JP5829973B2 - 燃料電池用触媒の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、優れた耐久性を有する燃料電池用触媒の製造方法、及び当該製造方法により製造される燃料電池用触媒を含む燃料電池を提供することを目的とする。
本発明の燃料電池用触媒の製造方法は、パラジウムを含む中心粒子、及び白金を含み当該中心粒子を被覆する最外層を備える触媒微粒子、並びに、当該触媒微粒子が担持されたカーボン担体を備える燃料電池用触媒の製造方法であって、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体を準備する工程、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体を微細化する工程、及び、前記微細化工程後、前記パラジウム含有粒子に、白金を含む前記最外層を被覆する工程を有することを特徴とする。
以下、上記工程(1)〜(3)及びその他の工程について、順に説明する。
燃料電池用触媒の原料となる、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体は、カーボン担体上に、パラジウムを含む金属粒子が担持されているものであれば、特に限定されない。本発明に用いられる、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体は、予め調製されたものであってもよいし、市販のものであってもよい。
この様な観点から、本発明に用いられるパラジウム含有粒子は、パラジウム粒子、又は、イリジウム、ロジウム若しくは金等の金属とパラジウムとの合金粒子であることが好ましい。パラジウム合金粒子を用いる場合には、当該パラジウム合金粒子にはパラジウムの他に金属が1種類のみ含まれていてもよいし、2種類以上含まれていてもよい。
なお、本発明に用いられるパラジウム含有粒子及び触媒微粒子の平均粒径は、常法により算出される。パラジウム含有粒子及び触媒微粒子の平均粒径の算出方法の例は以下の通りである。まず、400,000〜1,000,000倍のTEM画像において、ある1つの粒子について、当該粒子を球状と見なした際の粒径を算出する。このようなTEM観察による粒径の算出を、同じ種類の200〜300個の粒子について行い、これらの粒子の平均を平均粒径とする。
図7に示すように、カーボン担体200は、略球状のカーボン粒子21が複数個、数珠状に繋がった構造を有する。一般的に、各カーボン粒子21の粒径rに対し、カーボン粒子21のつながりの最小単位の大きさlはストラクチャーと呼ばれる。本発明に用いられるカーボン担体のストラクチャーlは、通常、0.01〜1.0μmである。
このような市販のカーボン担体に、そのままパラジウム含有粒子を担持させた後、パラジウム含有粒子に最外層を被覆させた場合、得られる凝集体の体積基準の累積分布の中位径x50は100μmを超える。このような市販のカーボン担体を用いた場合、所定の平均粒径及び粒度分布の燃料電池用触媒を得るためには、比較的厳しい条件下での微細化が必要である。しかし、そのような厳しい条件下での微細化により、触媒微粒子の構造が破壊されるという問題があった。
本発明においては、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン凝集体について、後述するような、分散対象を含む容器内に直接振動子を入れて分散させる直接ホモジナイザー法、分散対象を含む容器の外から振動を与えて分散させる間接ホモジナイザー法、及び超音波ホモジナイザー等の微細化手段を用いて、絡み合ったカーボン凝集体をほぐすことにより、直径Lを、カーボン担体のストラクチャーlに近づける。本発明において、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体の粒径とは、絡み合った凝集体がほぐされた後の直径を指し、好適には凝集体が完全にほぐされた後に現れるカーボン担体のストラクチャーlを指す。なお、パラジウム含有粒子の粒径は上述したように数十nm以下と小さいため、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体の粒径を検討するに当たり、パラジウム含有粒子の粒径を考慮する必要はない。
図7に示すような略球状のカーボン粒子21同士は、炭素−炭素共有結合により結合しているため、本発明において行われる微細化により、ストラクチャーの形状が壊れる可能性は小さい。すなわち、本発明における微細化は、あくまでも絡み合ったカーボン凝集体をほぐす処理にすぎない。
なお、本工程においては、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体の体積基準の累積分布の中位径x50が、20μmを超えていてもよい。後述する微細化工程において、当該中位径x50を20μm以下とすることができる。
