KR20150070326A - 금속 촉매 담지체의 제조 방법, 금속 촉매 담지체, 연료 전지의 제조 방법, 촉매 담지 장치 - Google Patents

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Abstract

담체에 금속 촉매를 담지시킬 때, 금속 촉매의 입자 직경의 편차가 발생하는 것을 억제할 수 있는 기술을 제공한다. 처리실(101) 내에 담체인 카본 나노튜브(11)[CNT(11)]가 배열된 CNT 기판(10)을 배치한다. 처리실(101)에 이산화탄소를 공급한다. 처리실(101)의 이산화탄소를 초임계 상태로 한 후, 처리실(101)에 백금의 착체가 용해된 착체 용액을 공급한다. CNT(11)의 온도인 샘플 온도(TS)를, 처리실(101) 내의 분위기 온도(TF)보다 높게 한다. 분위기 온도(TF)와 샘플 온도(TS) 사이의 온도차(ΔT)가 감소와 증대를 반복하도록, CNT 기판(10)을 가열한다. 초임계 유체의 초임계 상태를 해제한 후에, CNT 기판(10)을 가열하여, CNT의 표면에 금속 촉매를 석출시킨다.

Description

금속 촉매 담지체의 제조 방법, 금속 촉매 담지체, 연료 전지의 제조 방법, 촉매 담지 장치 {METAL CATALYST CARRIER MANUFACTURING METHOD, METAL CATALYST CARRIER, FUEL CELL MANUFACTURING METHOD, CATALYST-CARRYING DEVICE}
본 발명은, 담체에 금속 촉매를 담지시킨 금속 촉매 담지체에 관한 것이다.
금속 촉매는, 미세한 공극을 갖는 담체 기재의 당해 공극 내에 담지되는 경우가 있다. 예를 들어, 연료 전지에서는, 전극이, 반응 가스의 확산 경로로서 기능하는 미세한 공극을 갖는 도전성 부재에 의해 구성되어 있고, 당해 도전성 부재의 공극 내에, 전기 화학 반응을 촉진시키기 위한 금속 촉매로서의 백금이 담지된다. 이와 같이 미세한 공극을 갖는 담체 기재의 당해 공극 내에 금속 촉매를 담지시키는 기술로서는, 하기의 특허문헌 1, 2가 제안되어 있다. 특허문헌 1이나 특허문헌 2에는, 초임계 이산화탄소 중에 백금의 착체 용액을 분산시켜, 당해 초임계 이산화탄소 중에 배치된 카본 나노튜브 기판이나 다공질 기재에 백금을 담지시키는 기술이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2012-076048호 공보 일본 특허 공개 제2000-017442호 공보
그런데, 연료 전지의 전극에서는, 금속 촉매의 입자 직경이 균일한 것이 바람직하다. 전극에 있어서 입자 직경이 균일한 촉매 금속이 분산되어 담지되어 있으면, 전극에 있어서의 금속 촉매의 표면적을 확보할 수 있어, 연료 전지의 발전 성능을 향상시킬 수 있다. 반대로, 전극에 있어서의 금속 촉매의 입자 직경이 불균일하면, 연료 전지의 발전 중에, 입자 직경이 작은 금속 촉매가 입자 직경이 큰 금속 촉매에 흡수되어 버려, 전극에 있어서의 금속 촉매의 표면적이 감소해 버릴 가능성이 있다. 이와 같이, 연료 전지에서는, 전극에 있어서의 금속 촉매의 입자 직경의 불균일성(편차)이 억제되어 있는 것이 바람직하다. 금속 촉매의 입자 직경의 편차의 발생을 억제하는 것은, 연료 전지의 분야에 한정되지 않고, 금속 촉매를 전극 등에 이용하는 분야에 있어서 공통되는 과제였다.
그러나, 특허문헌 1이나 특허문헌 2에는, 초임계 유체를 사용하여 담체 기재에 대한 금속 촉매의 분산성을 향상시키는 것에 대해서는 개시되어 있지만, 금속 촉매의 입자 직경의 편차의 발생을 억제하는 것에 대해서는 전혀 개시가 되어 있지 않다. 이와 같이, 종래의 기술에 있어서는, 금속 촉매의 입자 직경의 편차의 발생을 억제하는 것에 대해 충분한 고안이 이루어지지 않았다. 또한, 담체에 있어서의 금속 촉매의 분산성을 향상시키는 것에 대해서도 여전히 개선의 여지가 있었다. 그 밖에, 금속 촉매의 담지 공정에 있어서는, 그 처리 공정의 저비용화나, 자원 절약화, 간이화, 처리 장치·처리 설비의 소형화, 사용 편의성의 향상 등이 요구되어 왔다.
본 발명은, 상술한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.
[1] 본 발명의 일 형태에 의하면, 금속 촉매를 담체에 담지시킨 금속 촉매 담지체의 제조 방법이 제공된다. 이 방법은, (a) 처리실에 상기 담체를 배치하여, 상기 처리실을 초임계 유체로 채우고, 상기 초임계 유체 중에 상기 금속 촉매의 착체를 분산시키는 공정과, (b) 상기 담체의 온도 또는 상기 처리실 내의 분위기 온도 중 적어도 한쪽을 제어하여, 상기 담체의 온도와 상기 분위기 온도 사이의 온도차를 변동시키는 공정과, (c) 상기 초임계 유체의 초임계 상태를 해제한 후에, 상기 담체의 표면에 상기 금속 촉매를 석출시키는 공정을 구비한다. 이 제조 방법에 의하면, 담체에 금속 촉매의 결정핵을 흡착시키는 공정에 있어서, 담체의 온도와 분위기 온도 사이의 온도차를 변동시킴으로써 금속 촉매의 결정핵의 성장 과정에 시간적인 편차를 갖게 할 수 있다. 즉, 먼저 생성된 금속 촉매의 결정핵일수록 입경이 커져 버리는 격차를 축소할 수 있어, 담체에 있어서의 금속 촉매의 입자 직경의 편차의 발생을 억제할 수 있다.
[2] 상기 형태의 제조 방법에 있어서, 상기 공정 (b)는, 상기 담체의 가열 온도를 제어하여 상기 담체의 온도를 변동시키는 공정이어도 된다. 이 형태의 제조 방법에 의하면, 담체의 가열 온도의 제어에 의해, 용이하게 금속 촉매의 입자 직경의 편차의 발생을 억제할 수 있다.
[3] 상기 형태의 제조 방법에 있어서, 상기 공정 (b)는, (b1) 상기 담체의 온도를 상기 분위기 온도보다 높게 하는 공정과, (b2) 상기 공정 (b1) 후에 상기 담체의 온도와 상기 분위기 온도 사이의 온도차를 일시적으로 감소시키는 공정을 포함하는 공정이어도 된다. 이 형태의 제조 방법에 의하면, 일단, 담체의 온도가 분위기 온도보다도 높아짐으로써, 담체 근방에 있어서 착체의 농도 분포를 발생시켜, 담체 표면에 대한 금속 촉매의 착체 흡착을 촉진시킬 수 있다. 또한, 그 후에, 담체의 온도와 분위기 온도 사이의 온도차를 일시적으로 저하시킴으로써, 이미 생성되어 있는 결정핵의 성장이 일단 억제되어, 나중에 생성되는 결정핵과의 입자 직경의 차가 축소된다. 따라서, 담체에 있어서의 금속 촉매의 입자 직경의 편차의 발생이 억제된다.
