처리 가스, 및 불소화 처리에 의해 부생한 반응 부생물 등의 제거를 가능하게 한다.
또한, 감압 처리의 처리 시간은 특별히 한정되지 않지만, 통상은 10분 내지 2시간의 범위이며, 바람직하게는 10분 내지 1.5시간, 보다 바람직하게는 10분 내지 1시간이다.
<재불소화 처리>
상기 재불소화 처리는 불소화 처리된 촉매 활성종을 불소화 처리되어 있지 않은 탄소 재료에 담지한 것, 또는 불소화 처리되어 있지 않은 촉매 활성종을 불소화 처리된 탄소 재료에 담지한 것에 대하여, 불소 원자를 도입하는 것을 목적으로 하여 행하여지는 공정이다.
재불소화 처리에 있어서는, 전술한 불소화 처리와 마찬가지의 방법을 채용할 수 있다. 또한, 재불소화 처리에 있어서의 처리 조건, 구체적으로는 처리 가스 또는 처리액의 종류, 처리 가스 및 처리액 중의 불소 원자 농도, 처리 온도, 처리 시간 및 처리 압력에 대해서도, 전술한 불소화 처리에 있어서 설명한 처리 조건의 범위 내에서 필요에 따라 적절히 변경 가능하다.
또한, 재불소화 처리를 행하는 경우에도, 그의 직전 및/또는 직후에 있어서 처리 대상에 대하여 감압 처리를 행하는 것이 바람직하다. 감압 처리의 방법에 대해서는 전술한 경우와 마찬가지이다. 이에 의해, 탄소 재료의 표면 등에 부착된 수분, 미반응된 처리 가스(미반응된 불소 원자 함유 가스 등을 포함한다.), 및 불소화 처리에 의해 부생한 반응 부생물 등을 제거할 수 있다.
(연료 전지)
이어서, 본 실시 형태의 연료 전지용 촉매를 사용한 연료 전지에 대해서, 도 1에 기초하여 이하에 설명한다. 도 1은, 본 실시 형태에 관계되는 단일 셀 구조의 연료 전지를 도시하는 개략 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 연료 전지 셀(1)은 막전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)(10)와, 한 쌍의 가스 확산층(13)과, 한 쌍의 세퍼레이터(14)와, 가스킷(15)을 적어도 구비한다. 한 쌍의 가스 확산층(13)은 각각 애노드측 가스 확산층(13a)과, 캐소드측 가스 확산층(13b)을 포함하고, 이들은 막전극 접합체(10)의 양면에 당해 막전극 접합체(10)를 협지하도록 적층되어 있다. 또한, 한 쌍의 세퍼레이터(14)가 애노드측 가스 확산층(13a)과 캐소드측 가스 확산층(13b)을 협지하도록 적층되어 있다. 가스킷(15)은 막전극 접합체(10)의 외주부에 있는 고분자 전해질막(상세에 대해서는 후술한다.)을 덮도록 배치되어 있다.
또한, 연료 전지 셀(1)은 예를 들어, 당해 연료 전지 셀(1)을 접속 부재를 개재하여 직렬로 복수 적층한 셀 스택 구조로서 사용할 수 있다. 이에 의해, 고출력의 연료 전지를 실현할 수 있다.
<연료 전지용 막전극 접합체>
본 실시 형태의 막전극 접합체(10)는 고체 고분자 전해질막(11)과, 당해 고체 고분자 전해질막(11)의 양면에 마련된 한 쌍의 전극 촉매층(12), 보다 구체적으로는 애노드측 전극 촉매층(연료극)(12a) 및 캐소드측 전극 촉매층(공기극)(12b)을 적어도 구비한다.
고체 고분자 전해질막(11)은 프로톤 전도성 및 전자 절연성을 갖는 것이 바람직하다. 고체 고분자 전해질막(11)으로서는, 높은 프로톤 전도성을 갖고, 이온 교환기를 갖는 중합체 또는 공중합체 등의 공지된 재료를 포함하는 막을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들어 폴리머 골격의 일부 또는 전부가 불소화된 불소계 수지 또는 폴리머 골격에 불소 원자를 포함하지 않는 방향족계 탄화수소 수지를 들 수 있다.
상기 불소계 수지로서는 특별히 한정되지 않고 예를 들어 나피온(등록 상표, 듀퐁 가부시키가이샤), 아시플렉스(등록 상표, 아사히 가세이 가부시키가이샤), 플레미온(등록 상표, 아사히 가라스 가부시키가이샤), 고어셀렉트(등록 상표, 고어 가부시키가이샤) 등의 퍼플루오로카본술폰산계 폴리머, 폴리트리플루오로스티렌술폰산계 폴리머, 퍼플루오로카본포스폰산계 폴리머, 트리플루오로스티렌술폰산계 폴리머, 에틸렌테트라플루오로에틸렌-g-스티렌술폰산계 폴리머, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리테트라플루오로에틸렌-g-폴리스티렌술폰산계 폴리머, 폴리불화비닐리덴-g-폴리스티렌술폰산계 폴리머 등을 들 수 있다.
상기 방향족계 탄화수소 수지로서는 특별히 한정되지 않고 예를 들어 폴리술폰술폰산계 폴리머, 폴리에테르에테르케톤술폰산계 폴리머, 폴리벤즈이미다졸알킬술폰산계 폴리머, 폴리벤즈이미다졸알킬포스폰산계 폴리머, 가교 폴리스티렌술폰산계 폴리머, 폴리에테르술폰술폰산계 폴리머 등을 들 수 있다.
고체 고분자 전해질막(11)의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 통상은 5 내지 300㎛이며, 바람직하게는 10 내지 200㎛이다. 고체 고분자 전해질막(11)의 두께가 5㎛ 이상이면 막전극 접합체(10)를 형성할 때에 충분한 기계적 강도를 확보할 수 있다. 그 한편, 고체 고분자 전해질막(11)의 두께가 300㎛ 이하이면, 고체 고분자 전해질막(11)의 막 저항을 저감시킬 수 있어 발전 성능의 향상이 도모된다.
