JP2010182692A - 固体高分子形燃料電池用電極 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】繊維状炭素材料を含むガス拡散層と、その片側に形成した触媒粒子と高分子電解質とを含む触媒層とからなる電極であって、該触媒が活性炭を炭素担体とし、Ptを含む触媒微粒子を担持してなり、該活性炭が、BET評価による表面積SBETが、SBET≧1500m2/gを満たし、且つ、直径2nm以下のミクロ孔表面積Smicro(m2/g)の全細孔面積Stotal(m2/g)に対する比率が、Smicro/Stotal≧0.5を満たすことを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池用電極、及び、該電極をアノード、カソードの少なくとも一方に用いた固体高分子電解質形燃料電池である。
【選択図】なし
Description
(1) 繊維状炭素材料を主成分とするガス拡散層と、その片側に形成した触媒と高分子電解質とを主成分とする触媒層とからなる電極であって、該触媒が活性炭を炭素担体とし、Ptを触媒活性の主成分とする触媒微粒子を担持してなり、該活性炭が、BET法による表面積SBETが、SBET≧1500m2/gを満たし、且つ、直径2nm以下のミクロ孔表面積Smicro(m2/g)の全細孔面積Stotal(m2/g)に対する比率が、Smicro/Stotal≧0.5を満たすことを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池用電極。
(2) 前記活性炭の、ミクロ孔の平均直径が0.7nm以上1.5nm以下である(1)記載の固体高分子電解質形燃料電池用電極。
(3) 前記活性炭の、酸素含有量が5質量%以下である(1)又は(2)に記載の固体高分子電解質形燃料電池用電極。
(4) 前記活性炭の、DBP吸油量が30mL/100g以上である(1)〜(3)のいずれかに記載の固体高分子電解質形燃料電池用電極。
(5) 繊維状炭素材料を主成分とするガス拡散層と触媒粒子と高分子電解質とを主成分とする触媒層の間に、炭素微粒子と撥水剤とから形成される中間層を有する(1)〜(4)のいずれかに記載の固体高分子電解質形燃料電池用電極。
(6) 前記中間層に含まれる炭素微粒子がカーボンブラックを主成分とし、該カーボンブラックが、25℃相対湿度90%における水蒸気吸着量が100mL/g以下であり、且つ、DBP吸油量X(mL/100g)とBET比表面積Y(m2/g)の比が、X/Y≧1を満たす(5)記載の固体高分子電解質形燃料電池用電極。
(7) (1)〜(6)のいずれかに記載の電極を固体高分子電解質膜の少なくとも片側に接合させてなることを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池。
1. 触媒金属の微粒子を担持させる吸着部位を担体表面に高密度に導入する効果
2. 担体表面と高分子電解質との親和性を高めて高分子電解質の吸着量を増加させる効果
上記の効果による具体的性能改善は以下が期待される。
(活性炭サンプルの作製)
石炭系生コークスを原料とし、800℃〜1100℃に保温した加熱炉中で、一定量の水蒸気を含有した窒素ガスを流通させながら、2時間〜3時間処理し、いわゆる水蒸気賦活処理を施し、活性炭を作製した。さらに、酸素含有量を制御する目的で、水素を10vol%〜30vol%含有した窒素ガス雰囲気で、500℃〜900℃で1時間還元熱処理した。表1に、上述の方法で作製した一連の活性炭の各種の物性をまとめて示した。表中の物性は、以下の方法により測定した。窒素ガスの吸着等温測定から、BET法による比表面積SBET、t-プロット解析により求めたミクロポア(直径2nm以下の細孔)の面積Smicroと全表面積Stotal、ミクロポア容積Vmicro、酸素含有量の元素分析値である。ガス吸着測定には、日本ベル株式会社製BELSORP36を用い、t-プロット解析は、装置に付属の解析プログラムを使用して上記の物性値を算出した。
(白金微粒子の担持)
これらの活性炭に白金微粒子を担持するために、以下のプロセスを実施した。150mLの蒸留水が入ったフラスコに、担体に用いる炭素材料0.5gとヘキサクロロ白金(IV)酸を、白金が担体に対して質量比1:1になるように入れ、超音波で十分に分散させた後、オイルバス中で沸騰状態に維持し、そこへ還元剤であるホルムアルデヒドを一定速度で3〜10時間かけて滴下した。滴下終了後にメンブレンフィルターで濾過分離し、回収物を蒸留水に再度分散させ、濾過分離する作業を3回繰り返し、100℃で真空乾燥し、電極用の触媒とした。触媒に担持した白金量は、熱王水に溶解してプラズマ発光分析で定量した結果、何れのサンプルも50質量%であった。得られた白金触媒の結晶子径を、表1に各種物性値とまとめて示す。表1には、比較に用いた賦活処理を施していない通常の導電グレードのカーボンブラック2種の物性値と、上記方法で担持したPt粒子径も併せて示した。Pt微粒子の粒子径は、X線回折装置(理学電機製、RAD-3C)により得られた白金の(111)ピークの半値幅から、Scherrerの方法を用いて見積った。