[4] 상기 형태의 제조 방법에 있어서, 상기 공정 (b2)는, 상기 담체의 온도를, 상기 분위기 온도 직전의 제1 온도까지 강온시킨 후에, 상기 금속 촉매의 석출 온도보다도 낮은 제2 온도까지 승온시키는 공정이어도 된다. 이 형태의 제조 방법에 의하면, 담체에 금속 촉매의 착체를 흡착시키는 공정에 있어서의 담체와 분위기 온도 사이의 온도차를 크게 변화시킬 수 있어, 금속 촉매의 입자 직경의 편차를 보다 작게 할 수 있다.
[5] 상기 형태의 제조 방법에 있어서, 상기 공정 (b2)는, 상기 공정 (b1) 후, 상기 공정 (c)에 있어서 상기 초임계 유체의 초임계 상태가 해제될 때까지의 사이의 기간의 전체에 걸쳐 상기 온도차의 감소와 증대가 복수회 반복되는 공정이어도 된다. 이 방법에 의하면, 열역학적으로 안정된 성장 단계에 들어가 있는 결정핵의 성장이, 담체에 금속 촉매의 결정핵을 흡착시키는 공정의 사이에 복수회에 걸쳐 다단계로 억제된다. 그로 인해, 먼저 생성된 결정핵과 나중에 생성된 결정핵 사이의 입자 직경의 차를 보다 효과적으로 축소할 수 있어, 금속 촉매의 입자 직경의 편차의 발생이 더욱 억제된다.
[6] 상기 형태의 제조 방법에서는, 상기 공정 (b1) 후, 상기 공정 (c)에 있어서 상기 초임계 유체의 초임계 상태가 해제될 때까지의 사이의 기간이, 상기 담체에 담지시키는 상기 금속 촉매의 양의 목표값에 따라서 결정되어도 된다. 이 방법이면, 금속 촉매의 입자 직경의 편차의 발생을 억제하면서, 담체에 대한 금속 촉매의 담지량을 조정할 수 있다.
[7] 본 발명의 다른 형태에 의하면, 담체에 금속 촉매를 담지시킨 금속 촉매 담지체가 제공된다. 이 금속 촉매 담지체는, 상기 [1] 내지 [6] 중 어느 하나의 형태의 제조 방법에 의해 제조된다. 이 금속 촉매 담지체이면 금속 촉매의 입자 직경의 편차가 억제되어 있으므로, 전기 화학 반응 등의 반응장으로 되는 전극 등에 적합하다.
[8] 본 발명의 다른 형태에 의하면, 연료 전지의 제조 방법이 제공된다. 이 방법은, (A) 상기한 [1] 내지 [6] 중 어느 하나에 기재된 방법에 의해, 도전성을 갖는 담체에 금속 촉매를 담지시킨 금속 촉매 담지체를 제조하는 공정과, (B) 상기 금속 촉매 담지체에 의해 가스 확산성을 갖는 전극층을 형성하여, 전해질막의 표면에 배치하는 공정을 구비한다. 이 제조 방법이면, 전극에 있어서의 금속 촉매의 입자 직경의 편차가 저감되어 있는 연료 전지를 얻을 수 있다.
[9] 본 발명의 다른 형태에 의하면, 금속 촉매를 담체에 담지시키는 촉매 담지 장치가 제공된다. 이 촉매 담지 장치는, 상기 담체가 수용됨과 함께, 상기 금속 촉매의 착체가 분산된 초임계 유체로 채워지는 처리실과, 상기 처리실 내에 배치된 담체의 온도와, 상기 처리실의 분위기 온도 중 적어도 한쪽을 제어하는 온도 제어부이며, (i) 상기 담체의 온도와 상기 분위기 온도 사이의 온도차를 변동시키는 제1 온도 제어와, (ii) 상기 유체의 상기 초임계 상태가 해제된 후에, 상기 담체를 승온시켜, 상기 담체의 표면에 상기 금속 촉매를 석출시키는 제2 온도 제어를 실행하는 온도 제어부를 구비한다. 이 촉매 담지 장치에 의하면, 담체에 금속 촉매의 결정핵을 흡착시키는 공정에 있어서, 초임계 유체의 온도와 담체의 온도 사이의 온도차를 변동시키므로, 금속 촉매의 입자 직경의 편차의 발생을 억제할 수 있다.
상술한 본 발명의 각 형태가 갖는 복수의 구성 요소는 모두 필수적인 것은 아니며, 상술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해, 혹은 본 명세서에 기재된 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해, 적절하게 상기 복수의 구성 요소의 일부의 구성 요소에 대해, 그 변경, 삭제, 새로운 다른 구성 요소와의 교체, 한정 내용의 일부 삭제를 행하는 것이 가능하다. 또한, 상술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해, 혹은 본 명세서에 기재된 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해, 상술한 본 발명의 일 형태에 포함되는 기술적 특징의 일부 또는 전부를 상술한 본 발명의 다른 형태에 포함되는 기술적 특징의 일부 또는 전부와 조합하여, 본 발명의 독립된 일 형태로 하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명은 상기한 각 형태의 방법이나 장치 이외의 다양한 형태로 실현하는 것도 가능하다. 예를 들어, 금속 촉매의 담지 장치의 제어 방법이나, 연료 전지용 촉매 전극의 제조 장치 및 그 제어 방법, 그들 제어 방법을 실현하는 컴퓨터 프로그램, 그 컴퓨터 프로그램을 기록한 일시적이지 않은 기록 매체 등의 형태로 실현할 수 있다.
도 1은 촉매 담지 장치의 구성을 도시하는 개략도.
도 2는 카본 나노튜브 기판과 담체 배치부의 구성을 설명하기 위한 개략 사시도.
도 3은 촉매 담지 장치에 있어서의 담체에 대한 금속 촉매의 담지 공정의 순서를 도시하는 설명도.
도 4는 흡착 공정에 있어서의 촉매 담지 장치의 온도 제어를 설명하기 위한 설명도.
도 5는 자유 에너지 변화량 ΔG와 결정핵의 입자 직경 r의 관계를 설명하기 위한 설명도.
도 6은 ΔGV의 변화에 따른 자유 에너지 변화량 ΔG와 결정핵의 입자 직경 r의 관계의 변화를 설명하기 위한 설명도.
도 7은 흡착 공정에 있어서의 금속 촉매의 결정핵의 생성과 성장을 설명하기 위한 개략도.
도 8은 실시예 1의 처리 조건을 나타내는 설명도.
도 9는 실시예 2의 처리 조건을 나타내는 설명도.
도 10은 참고예의 처리 조건을 나타내는 설명도.
도 11은 실시예 1, 2 및 참고예에 있어서의 실험 결과를 설명하기 위한 설명도.
도 12는 실시예 1, 2 및 참고예에 있어서의 실험 결과를 설명하기 위한 설명도.
도 13은 제2 실시 형태로서의 연료 전지의 구성을 도시하는 개략도.
도 14는 제2 실시 형태의 연료 전지의 촉매층의 제조 공정의 순서를 나타내는 흐름도.
A. 제1 실시 형태:
도 1은, 본 발명의 일 실시 형태로서의 촉매 담지 장치의 구성을 도시하는 개략도이다. 이 촉매 담지 장치(100)는, 초임계 유체를 사용하여, 담체에 금속 촉매를 담지시킨다. 또한, 본 실시 형태에서는, 초임계 유체로서, 초임계 상태에 있는 이산화탄소(이하,「초임계 이산화탄소」라고도 칭함)를 사용한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 카본 나노튜브(이하,「CNT」라 칭함)를 담체로 하여, 금속 촉매인 백금(Pt)을 담지시킨다.