전극 촉매층(12)으로서의 애노드측 전극 촉매층(12a) 및 캐소드측 전극 촉매층(12b)은 각각 본 실시 형태의 연료 전지용 촉매와, 당해 연료 전지용 촉매를 피복하고, 프로톤 전도성을 갖는 아이오노머(전해질층)를 적어도 구비한다. 애노드측 전극 촉매층(12a) 및 캐소드측 전극 촉매층(12b)은 각각 세공을 갖고 있기 때문에, 예를 들어 애노드측 전극 촉매층(12a)에서는 그의 내부에서 수소 가스를 확산시킬 수 있다. 또한, 캐소드측 전극 촉매층(12b)에서는 그의 내부에서 산소 가스를 확산시키거나, 혹은 산소 분자의 환원 반응에 의해 생성되는 물을 투과시킬 수 있다.
아이오노머는 애노드측 전극 촉매층(12a)에 있어서, 수소 분자의 산화 반응에 의해 생성되는 프로톤이 고체 고분자 전해질막(11)으로 이동하기 위한 패스(통로)로서 기능한다. 그 한편, 캐소드측 전극 촉매층(12b)에 있어서는, 고체 고분자 전해질막(11)을 투과한 상기 프로톤이, 담지된 촉매 활성종의 근방까지 이동하기 위한 패스로서 기능한다.
아이오노머로서는 예를 들어 불소계 수지, 방향족계 탄화수소 수지, 이온 액체 등을 들 수 있다. 불소계 수지 및 방향족계 탄화수소 수지로서는, 상술한 고체 고분자 전해질(11)에서 사용되는 불소계 수지 및 방향족계 탄화수소 수지와 동일한 것을 사용할 수 있다. 아이오노머로서 불소계 수지를 포함하는 것을 사용하는 경우, 본 실시 형태의 연료 전지용 촉매에 있어서의 담체(탄소 재료)가 불소 원자를 함유할 때에는 아이오노머와 연료 전지용 촉매의 친화성을 향상시킬 수 있다. 이에 의해, 예를 들어 전극 촉매층에 있어서의 삼상 계면에 있어서, 율속 요인으로서 들 수 있는 산소 확산, 프로톤 확산이 촉진되는 상태가 된다. 그 결과, 산소 환원 반응을 향상시켜서 고전류 밀도 영역에서의 고출력을 가능하게 한다.
이온 액체로서는 특별히 한정되지 않지만 높은 프로톤 도전성을 갖는 것, -30℃ 내지 200℃의 온도 영역에서 액체상을 유지하는 것, 400℃ 이상의 고온에서도 물성 변화가 적고 내열성이 높으며 증기압이 낮은 것 등의 특성을 갖는 것이 바람직하다. 이온 액체는 구체적으로 양이온 성분과 음이온 성분으로 구성된다.
상기 양이온 성분으로서는, 4급 암모늄 양이온, 3급 암모늄 양이온, 2급 암모늄 양이온, 이미다졸륨 양이온, 피라졸륨 양이온, 피리디늄 양이온, 포스포늄 양이온, 술포늄 양이온 등을 들 수 있다.
상기 4급 암모늄 양이온으로서는, 예를 들어 테트라에틸암모늄, 테트라프로필암모늄, 테트라이소프로필암모늄, 트리메틸에틸암모늄, 디에틸디메틸암모늄, 메틸트리에틸암모늄, 트리메틸프로필암모늄, 트리메틸이소프로필암모늄, 테트라부틸암모늄, 트리메틸부틸암모늄, 트리메틸펜틸암모늄, 트리메틸헥실암모늄, 부틸트리에틸암모늄, 트리에틸펜틸암모늄, 테트라부틸암모늄, 트리부틸메틸암모늄, 에틸디메틸프로필암모늄, 메틸트리옥틸암모늄, 디에틸-2-메톡시에틸메틸암모늄, 에틸-2-메톡시에틸디메틸암모늄, 에틸-3-메톡시프로필디메틸암모늄, 벤질에틸디메틸암모늄, 에틸디메틸-2-페닐에틸암모늄, 1-메틸-1-프로필피롤리디늄, 1-부틸-1-메틸피롤리디늄, 1-메톡시메틸-1-메틸피롤리디늄, 1-(2-메톡시에틸)-1-메틸피롤리디늄, 1-알릴-1-메틸피롤리디늄, 1-메틸-1-프로필피페리디늄, 1-부틸-1-메틸피페리디늄 등을 들 수 있다.
상기 3급 암모늄 양이온으로서는, 예를 들어 트리메틸암모늄, 트리에틸암모늄, 트리프로필암모늄, 트리부틸암모늄, 디메틸에틸암모늄, 메틸디에틸암모늄, 트리이소프로필암모늄, 디메틸이소프로필암모늄, 디에틸이소프로필암모늄, 디메틸프로필암모늄, 디메틸부틸암모늄, 1-메틸피롤리디늄, 1-에틸피롤리디늄, 1-프로필피롤리디늄, 1-부틸피롤리디늄, 1-메틸피페리디늄, 1-에틸피페리디늄, 1-프로필피페리디늄, 1-부틸피페리디늄 등을 들 수 있다.
상기 2급 암모늄 양이온으로서는, 예를 들어 디메틸암모늄, 디에틸암모늄, 디프로필암모늄, 디이소프로필암모늄, 디부틸암모늄, 에틸메틸암모늄, 메틸이소프로필암모늄, 에틸이소프로필암모늄, 부틸메틸암모늄, 피롤리디늄, 피페리디늄 등을 들 수 있다.