これらの白金触媒に、アルゴン気流中で、5%ナフィオン溶液(アルドリッチ製)を白金触媒の質量に対してナフィオン固形分の質量が2倍になるように加え、軽く撹拌後、超音波で触媒を粉砕し、白金触媒とナフィオンを合わせた固形分濃度が、6質量%となるように、撹拌しながら酢酸ブチルを加え、触媒スラリーを作製した。別容器に、表3で示した炭素材料Aを取り、炭素材料が6質量%になるように酢酸ブチルを加えて、超音波で炭素材料を解砕し、炭素材料スラリーを作製した。先に作製したそれぞれの触媒スラリーと炭素材料スラリーを質量比8:2で混合した後、十分攪拌し、触媒層スラリーを作製した。
カーボンクロス(ElectroChem社製EC-CC1-060)を準備し、これを5%に希釈したテフロン(登録商標)分散液中に浸漬した後、乾燥し、さらにアルゴン気流中で320〜350℃に昇温して、ガス拡散繊維層を作製した。また、表3のカーボンブラック3種をそれぞれ1gにエタノール99gを加え、ボールミルで炭素材料を粉砕し、一次分散液を作った。その後、一次分散液を攪拌しながら、30%テフロン(登録商標)分散液0.833gを少しずつ滴下し、中間層スラリーを作製した。このスラリーを、先に作製したガス拡散繊維層の片面にスプレーを用いて塗布し、アルゴン気流中で80℃で乾燥した後に、320〜350℃に昇温してガス拡散繊維層と中間層が積層したガス拡散層3種を作製した。
本発明で規定する活性炭を担体に用いることにより、触媒の寿命が改善することを検討するために、実施例1で用いた炭素材料の中で、表5に示した5種を担体として用い、実施例1と同様の方法により、白金微粒子を担持した。本検討では、触媒の粒子径の変化を劣化として評価するために、劣化前の白金微粒子の粒子径を正確に一致させることが必須であり、白金担持率を30質量%で、白金微粒子の直径が2.3nmになるように、触媒を作製した。表5に、一連の炭素材料の物性値と触媒粒子径を示した。触媒の粒子径は、X線回折法により測定した値を用いた。
寿命評価は、カソードに使用されている白金の表面積の劣化前と劣化運転後の比で評価した。即ち、白金の表面積が劣化運転で全く変化しなければ劣化率は0%、劣化運転後の白金表面積が劣化前の半分であれば劣化率50%と評価した。カソードの白金の表面積は、以下の方法で評価した。アノードに加湿した水素ガス、カソードに加湿したアルゴンガスを供給し、50mV/secの掃引速度でセル電圧0.05V〜0.9Vの範囲を10サイクルさせ、サイクリックボルタモグラムを測定した。加湿条件、セル温度は、実施例1と同一条件とした。10サイクル目のグラフのいわゆる水素脱離波の面積から、脱離した水素原子数が換算され、水素1原子が白金表面で占有する平均の面積を既知として、水素原子数から白金の表面積を求めた(藤嶋、相澤、井上著、電気化学測定法(上)、技報堂出版(株)、第4章「4. 4電極の前処理と電極表面積」を参照)。本評価では、各々のMEAを組付けた後に、先ずサイクリックボルタモグラムを測定し、その後、カソードのガスを純酸素に変更し、セル電圧をOCV(無負荷の開放電圧)で15秒保持した後、セル電圧が0.5Vで一定になるように、負荷をかけた状態で15秒保持することを3000サイクル繰り返した。その後、再びカソードのガスをアルゴンに変更し、劣化前と同一の条件で白金の表面積を求めた。劣化率は、劣化後の白金表面積を劣化前の値で除した値を%表示したものである。
Claims (7)
- 繊維状炭素材料を主成分とするガス拡散層と、その片側に形成した触媒と高分子電解質とを主成分とする触媒層とからなる電極であって、該触媒が活性炭を炭素担体とし、Ptを触媒活性の主成分とする触媒微粒子を担持してなり、該活性炭が、BET法による表面積SBETが、SBET≧1500m2/gを満たし、且つ、直径2nm以下のミクロ孔表面積Smicro(m2/g)の全細孔面積Stotal(m2/g)に対する比率が、Smicro/Stotal≧0.5を満たすことを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池用電極。
- 前記活性炭の、ミクロ孔の平均直径が0.7nm以上1.5nm以下である請求項1記載の固体高分子電解質形燃料電池用電極。
- 前記活性炭の、酸素含有量が5質量%以下である請求項1又は2に記載の固体高分子電解質形燃料電池用電極。
- 前記活性炭の、DBP吸油量が30mL/100g以上である請求項1〜3のいずれかに記載の固体高分子電解質形燃料電池用電極。
- 繊維状炭素材料を主成分とするガス拡散層と触媒粒子と高分子電解質とを主成分とする触媒層の間に、炭素微粒子と撥水剤とから形成される中間層を有する請求項1〜4のいずれかに記載の固体高分子電解質形燃料電池用電極。
- 前記中間層に含まれる炭素微粒子がカーボンブラックを主成分とし、該カーボンブラックが、25℃相対湿度90%における水蒸気吸着量が100mL/g以下であり、且つ、DBP吸油量X(mL/100g)とBET比表面積Y(m2/g)の比が、X/Y≧1を満たす請求項5記載の固体高分子電解質形燃料電池用電極。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の電極を固体高分子電解質膜の少なくとも片側に接合させてなることを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池。
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