촉매 담지 장치(100)는, 처리실(101)과, 담체 배치부(110)와, 유체 순환 노즐(120)과, 유체 공급부(130)와, 유체 배출부(140)와, 유체 온도 제어부(150)와, 제어부(160)와, 압력 검출부(162)와, 온도 검출부(164)를 구비한다. 처리실(101)은, 초임계 유체를 충전 가능한 기밀실이다. 처리실(101)에는, 담체 배치부(110)와, 유체 순환 노즐(120)이 수용되어 있다. 담체 배치부(110)는, 히터부(111)를 구비하고 있고, 히터부(111)의 상면에, 담체인 CNT(11)가 배열된 CNT 기판(10)이 배치된다.
도 2는, CNT 기판(10)과 담체 배치부(110)의 구성을 설명하기 위한 개략 사시도이다. CNT 기판(10)에는, 다수의 CNT(11)가 서로의 사이에 미세한 공극을 가지면서 밀집되어 기판면으로부터 수직하게 연장되어 있다. CNT 기판(10)은, 콘택트층(112)을 사이에 두고, 담체 배치부(110)의 히터부(111)의 상면에 배치되어 있다. 히터부(111)는, 콘택트층(112)에 적재된 CNT 기판(11)을 전열에 의해 가열한다. 콘택트층(112)은, 히터부(111)와 CNT 기판(10) 사이의 열전도성을 향상시키기 위한 시트 부재이다. 콘택트층(112)은, 예를 들어 열전도성이 높은 실리콘 겔 시트에 의해 구성할 수 있다.
유체 순환 노즐(120)(도 1)은, 처리실(101) 내에 있어서 담체 배치부(110)를 향하는 초임계 유체의 흐름이 형성되도록, 초임계 유체를 순환시키기 위한 노즐이다. 유체 순환 노즐(120)은, 담체 배치부(110)의 상방에 덮여 씌워지도록 배치되는 중공 용체인 본체부(121)를 구비한다. 본체부(121)는, 처리실(101)의 측벽면을 향해 개구되는 제1 개구부(121a)와, 담체 배치부(110)의 상면을 향해 개구되는 제2 개구부(121b)를 갖고 있다.
본체부(121)의 제1 개구부(121a)에는 순환 팬(122)이 설치되어 있고, 제2 개구부(121b)에는, 복수의 병렬의 유로벽 부재인 정류판(123)이 설치되어 있다. 또한, 본체부(121)에는, 유체 온도 제어부(150)의 냉매 순환 배관(152)이 수용되어 있다. 유체 순환 노즐(120)은, 순환 팬(122)의 회전 구동에 의해, 초임계 유체를 제1 개구부(121a)로부터 본체부(121)의 내부에 유입시킨다. 그리고, 유체 순환 노즐(120)은 본체부(121) 내에 초임계 유체를 제2 개구부(121b)의 정류판(123)의 벽면을 따라 유출시킨다.
유체 공급부(130)는, 유체 저장부(131)와, 원료 저장부(132)와, 삼방 밸브(133)와, 공급 배관(134)과, 펌프(135)와, 개폐 밸브(136)를 구비한다. 유체 저장부(131)에는, 처리실(101)에 있어서 초임계 상태로 되는 유체가 저장되어 있다. 본 실시 형태에서는, 유체 저장부(131)에는, 이산화탄소가 기체의 상태로 저장되어 있다. 원료 저장부(132)에는, 금속 촉매의 착체가 용해된 착체 용액이 저장되어 있다. 본 실시 형태에서는, 원료 저장부(132)에는, 디메틸시클로옥타디에닐 백금(II)을 헥산(노르말헥산)에 용해시킨 용액이 저장되어 있다.
유체 저장부(131) 및 원료 저장부(132)는, 삼방 밸브(133)를 통해 공급 배관(134)에 접속되어 있고, 공급 배관(134)은 처리실(101)에 접속되어 있다. 공급 배관(134)에는, 펌프(135)와, 개폐 밸브(136)가 설치되어 있다. 유체 공급부(130)는 삼방 밸브(133)의 전환 제어에 의해, 유체 저장부(131)의 유체와, 원료 저장부(132)의 착체 용액 중 어느 한쪽을 공급 배관(134)을 통해 처리실(101)에 공급한다. 또한, 유체 공급부(130)는 펌프(135)의 회전수를 제어함으로써 처리실(101) 내에 있어서의 압력을 제어하고, 개폐 밸브(136)의 개폐를 제어함으로써, 처리실(101)에의 유체 또는 착체 용액의 유입을 제어한다.
유체 배출부(140)는, 배출 배관(141)과, 개폐 밸브(142)를 구비한다. 배출 배관(141)은, 처리실(101)에 접속되어 있다. 개폐 밸브(142)는, 배출 배관(141)에 설치되어 있다. 유체 배출부(140)는 개폐 밸브(142)의 개폐에 의해, 처리실(101)로부터의 유체의 배출을 제어한다. 또한, 배출 배관(141)에는 처리실(101)의 유체를 흡인하기 위한 펌프가 설치되어 있어도 된다.
유체 온도 제어부(150)는, 냉매 공급부(151)와, 냉매 순환 배관(152)을 구비한다. 상술한 바와 같이, 냉매 순환 배관(152)은 유체 순환 노즐(120)의 본체부(121) 내에 수용되어 있다. 냉매 순환 배관(152)의 입구 단부 및 출구 단부는, 냉매 공급부(151)에 접속되어 있다. 냉매 공급부(151)는, 열교환기나 펌프를 구비하고 있고(도시는 생략), 온도 제어된 냉매를 냉매 순환 배관(152)에 순환시킨다. 본 실시 형태의 촉매 담지 장치(100)에서는, 유체 온도 제어부(150)의 냉매의 온도 제어에 의해, 처리실(101) 내의 초임계 유체의 온도가 조정된다. 또한, 냉매 순환 배관(152)은, 유체 순환 노즐(120)의 본체부(121)에 수용되어 있지 않아도 되고, 유체 순환 노즐(120)의 외부에 배치되어 있어도 된다.
제어부(160)는 중앙 처리 장치와, 주 기억 장치를 구비하는 마이크로컴퓨터에 의해 구성된다. 제어부(160)는, 압력 검출부(162)나 온도 검출부(164)의 검출값에 기초하여, 상술한 각 구성부를 제어하여, 담체에 금속 촉매를 담지시킨다. 압력 검출부(162)는, 처리실(101) 내의 유체의 압력(PF)을 검출하여 제어부(160)에 출력한다. 온도 검출부(164)는, 처리실(101) 내의 분위기 온도(TF)와, 담체의 온도(TS)(이하,「샘플 온도(TS)」라고도 칭함)를 검출하여, 제어부(160)에 송신한다.
여기서, 분위기 온도(TF)라 함은, 처리실(101)이 초임계 유체로 채워져 있을 때에는, 그 초임계 유체의 온도를 의미한다. 통상, 초임계 유체는 열전도성이 높기 때문에, 분위기 온도(TF)는, 히터부(111)의 근방 영역을 제외한 처리실(101) 내의 어느 위치에서 측정되어도 된다. 샘플 온도(TS)는, 담체인 CNT(11)의 온도이지만, 본 실시 형태에서는, 히터부(111)에 의한 가열 온도로서 계측된다.
도 3은, 촉매 담지 장치(100)에 있어서의 담체에 대한 금속 촉매의 담지 공정의 순서를 나타내는 흐름도이다. 촉매 담지 장치(100)에 있어서의 금속 촉매의 담지 공정은 주로, 사전 공정(스텝 S100, S102)과, 용해 공정(스텝 S110, S112)과, 흡착 공정(스텝 S120∼S124)과, 착체 저감 공정(스텝 S130)과, 석출 공정(스텝 S140)과, 사후 공정(스텝 S150)으로 구분할 수 있다.