상기 이미다졸륨 양이온으로서는, 예를 들어 1,3-디메틸-이미다졸륨, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨, 1-메틸-3-옥틸이미다졸륨, 1-메틸-3-프로필이미다졸륨, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨, 1-에틸-2,3-디메틸이미다졸륨, 1-부틸-2,3-디메틸이미다졸륨, 1-알릴-3-메틸이미다졸륨, 1-메틸이미다졸륨, 1-에틸이미다졸륨, 1-비닐이미다졸륨, 1-알릴이미다졸, 2-메틸이미다졸륨, 이미다졸륨 등을 들 수 있다.
상기 피라졸륨 양이온으로서는, 예를 들어 1,2-디메틸피라졸륨, 1-메틸-2-에틸피라졸륨, 1-프로필-2-메틸피라졸륨, 1-메틸-2-부틸피라졸륨, 1,3-디메틸피라졸륨, 1,5-디메틸피라졸륨, 1-메틸피라졸륨, 1-에틸피라졸륨, 3-메틸피라졸륨, 4-메틸피라졸륨, 3,5-디메틸피라졸륨, 피라졸륨, 4-요오도 피라졸륨, 4-브로모 피라졸륨, 4-요오도-1-메틸피라졸륨, 4-브로모-1-메틸피라졸륨, 5-요오도-1-메틸피라졸륨, 5-브로모-1-메틸피라졸륨, 3-요오도피라졸륨, 3-브로모피라졸륨, 3-트리플루오로메틸피라졸륨, 3-메틸-5-트리플루오로메틸피라졸륨 등을 들 수 있다.
상기 피리디늄 양이온으로서는, 예를 들어 1-메틸피리디늄, 1-에틸피리디늄, 1-프로필피리디늄, 1-부틸피리디늄, 1-에틸-3-메틸피리디늄, 피리디늄 등을 들 수 있다.
상기 포스포늄 양이온으로서는, 예를 들어 부틸트리에틸포스포늄, 트리에틸펜틸포스포늄, 트리에틸옥틸포스포늄, 트리에틸메톡시메틸포스포늄, 트리에틸(2-메톡시에틸)포스포늄, 트리부틸메틸포스포늄, 트리부틸에틸포스포늄, 트리부틸옥틸포스포늄, 트리부틸메톡시메틸포스포늄, 트리부틸(2-메톡시에틸)포스포늄 등을 들 수 있다.
상기 술포늄 양이온으로서는, 예를 들어 트리메틸술포늄, 트리페닐술포늄, 트리에틸술포늄 등을 들 수 있다.
이상으로 예시한 양이온 성분은 1종 단독으로, 또는 2종 이상을 병용할 수 있다.
상기 음이온 성분으로서는, 할로겐 음이온, 불소 함유 음이온, 시아노기 함유 음이온, 불소를 포함하지 않는 인산 유도체 음이온, 불소를 포함하지 않는 황산 유도체 음이온 등을 들 수 있다.
상기 할로겐 음이온으로서는, 예를 들어 Cl-, Br-, I- 등을 들 수 있다.
상기 불소 함유 음이온으로서는, 예를 들어 BF4 -, BF3CF3 -, BF3C2F5 -, PF6 -, PO2F2 -, PO2(CF3CH2O)2 -, CF3SO3 -, C2F5SO3 -, C3F7SO3 -, C4F9SO3 -, N(SO2F)2 -, N(CF3SO2)2 -, N(C2F5SO2)2 -, N(CF3SO2)(CF3CO)-, N(CF3SO2)(C2F5SO2)-, C(CF3SO2)3 -, (HF)xF-(X는 1.0 내지 2.3), SbF6 -, AsF6 -, CF3COO- 등을 들 수 있다.
상기 시아노기 함유 음이온으로서는, 예를 들어 SCN-, B(CN)4 -, N(CN)2 -, C(CN)3 - 등을 들 수 있다.
상기 불소를 포함하지 않는 인산 유도체 음이온으로서는, 예를 들어 PO2(OCH3)2 -, PO2(OC2H5)2 -, PO2[OCH(CH3)2]2 -, PO2(OC4H9)2 -, HPO2(OCH3)-, HPO2(OC2H5)-, HPO2[OCH(CH3)2]-, HPO2(OC4H9)-을 들 수 있다.
상기 불소를 포함하지 않는 황산 유도체 음이온으로서는, 예를 들어 CH3SO3 -, C2H5SO3 -, SO3(OCH3)-, SO3(OC2H5)-, SO3[OCH(CH3)]-, SO3(OC4H9)- 등을 들 수 있다.
이상으로 예시한 음이온 성분은 1종 단독으로, 또는 2종 이상을 병용할 수 있다.
또한, 아이오노머가 이온 액체일 경우, 전극 촉매층(12)은 고정화제를 포함하고 있어도 된다. 고정화제를 포함함으로써, 이온 액체가 전극 촉매층(12) 내에서 고정되어 그의 형상 및 위치가 유지된다. 이에 의해, 이온 액체에 의한 공극의 폐색을 억제할 수 있어, 전극 촉매층(12) 내를 유체가 양호하게 유통하는 것이 가능해진다. 그 결과, 전극 촉매층(12) 내에 있어서 삼상 계면을 양호하게 형성하는 것이 가능해진다.
전극 촉매층(12)의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 통상은 0.1 내지 100㎛이며, 바람직하게는 1 내지 50㎛이다. 전극 촉매층(12)의 두께를 0.1㎛ 이상으로 함으로써, 연료 전지의 원하는 발전량을 얻을 수 있다. 그 한편, 전극 촉매층(12)의 두께를 100㎛ 이하로 함으로써, 전극 촉매층(12) 내의 수소 가스 또는 산소 가스의 가스 확산의 저항을 억제하고, 또한 부생하는 물의 배출도 양호하게 할 수 있다. 그 결과, 더욱 연료 전지의 발전 성능을 향상시킬 수 있다.
전극 촉매층(12)의 제작 방법은 특별히 한정되지 않고 공지된 제작 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 본 실시 형태의 연료 전지용 촉매 및 아이오노머(프로톤 전도성을 갖는 전해질)를 물 또는 유기 용매 등에 분산시킨 촉매 잉크를 고체 고분자 전해질막(11)에 직접 도포하고, 건조시켜서 형성하는 방법을 들 수 있다. 혹은, 촉매 잉크를 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)제의 시트에 도포하고, 당해 촉매 잉크를 건조시킨 후, 고체 고분자 전해질막(11)에 핫 프레스에 의해 전사함으로써 형성하는 방법도 들 수 있다.
본 실시의 연료 전지용 촉매와 아이오노머를 분산시키는 유기 용매로서는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 1-부탄올, 2-부탄올, 이소부틸알코올, tert-부틸알코올, 펜탄올, 아세톤, 메틸에틸케톤, 펜타논, 메틸이소부틸케톤, 헵타논, 시클로헥사논, 메틸시클로헥사논, 아세토닐아세톤, 디이소부틸케톤, 테트라히드로푸란, 디옥산, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 아니솔, 메톡시톨루엔, 디부틸에테르, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, N-메틸피롤리돈, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 디아세톤알코올, 1-메톡시-2-프로판올 등을 들 수 있다.
상기 촉매 잉크에 있어서의 연료 전지용 촉매와 아이오노머의 혼합 비율은 특별히 한정되지 않는다. 통상은 연료 전지용 촉매의 담체(담체가 불소화 처리되어 있는 경우에는, 불소 원자를 포함한다.)에 대한 아이오노머의 질량 비율이 30 내지 200중량％이며, 바람직하게는 40 내지 150중량％이며, 보다 바람직하게는 50 내지 120중량％이다. 상기 연료 전지용 촉매의 담체에 대한 아이오노머의 질량 비율을 30질량％ 이상으로 함으로써, 형성되는 애노드측 전극 촉매층(12a) 및 캐소드측 전극 촉매층(12b)의 구조가 안정되고, 전극 촉매층(12) 내의 이온 전도성을 양호하게 할 수 있다. 또한, 상기 연료 전지용 촉매의 담체에 대한 아이오노머의 질량 비율을 200질량％ 이하로 함으로써, 촉매 활성종의 표면이 아이오노머에 의해 과잉으로 피복되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 양호한 삼상 계면을 형성할 수 있다.
또한, 상기 연료 전지용 촉매 및 상기 전해질의 용매에 대한 분산 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 볼 밀, 디졸버, 초음파식 균질기, 고압식 균질기 등의 공지된 분산용 장치를 사용하여 분산시킬 수 있다. 또한, 촉매 잉크의 건조 방법으로서는 특별히 한정되지 않고, 자연 건조, 열풍 건조, 적외선 건조 등에 의해 건조를 행할 수 있다. 또한, 건조 시간이나 건조 온도 등의 건조 조건에 대해서도 특별히 한정되지 않고, 촉매 잉크의 농도, 도포량 등에 따라서 적절히 설정할 수 있다.
<가스 확산층>
가스 확산층(13)은 전자 전도성을 갖는 다공질체를 포함한다. 전자 전도성을 가짐으로써, 연료 전지의 반응에서 유래되는 전자의 이동을 가능하게 하고 있다. 또한, 다공질체를 포함하는 것에 의해, 애노드측 가스 확산층(13a)에서는 연료 가스에 포함되는 수소 가스의 양호한 확산을 가능하게 하고, 캐소드측 가스 확산층(13b)에서는 산화제 가스에 포함되는 공기의 양호한 확산을 가능하게 한다. 또한, 캐소드측 전극 촉매층(12b)에서는, 부생되는 물을 배출하기 위한 배출로로서의 기능도 행한다.
가스 확산층(13)의 재료로서는 특별히 한정되지 않지만, 연료 가스에 포함되는 수소 가스 및 산화제 가스에 포함되는 공기에 대하여 불활성이며, 유체의 확산성이 높고, 내식성을 구비하고, 전자 전도성이 높은 재료가 바람직하다. 그러한 재료로서는, 예를 들어 토레카(등록 상표, 도레이 가부시키가이샤) 또는 파이로 필(등록 상표, 미쯔비시 레이온 가부시키가이샤) 등의 카본 페이퍼, 카본 클로스, 다공질 기재 등을 들 수 있다.
본 발명에 있어서의 가스 확산층(13)의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 통상은 50 내지 500㎛이며, 바람직하게는 100 내지 300㎛이다. 가스 확산층(13)의 두께를 50㎛ 이상으로 함으로써, 가스 확산층(13)의 기계적 강도의 유지가 도모된다. 또한, 가스 확산층(13)을 500㎛ 이하로 함으로써, 가스 확산층(13) 내의 가스 확산의 저항을 억제할 수 있고, 또한 부생되는 물을 양호하게 배출할 수 있다. 그 결과, 연료 전지의 발전 성능의 향상이 도모된다.
<세퍼레이터>
세퍼레이터(14)의 재료로서는 특별히 한정되지 않지만, 연료 가스에 포함되는 수소 가스 및 산화제 가스에 포함되는 공기에 대하여 불활성이며, 가스 시일성이 높고, 내식성을 부여하는 것이 바람직하다. 또한, 전자 전도성이 높고, 기계적 강도가 우수한 것이 바람직하다. 그러한 재료로서는, 예를 들어 등방성 카본이나 탄소판 등을 포함하는 카본제의 것을 들 수 있다. 또한, 스테인리스 등의 금속제를 포함하는 것도 들 수 있다. 또한, 스테인리스, 티타늄 또는 알루미늄 등의 금속제의 부재의 표면에 카본 재료가 코팅된 것을 사용해도 된다. 또한, 세퍼레이터(14)는 연료인 수소와 공기를 분리하는 기능을 갖는 것이 바람직하고, 이에 의해 표면에 가스의 유로를 성형할 수 있다. 또한, 세퍼레이터(14)의 두께로서는 특별히 한정되지 않고 적절히 필요에 따라 설정할 수 있다.