<사전 공정>
사전 공정은, 처리실(101)에 있어서의 처리 환경을 정리하는 준비 공정이다. 스텝 S100에서는, 처리실(101)의 담체 배치부(110)에 CNT 기판(10)이 배치된다. 또한, 처리실(101)이, 유체 공급부(130)의 유체 저장부(131)로부터 공급되는 유체에 의해 충전된다. 본 실시 형태에서는, 처리실(101)에는 기체 상태의 이산화탄소가 충전된다.
스텝 S102에서는, 처리실(101)에 충전된 유체를 초임계 상태로 한다. 제어부(160)는 순환 팬(122)의 회전 구동을 개시한다. 또한, 제어부(160)는 유체 공급부(130)를 제어함으로써 처리실(101) 내의 유체의 압력을 그 임계 압력보다도 높게 함과 함께, 냉매 순환 배관(152)에 온수를 순환시킴으로써, 유체의 온도를 그 임계 온도보다도 높게 한다.
<용해 공정>
용해 공정은, 초임계 유체 중에 금속 촉매의 착체를 용해시키는 공정이다. 스텝 S110에서는, 제어부(160)는, 유체 공급부(130)의 삼방 밸브(133)의 접속을 전환하여, 원료 저장부(132)로부터 처리실(101)에 대해 착체 용액을 공급시킨다. 필요량의 착체 용액을 처리실(101)에 대해 공급한 후, 제어부(160)는 소정의 대기 시간을 마련한다(스텝 S112). 이 대기 시간 동안, 제어부(160)는 순환 팬(122)의 구동을 계속하여, 착체를 초임계 유체 중에 분산시킨다. 또한, 스텝 S112에서는, 담체 배치부(110)의 히터부(111)는 구동이 정지된 상태 그대로이다.
<흡착 공정>
흡착 공정은, 담체의 표면에 금속 촉매의 착체를 흡착시켜, 금속 촉매의 결정핵을 생성하고 성장시키는 공정이다. 본 실시 형태의 촉매 담지 장치(100)에서는, 이 흡착 공정에 있어서의 온도 제어에 의해, 샘플 온도(TS)와 분위기 온도(TF)의 온도차(ΔT)를 변동시켜, 금속 촉매의 결정핵의 입자 직경에 편차가 발생하는 것을 억제한다. 또한, 본 명세서에 있어서 「온도차(ΔT)를 변동시키는」이라 함은, 온도 제어에 의해 온도차(ΔT)를 능동적으로 변동시키는 것을 의미한다.
도 4는, 흡착 공정에 있어서의 촉매 담지 장치(100)의 온도 제어를 설명하기 위한 설명도이다. 도 4에는, 흡착 공정에 있어서의 분위기 온도(TF)와 샘플 온도(TS)의 시간 변화를 개략적으로 나타내는 그래프를 나타내고 있다. 흡착 공정에서는, 제어부(160)는 유체 온도 제어부(150)에 의해 분위기 온도(TF)를, 소정의 온도(T0)를 목표값으로 하여 제어한다. 본 실시 형태에서는, 초임계 유체로서 초임계 이산화탄소를 사용하고 있으므로, 소정의 온도(T0)는, 40∼50℃ 정도로 한다.
스텝 S120(도 3)에서는, 제어부(160)는 히터부(111)에 의해 샘플 온도(TS)를 소정의 온도(TS_high)까지 승온시켜 분위기 온도(TF)보다 높게 하여, 분위기 온도(TF)와 샘플 온도(TS) 사이에 소정의 온도차(ΔT)를 발생시킨다. 분위기 온도(TF)와 샘플 온도(TS) 사이에 온도차(ΔT)를 발생시킴으로써 담체의 근방에 있어서 농도 분포가 발생하여, 담체 표면에의 금속 촉매의 착체의 흡착을 촉진시킬 수 있다.
또한, 이때의 온도(TS_high)는, 금속 촉매의 석출 온도(원료의 열분해 온도)보다도 낮은 값인 것이 바람직하다. 온도(TS_high)가 금속 촉매의 석출 온도보다 높거나, 혹은 현저하게 가까운 경우(예를 들어, 석출 온도의 90％ 정도의 온도)에는, 금속 촉매가 석출되기 시작해 버릴 가능성이 있기 때문이다. 본 실시 형태에서는, 금속 촉매가 백금이므로, 온도(TS_high)를 100∼150℃ 정도의 값으로 하고, 온도차(ΔT)를 100℃ 이하로 한다.
스텝 S122에서는, 제어부(160)는 히터부(111)의 가열 온도를 저하시킴으로써, 샘플 온도(TS)를 소정의 온도(TS_low)까지 저하시킨다. 또한, 흡착 공정에 있어서의 온도차(ΔT)의 변화 폭은 클수록 바람직하지만(이유는 후술함), 샘플 온도(TS)의 저하 후의 온도(TS_low)는, 분위기 온도(TF)보다도 항상 높은 온도인 것이 바람직하다. 그로 인해, 샘플 온도(TS)의 저하 후의 온도(TS_low)는, 분위기 온도(TF)에 도달하기 직전의 온도인 것이 바람직하다. 구체적으로는, 온도(TS_low)는, 이하의 부등식 (a)의 범위 내인 것이 바람직하다.
Figure pct00001
제어부(160)는, 소정의 기간만큼, 스텝 S120, S122를 교대로 반복한다(스텝 S124). 이 소정의 기간은, 담체에 대한 금속 촉매의 담지량의 목표값에 따라서 미리 설정되는 시간 폭이다. 또한, 흡착 공정에 있어서, 온도차(ΔT)의 증감을 반복함으로써, 결정핵의 입자 직경에 편차가 발생하는 것이 억제되는 이유에 대해서는 후술한다.
<착체 저감 공정>
착체 저감 공정(도 3)은, 흡착 공정 후에, 처리실(101)의 유체 내에 잔존하고 있는 여분의 착체를 저감시키는 공정이다. 스텝 S130에서는, 제어부(160)는, 유체 배출부(140)의 개폐 밸브(142)를 개방하여, 처리실(101)에 있어서의 유체의 압력을, 예를 들어 1㎫ 이하까지 일시적으로 저하시킴으로써, 처리실(101)에 있어서의 착체의 농도를 저감시킨다.
이와 같이, 석출 공정 전에 착체 저감 공정을 실행함으로써, 처리실(101)에 잔류하고 있는 여분의 착체가 석출 공정에 있어서 석출되어, 담체에 있어서의 금속 촉매의 분산성이 불균일해져 버리는 것을 억제할 수 있다. 또한, 스텝 S130에서는 또한, 유체 공급부(130)와 유체 배출부(140)를 제어하여, 처리실(101)에 대한 유체(본 실시 형태에서는 이산화탄소)의 충전과 개방을 복수회 반복하는 퍼지 처리가 실행되어도 된다. 이에 의해, 처리실(101)에 있어서의 착체의 농도를 더욱 저감시킬 수 있다.
<석출 공정>
석출 공정은, 담체에 흡착된 결정핵을 메탈화시켜 금속 촉매의 입자를 석출시키는 공정이다. 스텝 S140에서는, 제어부(160)는 유체 배출부(140)의 개폐 밸브(142)를 폐쇄하여, 처리실(101)을 밀봉한다. 그리고, 제어부(160)는 분위기 온도(TF) 및 압력(PF)을 흡착 공정시보다도 저하시킴과 함께 히터부(111)의 가열에 의해 샘플 온도(TS)를, 금속 촉매의 석출 온도 이상으로 승온하고, 소정의 기간, 그 상태를 유지하여 대기한다. 구체적으로 본 실시 형태에서는, 압력(PF)을 수 ㎫ 정도로 하고, 분위기 온도(TF)를 25∼45℃ 정도로 하고, 샘플 온도(TS)를, 190∼210℃ 정도로 하여, 60∼70분 정도, 그 상태를 유지한다. 이에 의해, 담체의 표면에 금속 촉매를 석출시킬 수 있다.