<가스킷>
가스킷(15)은 전극 촉매층(12) 및 가스 확산층(13)의 단부에 인접하는 위치이며, 고체 고분자 전해질막(11)과 세퍼레이터(14) 사이에 구비된다. 연료 전지(1)가 가스킷(15)을 구비함으로써, 전극 촉매층(12) 및 가스 확산층(13)의 단부가 시일되어, 공급되는 가스가 전극 촉매층(12) 및 가스 확산층(13)의 단부로부터 누설되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 연료 전지(1)의 제작 시에, 양측의 세퍼레이터(14)로부터 중심 방향(고체 고분자 전해질막(11) 방향)으로의 압력이 발생하는데, 가스킷(15)을 구비함으로써 당해 압력에 의한 전극 촉매층(12) 및 가스 확산층(13)의 공극의 압궤를 방지할 수 있다.
가스킷(15)으로서는, 연료 가스에 포함되는 수소 가스나 산화제 가스에 포함되는 공기에 대하여 불활성이며, 가스 시일성이 높고, 셀 조립 시의 압력에 대하여 신축 변위가 적고, 치수 안정성이 양호한 공지된 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 불소 고무, 실리콘 고무, 에틸렌프로필렌 고무(EPDM), 폴리이소부틸렌 고무 등의 고무 재료, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리헥사플루오로프로필렌, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP) 등의 불소계의 고분자 재료, 폴리올레핀이나 폴리에스테르 등의 열가역성 수지 등을 들 수 있다.
가스킷(15)의 두께로서는 특별히 한정되지 않고 전극 촉매층(12)의 두께 및 가스 확산층(13)의 두께에 따라서 적절히 설정할 수 있다.
실시예
이하에, 본 발명의 적합한 실시예를 예시적으로 상세하게 설명한다. 단, 이 실시예에 기재되어 있는 재료나 배합량 등은 특별히 한정적인 기재가 없는 한, 본 발명의 범위를 그들로만 한정하는 취지의 것은 아니다.
(실시예 1)
<담체의 불소화 처리>
PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌)제 용기(용량 5mL)에, 담체로서 비표면적이 800㎡/g인 카본 블랙(상품명; 케첸 블랙 EC300J, 라이온·스페셜리티·케미컬 가부시키가이샤) 0.300g을 첨가하고, 본 용기를 전해 연마된 SUS316L제 챔버(용량 30mL) 내에 설치하였다. 이어서, 챔버 내를 진공으로 한 후에, 질소 가스를 도입했다(진공 치환). 또한, 질소 기류(20mL/min) 하, 승온 속도 4℃/min으로 챔버 내의 온도를 250℃로 승온시키고, 1시간의 항온 처리를 행하였다. 그 후, 챔버 내의 온도를 50℃까지 냉각하고, 1시간의 항온 처리를 행하였다.
이어서, 챔버 내의 온도를 50℃로 유지한 채 진공화를 행하여 질소 가스를 제거한 후, 챔버 내에, 불소(F2) 가스를 질소 가스로 농도 10vol％로 희석한 혼합 가스(처리 가스)를 도입했다(진공 치환). 이에 의해, 카본 블랙을 불소화 처리하였다. 불소화 처리의 처리 조건은 처리 시간 4시간, 처리 온도 50℃, 처리 압력을 상압 하로 하였다. 그 후, 상기 챔버 내를 진공(10Pa)으로 하여 혼합 가스를 제거한 후, 질소 가스를 도입했다(진공 치환). 또한, 질소 기류(20mL/min) 하, 실온까지 방랭하였다. 이에 의해, 불소화된 카본 블랙(즉, 불소 원자가 도입된 카본 블랙)을 제작하였다.
<연료 전지용 촉매의 제작>
염화백금산 6수화물(H2PtCl6·6H2O) 0.797g을 용해시킨 수용액 100mL에 대하여 불소화 처리된 카본 블랙 0.300g을 첨가하고, 초음파 균질기를 사용하여 담체를 수용액 중에 분산시켰다. 이 분산액에 1mol/L의 수산화나트륨 수용액을 첨가하고, pH를 11 내지 12의 범위로 조절하였다.
계속해서, 이 분산액을 N2 분위기 하에서 90℃로 가열하고, NaBH4 용액을 첨가하여 백금을 환원시켰다. 환원 후의 분산액을 고액 분리하고, 얻어진 결정을 세정한 후, 90℃의 온도 조건 하에서 진공 건조시켜서, 백금을 담지한 연료 전지용 촉매를 제작하였다.
(실시예 2)
본 실시예에서는, 불소화 처리를 행할 때의 처리 가스에 있어서의 불소 가스의 농도를 5vol％로 변경하였다. 그 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 본 실시예에 관계되는 연료 전지용 촉매를 제작하였다.
(실시예 3)
본 실시예에서는, 불소화 처리를 행할 때의 처리 가스에 있어서의 불소 가스의 농도를 20vol％로 변경하였다. 그 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 본 실시예에 관계되는 연료 전지용 촉매를 제작하였다.
(비교예 1)
본 비교예에 있어서는, 불소화 처리가 되어 있지 않은 케첸 블랙(담체)에 백금이 담지된 백금 담지 촉매(제품 번호: TEC10E50E, 다나카 기킨조쿠 가부시키가이샤제)를 연료 전지용 촉매에 사용하였다.