<사후 공정>
사후 공정에서는, 유체 배출부(140)에 의해 처리실(101)의 유체가 배출된다. 그 후, 처리실(101)로부터 담체가 반출된다. 또한, 담체 배치부(110)에는, CNT 기판(10)을 반출하기 위한 반송 롤러 등이 설치되어 있어도 된다.
이하에서는, 도 5∼도 7을 참조하면서, 흡착 공정에 있어서의 온도 제어(도 4)에 의해 담체 표면에 생성되는 결정핵의 입자 직경의 편차의 발생이 억제되는 원리를 설명한다. 도 5에는, 유체 중에 있어서 결정핵이 발생하기 전후에 있어서의 자유 에너지의 변화량 ΔG(이하, 단순히 「자유 에너지 변화량 ΔG」라 칭함)와, 결정핵의 입자 직경 r의 관계를 나타내는 그래프를 도시하고 있다. 또한, 결정핵의 입자 직경 r은, 결정핵이 구상이라고 가정하였을 때의 파라미터이다.
자유 에너지 변화량 ΔG와 결정핵의 입자 직경 r 사이에는, 다음 식 (A)의 관계가 성립되는 것이 알려져 있다.
Figure pct00002
ΔGV는, 단위 체적당 자유 에너지의 변화량이며, 음의 값을 취한다. γ는, 단위 면적당 표면 자유 에너지이다.
식 (A)는, 자유 에너지 변화량 ΔG가, 과포화 상태가 해소되어 고액(固液) 평형을 향하는 것에 의한 자유 에너지의 감소량((4πr3/3)ΔGV)과, 새롭게 고체 표면이 생성된 것에 의한 자유 에너지의 증가량(4πr2γ)의 합과 동등한 것을 나타내는 식이다. 즉, 자유 에너지 변화량 ΔG는, 결정핵이 소실(용해)되는 방향으로 작용하는 에너지와, 결정핵의 표면을 유지하려고 하는 방향으로 작용하는 에너지의 합이라고 해석할 수 있다.
또한, 식 (A)로부터, 자유 에너지 변화량 ΔG는, 입자 직경 r이 하기의 rc(이하,「임계 직경 rc」라고도 칭함)일 때, 하기의 극대값 ΔGc를 취하는 것이 구해진다.
Figure pct00003
결정핵은, 입자 직경 r이 임계 직경 rc보다 작을 때에는, 자유 에너지의 변화량 ΔG는 증대 경향에 있고, 열역학적으로 불안정한 상태이기 때문에, 용해되는 방향을 향해 버린다. 한편, 결정핵은, 입자 직경 r이 임계 직경 rc를 초과하였을 때에는, 자유 에너지의 변화량 ΔG가 감소 방향으로 바뀌므로, 계속해서 성장하여 열역학적으로 안정적인 결정을 형성할 수 있다.
도 6에는, ΔGV의 변화에 따른 자유 에너지 변화량 ΔG와 결정핵의 입자 직경 r의 관계의 변화를 나타내는 그래프를 도시하고 있다. 도 5에 나타낸 자유 에너지 변화량 ΔG와 결정핵의 입자 직경 r의 관계를 나타내는 그래프는, ΔGV가 작을수록 융기되고, ΔGV가 클수록 침강한다. 즉, ΔGV가 작을수록 임계 직경 rc와 극대값 ΔGc가 커지고, ΔGV가 클수록 임계 직경 rc와 극대값 ΔGc는 작아진다.
이것은, ΔGV가 작을수록 유체 중에 있어서의 금속 촉매의 결정핵이 성장하기 쉬워지고, 반대로, ΔGV가 클수록 유체 중에 있어서의 금속 촉매의 결정핵이 용해되기 쉬워지는 것을 나타내고 있다. 즉, ΔGV를 제어함으로써, 유체 중에 있어서의 금속 촉매의 결정핵의 생성이나 성장을 제어할 수 있다.
여기서, 촉매 담지 장치(100)에서는, 샘플 온도(TS)와 분위기 온도(TF)의 온도차(ΔT)가 담체인 CNT(11)의 표면에의 착체의 흡착의 구동력으로 되어 있다. 따라서, 온도차(ΔT)를 크게 할수록 ΔGV를 크게 할 수 있고, 온도차(ΔT)를 작게 할수록 ΔGV를 작게 할 수 있다. 즉, 샘플 온도(TS)와 분위기 온도(TF)의 온도차(ΔT)를 제어함으로써, 유체 중에 있어서의 금속 촉매의 결정핵의 생성·성장을 제어할 수 있다.
도 7의 (A)는, 본 실시 형태의 흡착 공정에 있어서의 금속 촉매의 결정핵의 생성과 성장을 설명하기 위한 개략도이다. 도 7의 (A)는 흡착 공정에 있어서의 CNT 기판(10)의 모습을 단계적으로 도시하는 모식도이다. 상술한 바와 같이, 본 실시 형태의 촉매 담지 장치(100)에서는, 흡착 공정에 있어서, 분위기 온도(TF)와 샘플 온도(TS)의 온도차(ΔT)의 변동이 반복된다(도 4). 샘플 온도(TS)가 승온 방향이며, 온도차(ΔT)가 커질 때에는, ΔGV가 커져, CNT(11)의 표면에서는 결정핵(13)의 생성 및 성장이 촉진된다.
그러나, 샘플 온도(TS)가 강온 방향으로 바뀌어, 온도차(ΔT)가 작아질 때에는, ΔGV가 작아진다. 이때에는, 결정핵의 생성이 억제되면서도 계속되는 한편, 샘플 온도(TS)가 승온 방향에 있었던 전단계에서 임계 직경 rc를 초과한 결정핵(13)의 성장이 억제된다. 그리고, 다시, 샘플 온도(TS)가 승온 방향으로 바뀌어, 온도차(ΔT)가 커질 때에는, 전단계에서 생성된 결정핵이 성장하기 시작함과 함께, 전단계에 있어서 성장이 억제되어 있었던 결정핵의 성장이 다시 촉진된다.
도 7의 (B)는 참고예로서, 흡착 공정에 있어서, 분위기 온도(TF)와 샘플 온도(TS)의 온도차(ΔT)를 거의 일정하게 유지하였을 때의 CNT 기판(10)의 모습을 시계열로 나타내는 모식도이다. 이 참고예에서는, CNT(11)의 표면에 있어서 일단 임계 직경 rc를 초과한 결정핵은, 그대로 성장을 계속한다. 그로 인해, 먼저 생성되어 임계 직경 rc를 초과한 결정핵일수록 커지기 때문에, 나중에 생성된 결정핵과의 입자 직경의 차가 커져 버린다.
본 실시 형태의 흡착 공정에 의하면, 먼저 임계 직경 rc를 초과한 결정핵의 성장이 일시적으로 억제되는 시간대가 있으므로, 먼저 임계 직경 rc를 초과한 결정핵과, 나중에 생성되어 임계 직경 rc를 초과한 결정핵의 입자 직경의 차가 커지는 것이 억제된다. 따라서, 흡착 공정에 있어서 생성되는 결정핵의 입자 직경에 편차가 발생하는 것이 억제된다.