(실시예 4)
본 실시예에서는, 불소화 처리를 행할 때의 처리 가스에 있어서의 불소 가스의 농도를 80vol％로 변경하고, 처리 온도를 80℃로 변경하였다. 그 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 본 실시예에 관계되는 연료 전지용 촉매를 제작하였다.
(실시예 5)
본 실시예에서는, 불소화 처리가 되어 있지 않은 상기 케첸 블랙(담체)에 백금이 담지된 백금 담지 촉매(제품 번호: TEC10E50E, 다나카 기킨조쿠 가부시키가이샤제)를 불소화 처리하였다. 또한, 불소화 처리를 행할 때의 처리 가스에 있어서의 불소 가스의 농도를 10vol％로 변경하였다. 그 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 본 실시예에 관계되는 연료 전지용 촉매를 제작하였다.
(실시예 6)
본 실시예에서는, 실시예 2에서 얻어진 연료 전지용 촉매를 다시 불소화 처리하였다. 다시 불소화 처리하는 조건은 실시예 1과 마찬가지로 하여, 본 실시예에 관계되는 연료 전지용 촉매를 제작하였다.
(연료 전지용 촉매 중의 백금 함유율)
실시예 1 내지 6 및 비교예 1에서 얻어진 연료 전지용 촉매에 있어서, 각각의 연료 전지용 촉매의 전체 질량에 대한 백금 함유율을 구하였다. 즉, 전기로를 사용하여 800℃의 산소 분위기 하에서 각 연료 전지용 촉매를 연소시켰다. 연소후의 잔분량을 백금량으로 하여, 연소 전의 중량으로부터 백금 함량을 산출하였다. 결과를 표 1에 나타내었다.
(연료 전지용 촉매 표면의 원소 분석)
실시예 1 내지 6에서 얻어진 연료 전지용 촉매에 대해서, 그들의 표면의 불소 원자와 탄소 원자의 정량 분석을 행하였다. 정량 분석은, 다기능 주사형 X선 광전자 분광 분석 장치(울백·파이 가부시키가이샤제, Versa ProbeIII)를 사용하여, X선 광전자 분광법에 의해 행하였다. 측정 조건으로서는, X선원: AlKα선, 패스 에너지: 112eV, 스텝 에너지: 0.05eV, 검출 각도: 45°로 하였다. 또한, C1s, F1s의 광전자 분광 스펙트럼의 피크 강도로부터, 각 연료 전지용 촉매의 표면 불소 원자와 탄소 원자의 원자수의 비(F/C)S를 산출하였다. 결과를 표 1에 나타내었다.
(연료 전지용 촉매 전체의 원소 분석)
실시예 1 내지 6에서 얻어진 연료 전지용 촉매에 대해서, 당해 연료 전지용 촉매 전체의 불소 원자와 탄소 원자의 정량 분석을 행하였다. 정량 분석은 연소 플라스크법에 의해 행하였다.
즉, 산소 가스를 충전하여 밀폐한 용적 500mL의 플라스크 용기 내에서, 각 연료 전지용 촉매를 각각 연소시켰다. 계속해서, 연소에 의해 발생한 가스를 플라스크 내의 시료액(1.7mmol/L 탄산수소나트륨, 1.8mmol/L 탄산나트륨의 혼합 수용액)에 흡수시키고, 당해 시험액 중에 포함되는 불소 이온의 함유량을 이온 크로마토그래피(다이오넥스사 ICS-1000, 칼럼 AS-23)로 정량하였다.
계속해서, 정량한 불소 이온의 함유량으로부터, 각 연료 전지용 촉매 전체에 있어서의 불소 원자의 함유량을 산출하였다. 또한, 연료 전지용 촉매의 질량으로부터, 전술한 백금 함유율을 기초로 환산되는 백금 함량과, 연료 전지용 촉매 전체에 있어서의 불소 원자의 함유량을 제외한 양을, 연료 전지용 촉매 전체에 있어서의 탄소 원자의 함유량으로서 산출하였다. 이에 의해, 각 연료 전지용 촉매의 전체에 있어서의 탄소 원자의 원자수에 대한 불소 원자의 원자수의 비(F/C)W를 구하고, 또한 (F/C)S/(F/C)W를 산출하였다. 결과를 표 1에 나타내었다.
(연료 전지용 촉매의 일함수)
실시예 1 내지 6 및 비교예 1의 연료 전지용 촉매에 대해서, 각각의 일함수를 구하였다. 일함수는 다기능 주사형 X선 광전자 분광 분석 장치(울백·파이 가부시키가이샤제, Versa Probe III)를 사용하여, 자외선 광전자 분광법에 의해 구하였다. 또한, 측정 조건은 자외선원: HeI선, 패스 에너지: 1.3eV, 스텝 에너지: 0.005eV, 검출 각도: 90°로 하였다. 그리고, 결합 에너지와 진공 준위의 에너지 차를 구함으로써, 각 연료 전지용 촉매의 일함수를 산출하였다. 결과를 표 1에 나타내었다.
(연료 전지의 제작)
<캐소드측 전극 촉매층의 제작>
실시예 1 내지 6 또는 비교예 1의 연료 전지용 촉매에 있어서의 백금 함유율을 바탕으로, 백금의 함유량이 16mg이 되도록 연료 전지용 촉매를 각각 칭량하였다. 이어서, 아이오노머로서의 나피온(등록 상표) 용액(듀퐁제, DE520CS Type)을 각각 첨가하였다. 아이오노머의 첨가는, 연료 전지용 촉매에 있어서의 백금과 불소 원자를 제외하는 담체의 질량에 대하여 70질량％가 되도록 하였다.