또한, 흡착 공정에 있어서의 분위기 온도(TF)와 샘플 온도(TS)의 온도차(ΔT)의 변동 폭이 클수록, 온도차(ΔT)를 일시적으로 저감시킬 때, 결정핵의 성장을 확실하게 억제할 수 있다. 또한, 흡착 공정의 사이에, 온도차(ΔT)의 변동이 미세하게 반복될수록, 결정핵의 성장을 세밀하게 제어할 수 있으므로, 보다 결정핵의 입자 직경의 편차의 발생을 억제할 수 있다.
도 8∼도 10은, 본 발명의 발명자가 행한 실험의 처리 조건을 설명하기 위한 설명도이다. 본 발명의 발명자는, 도 1에서 설명한 촉매 담지 장치(100)와 마찬가지의 구성을 갖는 장치를 사용하여, 흡착 공정의 처리 조건을 바꾼 금속 촉매의 담지 공정을, 실시예 1, 2 및 참고예로서 실시하였다. 도 8∼도 10에는 각각, 실시예 1, 2 및 참고예의 공정에 있어서의 샘플 온도(TS)와 분위기 온도(TF)와 유체의 압력(PF)의 각각의 시간 변화를 나타내는 그래프를 도시하고 있다. 또한, 도 8∼도 10의 그래프에는, 각 공정마다의 시간대의 구분을 화살표에 의해 나타내고 있다. 실시예 1, 2 및 참고예의 구체적인 처리 조건은 이하와 같다.
<재료(실시예 1, 2 및 참고예에서 공통)>
금속 촉매 : 백금
담체 : CNT
초임계 유체 : 초임계 이산화탄소
착체 용액 : 헥산에 디메틸시클로옥타디에닐 백금(II)을 용해시킨 용액
<실시예 1(도 8)에 있어서의 흡착 공정의 처리 조건>
공정 시간 : 약 8시간
분위기 온도(TF) : 약 45℃∼50℃
샘플 온도(TS)의 변동 폭 : 50∼120℃
샘플 온도(TS)의 변동 횟수 : 10회(거의 일정 주기)
<실시예 2(도 9)에 있어서의 흡착 공정의 처리 조건>
공정 시간 : 약 5시간
분위기 온도(TF) : 약 45℃∼50℃
샘플 온도(TS)의 변동 폭 : 50∼120℃
샘플 온도(TS)의 변동 횟수 : 5회(거의 일정 주기)
<참고예(도 10)에 있어서의 흡착 공정의 처리 조건>
공정 시간 : 약 8시간
분위기 온도(TF) : 약 48∼50℃
샘플 온도(TS)의 변동 : 없음(약 120℃ 전후로 유지)
도 11, 도 12는, 실시예 1, 2 및 참고예의 결과를 설명하기 위한 설명도이다. 도 11의 (A)에는, 실시예 1, 2 및 참고예의 각각의 흡착 공정의 처리 조건의 일부와, CNT에 담지된 백금에 대한 측정 결과를 통합한 표를 도시하고 있다. 도 11의 (B)에는, CNT에 있어서의 백금의 입자 직경 분포(개수 기준)를 나타내는 그래프를, 횡축을 입자 직경으로 하고, 종축을 빈도(존재 비율)로서 도시하고 있다. 도 12의 (A)∼(C)에는 각각, 백금이 담지된 후의 CNT의 TEM(Transmission Electron Microscopes)에 의한 촬영 화상을 실시예 1, 2 및 참고예마다 나타내고 있다.
실시예 1, 2에서는, 평균 입자 직경 및 표준 편차의 측정값은 각각 서로 근사한 값으로 된 것에 반해, 참고예에서는, 평균 입자 직경 및 표준 편차의 측정값은 실시예 1, 2와 비교하여 현저하게 큰 값으로 되었다[도 11의 (A)]. 또한, 평균 입자 직경은, TEM의 촬영 화상에 찍히는 300∼600점의 각 백금 입자의 최대 폭을 입자 직경으로서 측정하여 산출하였다.
또한, 입자 직경 분포에 관해서는, 실시예 1, 2에서는, 어느 입자 직경에 있어서 빈도가 돌출되어 높아지는 피크가 존재하는 급준한 그래프가 얻어진 것에 반해, 참고예에서는, 피크가 낮고 비교적 완만한 그래프가 얻어졌다[도 11의 (B)]. 또한, 실시예 1, 2에서는 입자 직경의 분포 범위가 서로 근사한 범위로 된 것에 반해, 참고예에서는 입자 직경의 분포 범위가 실시예 1, 2와 비교하여 현저하게 넓은 범위로 되었다.
또한, 실시예 1, 2의 TEM의 촬영 화상에 있어서는, 대략 균일한 사이즈의 백금 입자가 CNT 표면에 분산되어 있는 것이 관찰되었다[도 12의 (A), (B)]. 이에 반해, 참고예의 TEM의 촬영 화상에 있어서는, 백금 입자의 사이즈가 불균일하고, 현저하게 큰 사이즈의 백금 입자가 군데군데 보였다[도 12의 (C)].
이와 같이, 실시예 1, 2에서는, 참고예와 비교하여 백금의 입자 직경이 균일화되어 있었다. 이 결과로부터, 흡착 공정에 있어서 분위기 온도(TF) 샘플 온도(TS)의 온도차(ΔT)를 변동시킴으로써 담체에 담지되는 금속 촉매 입자의 입자 직경 분포의 불균일성의 발생을 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.
그런데, 도 11의 (A)의 표 중의 「도포 중량」은, CNT의 표면에 있어서의 단위 면적당 백금의 중량이다. 도포 중량에 관해서는, 실시예 1과 참고예에 있어서 동일한 측정값이 얻어진 것에 반해, 실시예 2의 측정값은 그 절반 정도의 값으로 되었다. 이것으로부터, 담체에 대한 금속 촉매의 담지량은, 흡착 공정에 있어서의 분위기 온도(TF) 샘플 온도(TS)의 온도차(ΔT)의 변동에 관계없이, 그 공정 시간에 따라서 정해지는 것을 알 수 있다. 즉, 흡착 공정의 공정 시간이 길수록, 금속 촉매의 담지량을 크게 할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시 형태의 촉매 담지 장치(100)가 실행하는 금속 촉매의 담지 공정에 의하면, 흡착 공정에 있어서의 온도 제어에 의해, 금속 촉매의 결정핵의 성장이 조정되므로, 담체에 있어서의 금속 촉매의 입자 직경의 편차의 발생을 억제할 수 있다.
B. 제2 실시 형태:
도 13은 본 발명의 제2 실시 형태로서의 연료 전지의 구성을 도시하는 개략도이다. 이 연료 전지(200)는, 반응 가스로서 수소와 산소의 공급을 받아 발전하는 고체 고분자형 연료 전지이다. 연료 전지(200)는, 복수의 단셀(210)이 직렬로 적층된 스택 구조를 갖는다.
각 단셀(210)은, 막 전극 접합체(215)와, 2매의 세퍼레이터(216)를 구비한다. 막 전극 접합체(215)는, 전해질막(211)과, 2개의 촉매층(212)과, 2개의 가스 확산층(213)을 구비한다. 전해질막(211)은, 습윤 상태에 있어서 양호한 프로톤 전도성을 나타내는 고체 고분자 박막이다. 전해질막(211)은, 예를 들어 나피온(등록 상표) 등의 불소계 수지의 이온 교환막에 의해 구성할 수 있다.
2개의 촉매층(212)은 각각, 전해질막(211)의 각 면에 배치되어 있다. 각 촉매층(212)은, CNT(11)와, 전해질 수지(214)를 구비한다. CNT(11)는, 서로의 사이에 반응 가스의 경로로서 기능하는 미세한 공극을 가지면서 밀집되어 배열되어 있고, 전해질막(211)의 표면에 대해 수직하게 접촉하고 있다. 또한, CNT(11)의 표면에는, 전기 화학 반응을 촉진시키기 위한 금속 촉매로서의 백금이 담지되어 있다(도시는 생략).
촉매층(212)의 전해질 수지(214)는, 전해질막(211)과 동종 또는 유사한 고체 전해질 수지이다. 전해질 수지(214)는, CNT(11)의 표면에 부착되어 있다. 이 전해질 수지(214)가, 연료 전지(200)의 발전 중에 수분을 포함함으로써, 촉매층(212)에 있어서의 프로톤의 이동 경로를 확보한다. 또한, 연료 전지(200)의 발전 중에 촉매층(212)에 충분한 수분을 유지시킬 수 있는 경우에는 전해질 수지(214)는 생략되어도 된다.
제2 실시 형태의 연료 전지(200)에서는, 촉매층(212)에 있어서, 금속 촉매인 백금을 담지하는 도전성의 담체로서 CNT(11)를 사용하고 있음으로써, 촉매층(212)에 있어서의 도전성이나, 반응 가스의 확산성, 배수성이 향상되어 있다. 이 촉매층(212)의 제조 공정에 대해서는 후술한다.
가스 확산층(213)은, 예를 들어 카본 섬유 등의 가스 확산성 및 도전성을 갖는 섬유 기재에 의해 구성할 수 있다. 가스 확산층(213)은, 촉매층(212)의 표면에 적층되어 있고, 촉매층(212)의 전체에 반응 가스를 고루 퍼지게 한다. 또한, 가스 확산층(213)은 섬유 기재에 한정되지 않고, 이른바 익스팬드 메탈이나 펀칭 메탈 등의 금속 가공 부재에 의해 구성되어도 된다. 또한, 가스 확산층(213)은 생략되어도 된다.
2매의 세퍼레이터(216)는 도전성 및 가스 불투과성을 갖는 판상 부재이다. 세퍼레이터(216)는 막 전극 접합체(215)를 사이에 두도록, 가스 확산층(213)의 외측에 배치되어 있다. 세퍼레이터(216)의 막 전극 접합체(215)와 대향하는 면에는, 반응 가스를 가스 확산층(213)의 전체에 고루 퍼지게 하기 위한 가스 유로 홈(216d)이 형성되어 있다.
또한, 각 단셀(210)에서는, 반응 가스 등의 유체의 누설이나, 세퍼레이터(216)끼리의 단락을 방지하기 위한 절연성 시일 부재가 막 전극 접합체(215)의 외주에 배치되지만, 그 도시 및 상세한 설명은 생략한다. 또한, 막 전극 접합체(215)의 외주에는, 각 단셀(210)에 접속되고, 반응 가스가 유통하는 매니폴드가 설치되지만, 그 도시 및 상세한 설명은 생략한다.
도 14는, 촉매층(212)의 제조 공정의 순서를 나타내는 흐름도이다. 스텝 S10에서는, CNT 기판을 제작한다. 이 공정에서는, 예를 들어 미리 준비한 기판 상에, 화학적 기상 성장법(CVD법)에 의해 CNT를 기판면에 수직하게 배향하도록 형성한다. 또한, CNT의 형성 방법으로서는, CVD법에 한정되지 않고, 아크 방전법이나, 레이저 증착법, 기상 유동법 등이 채용되어도 된다. 스텝 S20에서는, 제1 실시 형태에서 설명한 공정(도 3)에 의해, CNT 기판의 CNT에 백금을 담지시킨다.
스텝 S30에서는, CNT 기판의 CNT에 대해 전해질 수지를 부착한다. 구체적으로는, CNT 기판을 아이오노머 용액에 침지함으로써 CNT에 전해질 수지를 부착시켜도 되고, CNT 기판의 CNT가 형성되어 있는 면에 전해질 수지를 스프레이 도포해도 된다. 스텝 S40에서는, CNT 기판으로부터, CNT와 CNT에 부착된 전해질 수지를 전해질막에 대해 전사한다. 이에 의해 촉매층(212)(도 13)이 형성된다.
이와 같이, 제2 실시 형태의 연료 전지(200)에서는, 촉매층(212)의 CNT(11)에 제1 실시 형태에서 설명한 공정에 의해 백금이 담지된다(스텝 S20). 따라서, 제2 실시 형태의 연료 전지(200)에서는, 촉매층(212)에 있어서의 백금 입자의 사이즈의 편차가 억제되어 있고, 백금의 표면적이 확보되어 있으므로, 높은 발전 성능을 얻을 수 있다. 또한, 발전을 계속하였을 때, 백금 입자끼리가 흡착·합체되어 백금의 표면적이 감소되어 버리는 것을 억제할 수 있다.
C. 변형예:
C1. 변형예 1:
상기 실시 형태에서는, 담체에 담지시키는 금속 촉매로서 백금이 사용되고 있었다. 그러나, 금속 촉매로서는, 백금에 한정되지 않고, 다른 금속 촉매가 사용되어도 된다. 예를 들어, 이하와 같은 금속 촉매가 사용되어도 된다.
<다른 금속 촉매의 예>
로듐, 팔라듐, 이리듐, 오스미늄, 루테늄, 레늄, 금, 은, 니켈, 코발트, 리튬, 란탄, 스트론튬, 이트륨, 이들을 조합한 합금 등
C2. 변형예 2:
상기 실시 형태에서는, CNT를 담체로 하여 금속 촉매를 담지시키고 있었다. 그러나, 담체로서는, CNT에 한정되지 않고, 다른 담체가 사용되어도 된다. 예를 들어, 담체로서는, 카본 블랙 등의 도전성 분체가 사용되어도 된다. 이 경우에는, 금속 촉매의 담지 공정은, 당해 분체를 멤브레인 필터에 의해 피복한 후, 금속 촉매에 행해져도 된다. 혹은, 금속 촉매의 담지 공정은, 당해 분체를 PTFE 등의 수지에 분산시킨 잉크를 도포한 기판 등에 대해 행해져도 된다. 또한, 상기 공정에 의해 금속 촉매가 담지된 담체는, 연료 전지의 전극 이외에 사용되어도 된다.
C3. 변형예 3:
상기 실시 형태에서는, 초임계 유체로서 초임계 이산화탄소를 사용하고 있었다. 그러나, 초임계 유체로서는 초임계 이산화탄소에 한정되지 않고, 다른 초임계 유체가 사용되어도 된다. 초임계 유체로서는, 예를 들어 초임계 트리플루오로메탄이 사용되어도 된다.
C4. 변형예 4:
상기 실시 형태에서는, 흡착 공정에 있어서, 분위기 온도(TF)와 샘플 온도(TS)의 온도차(ΔT)의 증대와 감소를 흡착 공정의 공정 기간에 걸쳐 반복하고 있었다. 그러나, 흡착 공정에 있어서의 온도차(ΔT)의 변동은, 복수회 반복되지 않아도 되고, 적어도 1회 실행되면 된다. 또한, 흡착 공정에 있어서의 온도차(ΔT)의 변동이, 흡착 공정의 공정 기간에 걸쳐 미세하게 반복되면, 그만큼 결정핵의 성장을 다단계에 걸쳐 제어할 수 있으므로, 보다 금속 촉매의 입자 직경을 균일화할 수 있다.
C5. 변형예 5:
상기 실시 형태에서는, 흡착 공정과 석출 공정 사이에 착체 저감 공정이 마련되어 있었다(도 3). 그러나, 착체 저감 공정은 생략되어도 된다. 이 경우에는, 흡착 공정 후에, 유체(이산화탄소)의 초임계 상태를 해제한 후, 석출 공정이 실행되면 된다. 또한, 석출 공정 전에, 착체 저감 공정을 실행해 둠으로써, 석출 공정에 있어서, 여분의 백금이 불필요한 부위에 석출되어 버리는 것을 억제할 수 있어, 백금의 분산성을 향상시킬 수 있다.