계속해서, 초순수와 2-프로판올의 체적 비율이 1:1인 혼합 용매를, 연료 전지용 촉매 및 아이오노머의 혼합물에 각각 첨가하였다. 이때, 혼합 용매의 첨가는 연료 전지용 촉매 및 아이오노머의 고형분 함량이 5질량％가 되도록 행하였다. 그 후, 초음파 균질기로 30분간, 연료 전지용 촉매 및 아이오노머를 분산시켜, 각 실시예 1 내지 6 및 비교예 1에 관계되는 촉매 잉크를 제작하였다.
이어서, 제작한 촉매 잉크를 각각 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 시트에 도포하고 건조시켰다. 이에 의해, 각 실시예 1 내지 6 및 비교예 1에 관계되는 캐소드측 전극 촉매층을 PTFE 시트 상에 형성하였다. 또한, 촉매 잉크의 도포량은, 형성되는 전극 촉매층의 백금 단위 면적당 중량이 0.25mg/㎠가 되도록 설정하였다.
<애노드측 전극 촉매층의 제작>
시판하고 있는 백금 담지 촉매(제품 번호: TEC10E50E, 다나카 기킨조쿠 가부시키가이샤)를 사용하여, 백금의 함유량이 16mg이 되도록 백금 담지 촉매를 칭량하였다. 이어서, 아이오노머로서의 나피온(등록 상표) 용액(듀퐁제, DE520CS Type)을 첨가하였다. 아이오노머의 첨가는, 연료 전지용 촉매에 있어서의 백금을 제외하는 담체의 질량에 대하여 100질량％가 되도록 하였다.
계속해서, 초순수와 2-프로판올의 체적 비율이 1:1인 혼합 용매를, 연료 전지용 촉매 및 아이오노머의 혼합물에 첨가하였다. 이때 혼합 용매의 첨가는, 백금 담지 촉매 및 아이오노머의 고형분 함량이 5질량％가 되도록 행하였다. 그 후, 초음파 균질기로 30분간, 백금 담지 촉매 및 아이오노머를 분산시켜, 촉매 잉크를 제작하였다.
이어서, 제작한 촉매 잉크를 PTFE 시트에 도포하여 건조시켰다. 이에 의해, 애노드측 전극 촉매층을 PTFE 시트 상에 형성하였다. 또한, 촉매 잉크의 도포량은, 형성되는 전극 촉매층의 백금 단위 면적당 중량이 0.25mg/㎠가 되도록 설정하였다.
<연료 전지의 조립>
PTFE 시트 상에 형성된 애노드측 전극 촉매층, 및 PTFE 시트 상에 형성된 캐소드측 전극 촉매층을 각각 한변이 1㎝인 사각형으로 잘라내고, 각각을 고체 고분자 전해질막(NR-211, 듀퐁 가부시키가이샤)의 양면에 적층하여 적층체를 제작하였다.
이어서, 이 적층체를 150℃에서 3분간, 1.2MPa의 압력에서 프레스하여, PTFE 시트 상에 형성되어 있었던 애노드측 전극 촉매층 및 캐소드측 전극 촉매층을 고체 고분자 전해질막에 전사하였다. 그 후, PTFE 시트를 박리하였다. 이 방법에 의해, 실시예 1 내지 6 및 비교예 1에 관계되는 연료 전지용 촉매를 사용한 막전극 접합체를 각각 제작하였다. 이때의 애노드측 전극 촉매층 및 캐소드측 전극 촉매층의 두께는 각각 7㎛이며, 고체 고분자 전해질막의 두께는 25㎛였다.
또한, 각 막전극 접합체를 협지하도록 한 쌍의 가스 확산층(TGP-H-060, 도레이 가부시키가이샤제)을 배치하고, 가스 확산층(두께 190㎛)을 적층하였다.
계속해서, 한 쌍의 가스 확산층의 양면에, 가스의 유로가 되는 홈이 형성된 세퍼레이터를 배치하여 협지시키고, 이에 의해 실시예 1 내지 6 및 비교예 1에 관계되는 연료 전지 셀을 각각 제작하였다.
(출력 전압의 평가)
실시예 1 내지 6 및 비교예 1에 관계되는 연료 전지 셀에 대해서, 초기의 출력 전압 평가를 행하였다.
즉, 얻어진 연료 전지 셀에, 상압에서 애노드측에 수소 가스(이용률 5％)를 공급하고, 캐소드측에 공기를 공급함으로써 산소(이용률 5％)를 공급하였다. 셀 내의 상대 습도는 60％RH였다. 셀 온도 80℃에서, 운전 시의 전류 밀도가 1.0A/㎝-2에 있어서의 운전 초기의 출력 전압(초기 셀 전압)을 측정하였다. 결과를 표 2에 나타내었다.
(연료 전지의 기동 정지)
연료 전지 셀의 온도를 80℃로 하고, 셀 내의 상대 습도가 100％RH가 되도록 가습 제어하여, 애노드측 및 캐소드측에 각각 질소 가스를 공급하였다.
계속해서 0.5V/초의 전위 주사 속도로, 1.0 내지 1.5V의 전위 범위에서 전위 주사를 반복하고, 이것을 각 연료 전지 셀의 기동 및 정지를 모방한 전위 주사의 사이클로 하였다. 1500사이클 후에 각 연료 전지 셀의 출력 전압을 측정하였다. 측정 방법은 전술한 경우와 마찬가지로 하였다. 결과를 표 2에 나타내었다.