C6. 변형예 6:
상기 실시 형태의 흡착 공정에서는, 히터부(111)의 가열 온도를 변동시킴으로써 분위기 온도(TF)와 샘플 온도(TS) 사이의 온도차(ΔT)를 변동시키고 있었다. 그러나, 흡착 공정에서는, 히터부(111)의 가열 온도의 변동 대신에, 혹은 히터부(111)의 가열 온도의 변동에 더하여, 유체 온도 제어부(150)에 의한 냉매의 온도 제어에 의해 분위기 온도(TF)를 변동시켜, 온도차(ΔT)를 변동시켜도 된다. 즉, 온도차(ΔT)는, 분위기 온도(TF)와 샘플 온도(TS) 중 적어도 한쪽을 제어하여 변동되면 된다.
C7. 변형예 7:
상기 실시 형태의 촉매 담지 장치(100)에서는, 유체 공급부(130)가, 초임계 유체로 채워진 처리실(101)에 대해, 원료로서 원료 저장부(132)에 저장된 착체 용액을 공급하고 있었다. 그러나, 원료 저장부(132)는 생략되어도 된다. 촉매 금속의 원료는, 처리실(101)에 유체를 충전하기 전에 미리 처리실(101) 내에 배치되어 있어도 된다.
C8. 변형예 8:
상기 실시 형태에서는, 흡착 공정에 있어서, 샘플 온도(TS)를 분위기 온도(TF)보다 높게 한 후에, 분위기 온도(TF)와 샘플 온도(TS)의 온도차(ΔT)를 변동시키고 있었다. 그러나, 온도차(ΔT)의 변동 전에는 샘플 온도(TS)가 분위기 온도(TF)보다 높게 되지 않아도 되고, 온도차(ΔT)의 변동 전에는 분위기 온도(TF)가 샘플 온도(TS)보다 높게 되어도 된다. 온도차(ΔT)의 변동은, 샘플 온도(TS)와 분위기 온도(TF) 사이에 온도차가 마련된 후에 행해지면 된다.
본 발명은, 상술한 실시 형태나 실시예, 변형예에 한정되는 것은 아니며, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 다양한 구성으로 실현할 수 있다. 예를 들어, 발명의 내용의 란에 기재된 각 형태 중의 기술적 특징에 대응하는 실시 형태, 실시예, 변형예 중의 기술적 특징은, 상술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해, 혹은 상술한 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해, 적절하게 교체나, 조합을 행하는 것이 가능하다. 또한, 그 기술적 특징이 본 명세서 중에 필수적인 것으로서 설명되어 있지 않으면, 적절하게 삭제하는 것이 가능하다.
10 : CNT 기판
11 : CNT
13 : 결정핵
100 : 촉매 담지 장치
101 : 처리실
110 : 담체 배치부
111 : 히터부
112 : 콘택트층
120 : 유체 순환 노즐
121 : 본체부
121a : 제1 개구부
121b : 제2 개구부
122 : 순환 팬
123 : 정류판
130 : 유체 공급부
131 : 유체 저장부
132 : 원료 저장부
133 : 삼방 밸브
134 : 공급 배관
135 : 펌프
136 : 개폐 밸브
140 : 유체 배출부
141 : 배출 배관
142 : 개폐 밸브
150 : 유체 온도 제어부
151 : 냉매 공급부
152 : 냉매 순환 배관
160 : 제어부
162 : 압력 검출부
164 : 온도 검출부
200 : 연료 전지
210 : 단셀
211 : 전해질막
212 : 촉매층
213 : 가스 확산층
214 : 전해질 수지
215 : 막 전극 접합체
216 : 세퍼레이터
216d : 가스 유로 홈

Claims (9)

  1. 금속 촉매를 담체에 담지시킨 금속 촉매 담지체의 제조 방법이며,
    (a) 처리실에 상기 담체를 배치하여, 상기 처리실을 초임계 유체로 채우고, 상기 초임계 유체 중에 상기 금속 촉매의 착체를 분산시키는 공정과,
    (b) 상기 담체의 온도 또는 상기 처리실 내의 분위기 온도 중 적어도 한쪽을 제어하여, 상기 담체의 온도와 상기 분위기 온도 사이의 온도차를 변동시키는 공정과,
    (c) 상기 초임계 유체의 초임계 상태를 해제한 후에, 상기 담체의 표면에 상기 금속 촉매를 석출시키는 공정을 구비하는, 금속 촉매 담지체의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공정 (b)는, 상기 담체의 가열 온도를 제어하여 상기 담체의 온도를 변동시키는 공정인, 금속 촉매 담지체의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 공정 (b)는,
    (b1) 상기 담체의 온도를 상기 분위기 온도보다 높게 하는 공정과,
    (b2) 상기 공정 (b1) 후에 상기 담체의 온도와 상기 분위기 온도 사이의 온도차를 일시적으로 감소시키는 공정을 포함하는, 금속 촉매 담지체의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 공정 (b2)는, 상기 담체의 온도를, 상기 분위기 온도 직전의 제1 온도까지 강온시킨 후에, 상기 금속 촉매의 석출 온도보다도 낮은 제2 온도까지 승온시키는 공정인, 금속 촉매 담지체의 제조 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 공정 (b2)는, 상기 공정 (b1) 후, 상기 공정 (c)에 있어서 상기 초임계 유체의 초임계 상태가 해제될 때까지의 사이의 기간의 전체에 걸쳐 상기 온도차의 감소와 증대가 복수회 반복되는 공정인, 금속 촉매 담지체의 제조 방법.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공정 (b1) 후, 상기 공정 (c)에 있어서 상기 초임계 유체의 초임계 상태가 해제될 때까지의 사이의 기간이, 상기 담체에 담지시키는 상기 금속 촉매의 양의 목표값에 따라서 결정되는, 금속 촉매 담지체의 제조 방법.
  7. 담체에 금속 촉매를 담지시킨 금속 촉매 담지체이며,
    제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 의해 제조되는, 금속 촉매 담지체.
  8. 연료 전지의 제조 방법이며,
    (A) 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 의해, 도전성을 갖는 담체에 금속 촉매를 담지시킨 금속 촉매 담지체를 제조하는 공정과,
    (B) 상기 금속 촉매 담지체에 의해 가스 확산성을 갖는 전극층을 형성하여, 전해질막의 표면에 배치하는 공정을 구비하는, 연료 전지의 제조 방법.
  9. 금속 촉매를 담체에 담지시키는 촉매 담지 장치이며,
    상기 담체가 수용됨과 함께, 상기 금속 촉매의 착체가 분산된 초임계 유체로 채워지는 처리실과,
    상기 처리실 내에 배치된 담체의 온도와, 상기 처리실의 분위기 온도 중 적어도 한쪽을 제어하는 온도 제어부이며,
    (i) 상기 담체의 온도와 상기 분위기 온도 사이의 온도차를 변동시키는 제1 온도 제어와,
    (ii) 상기 유체의 상기 초임계 상태가 해제된 후에, 상기 담체를 승온시켜, 상기 담체의 표면에 상기 금속 촉매를 석출시키는 제2 온도 제어를 실행하는 온도 제어부를 구비하는, 촉매 담지 장치.
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US20150270556A1 (en) * 2012-11-21 2015-09-24 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Manufacturing method of metal catalyst-supporting carrier, metal catalyst-supporting carrier, manufacturing method of fuel cell and catalyst supporting device

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