1: 연료 전지
10: 막전극 접합체
11: 고체 고분자 전해질막
12: 전극 촉매층
12a: 애노드측 전극 촉매층
12b: 캐소드측 전극 촉매층
13: 가스 확산층
13a: 애노드측 가스 확산층
13b: 캐소드측 가스 확산층
14: 세퍼레이터
15: 가스킷
10: 막전극 접합체
11: 고체 고분자 전해질막
12: 전극 촉매층
12a: 애노드측 전극 촉매층
12b: 캐소드측 전극 촉매층
13: 가스 확산층
13a: 애노드측 가스 확산층
13b: 캐소드측 가스 확산층
14: 세퍼레이터
15: 가스킷
Claims (14)
- 촉매 활성종과, 상기 촉매 활성종을 담지하는 담체를 적어도 갖는 연료 전지용 촉매로서,
상기 촉매 활성종이 백금, 백금 합금, 및 백금과 다른 금속의 코어를, 백금을 포함하는 셸로 피복한 코어 셸 촉매로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종이며,
상기 담체가 탄소 재료이며,
상기 촉매 활성종 및 상기 담체 중 적어도 어느 한 쪽은 불소 원자를 포함하고,
상기 촉매 활성종에 포함되는 상기 불소 원자는, 상기 촉매 활성종의 표면에 흡착되어 존재하고 있고,
상기 담체에 포함되는 상기 불소 원자는, 상기 담체인 상기 탄소 재료의 외표면 및 세공의 내부 표면에 흡착되어 존재하고 있고,
상기 담체에 포함되는 탄소 원자의 원자수에 대한, 상기 촉매 활성종 및 상기 담체 중 적어도 어느 한 쪽에 포함되는 상기 불소 원자의 원자수의 비가 다음 식 (1)로 표시되는 관계를 충족하는, 연료 전지용 촉매.
(F/C)S/(F/C)W<0.8 …(1)
(단, (F/C)S는 연료 전지용 촉매의 표면에 있어서의 탄소 원자의 원자수에 대한 불소 원자의 원자수의 비를 나타내고, (F/C)W는 연료 전지용 촉매의 전체에 있어서의 탄소 원자의 원자수에 대한 불소 원자의 원자수의 비를 나타낸다.) - 제1항에 있어서, 상기 (F/C)S가 0.4 미만인, 연료 전지용 촉매.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄소 재료가 그래파이트, 산화 그래파이트, 카본 블랙, 흑연화 카본 블랙, 다이아몬드 라이크 카본, 풀러렌, 단층 카본 나노튜브, 다층 카본 나노튜브, 카본 나노혼, 카본 나노월, 카본 나노파이버, 카본 나노브러시, 단층 그래핀, 다층 그래핀, 및 산화 그래핀으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종인, 연료 전지용 촉매.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 일함수가 4 내지 7.5eV의 범위인, 연료 전지용 촉매.
- 고체 고분자 전해질막과, 당해 고체 고분자 전해질막의 양쪽 표면에 배치된 전극 촉매층을 적어도 갖는 연료 전지용 막전극 접합체로서,
상기 전극 촉매층이 연료 전지용 촉매와, 당해 연료 전지용 촉매를 피복하는 아이오노머를 적어도 갖고 있으며,
상기 연료 전지용 촉매가 촉매 활성종과, 상기 촉매 활성종을 담지하는 담체를 적어도 갖고,
상기 촉매 활성종이 백금, 백금 합금, 및 백금과 다른 금속의 코어를, 백금을 포함하는 셸로 피복한 코어 셸 촉매로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종이며,
상기 담체가 탄소 재료이며,
상기 촉매 활성종 및 상기 담체 중 적어도 어느 한 쪽은 불소 원자를 포함하고,
상기 촉매 활성종에 포함되는 상기 불소 원자는, 상기 촉매 활성종의 표면에 흡착되어 존재하고 있고,
상기 담체에 포함되는 상기 불소 원자는, 상기 담체인 상기 탄소 재료의 외표면 및 세공의 내부 표면에 흡착되어 존재하고 있고,
상기 담체에 포함되는 탄소 원자의 원자수에 대한, 상기 촉매 활성종 및 상기 담체 중 적어도 어느 한 쪽에 포함되는 상기 불소 원자의 원자수의 비가 다음 식 (1)로 표시되는 관계를 충족하는, 연료 전지용 막전극 접합체.
(F/C)S/(F/C)W<0.8 …(1)
(단, (F/C)S는 연료 전지용 촉매의 표면에 있어서의 탄소 원자의 원자수에 대한 불소 원자의 원자수의 비를 나타내고, (F/C)W는 연료 전지용 촉매의 전체에 있어서의 탄소 원자의 원자수에 대한 불소 원자의 원자수의 비를 나타낸다.) - 제5항에 있어서, 상기 (F/C)S가 0.4 미만인, 연료 전지용 막전극 접합체.
- 제5항에 있어서, 상기 탄소 재료가 그래파이트, 산화 그래파이트, 카본 블랙, 흑연화 카본 블랙, 다이아몬드 라이크 카본, 풀러렌, 단층 카본 나노튜브, 다층 카본 나노튜브, 카본 나노혼, 카본 나노월, 카본 나노파이버, 카본 나노브러시, 단층 그래핀, 다층 그래핀, 및 산화 그래핀으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종인, 연료 전지용 막전극 접합체.
- 제5항에 있어서, 일함수가 4 내지 7.5eV의 범위인, 연료 전지용 막전극 접합체.
- 제5항에 있어서, 상기 아이오노머가 불소계 수지인, 연료 전지용 막전극 접합체.
- 제5항에 있어서, 상기 아이오노머가 방향족계 탄화수소 수지인, 연료 전지용 막전극 접합체.
- 제5항에 있어서, 상기 아이오노머가 이온 액체인, 연료 전지용 막전극 접합체.
- 제5항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지용 막전극 접합체를 구비하는 연료 전지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 불소 원자의 함유량은, 상기 연료 전지용 촉매의 전체 질량에 대하여 0.1 내지 30질량％인, 연료 전지용 촉매.
- 제5항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불소 원자의 함유량은, 상기 연료 전지용 촉매의 전체 질량에 대하여 0.1 내지 30질량％인, 연료 전지용 막전극 접합체.
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