本工程は、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体を微細化して、適度に分散させる工程である。このように、最外層を被覆する前のパラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体を微細化することにより、目的とする燃料電池用触媒を用いて膜・電極接合体を製造する際に、当該燃料電池用触媒の溶媒等への分散性を向上させることができる。また、膜・電極接合体を製造する際に、燃料電池用触媒を厳しい条件下で微細化する必要が無いため、触媒微粒子のコア−シェル構造の破壊を防ぐことができ、その結果、当該燃料電池用触媒の耐久性を従来よりも向上させることができる。
本工程に用いられる微細化手段は、例えば、ホモジナイザー、ビーズミル、シェアミキサー、ロールミル、及びボトルオンロールミル等の攪拌手段が挙げられる。これらの攪拌手段は、1種類のみ用いてもよいし、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
本工程においては、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体を冷凍乾燥(フリーズドライ)させた後に、上記攪拌手段により微細化してもよい。
微細化に使用できる有機溶媒としては、例えば、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール等のアルコール類;ナフィオン(登録商標、Dupont社製)等の電解質溶液;等が使用できる。
微細化工程後における、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体の体積基準の累積分布の中位径x50は、その下限がより好適には3μm以上、さらに好適には5μm以上であり、その上限がより好適には15μm以下、さらに好適には12μm以下である。
微細化工程後における、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体の体積基準の累積分布の90%径x90は、その下限がより好適には12μm以上、さらに好適には15μm以上であり、その上限がより好適には25μm以下、さらに好適には20μm以下である。
微細化工程後における、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体の体積平均粒径は、その下限がより好適には3μm以上、さらに好適には5μm以上であり、その上限がより好適には15μm以下、さらに好適には12μm以下である。
微細化工程後における、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体の粒度分布の標準偏差σは、その下限がより好適には1.5μm以上、さらに好適には2μm以上であり、その上限がより好適には4.5μm以下、さらに好適には4μm以下である。
微細化工程後における、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体の個数平均粒径は、その下限がより好適には2μm以上、さらに好適には3μm以上であり、その上限がより好適には8μm以下、さらに好適には7μm以下である。
微細化工程後における、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体の面積平均粒径は、その下限がより好適には3μm以上、さらに好適には5μm以上であり、その上限がより好適には9.5μm以下、さらに好適には9μm以下である。
まず、原料となるPd/Cを所定量用意する。次に、当該Pd/Cに水やアルコール等の溶媒を適宜加える。続いて、Pd/Cを微細化し、溶媒中に分散させる。微細化手段としては、上述した直接ホモジナイザー法等の攪拌方法を用いる。なお、微細化手段によりPd/Cを含む分散液の温度が過剰に上昇しないように注意する。当該分散液の温度が上昇すると、Pd/Cが凝集してしまい、微細化の効果が十分に得られなくなるおそれがあるからである。当該分散液の温度を上昇させないように微細化する方法としては、例えば、ホモジナイザー等の攪拌手段を間欠運転する方法や、冷却水により当該分散液を冷却しながら微細化する方法等が挙げられる。
本工程は、上記微細化工程後に、上述したパラジウム含有粒子に、白金を含む最外層を被覆する工程である。パラジウム含有粒子に最外層を被覆する工程は、1段階の反応を経て行われてもよいし、多段階の反応を経て行われてもよい。
以下、2段階の反応を経て中心粒子に最外層が被覆される例について主に説明する。
最外層に白金層を使用する場合には、パラジウムの格子定数と白金の格子定数が互いに近いことから、Cu−UPD法によって、白金の被覆率が高く耐久性に優れる燃料電池用触媒を製造できる。
図8は、カーボン担体に担持されたパラジウム含有粒子(以下、試料と称する場合がある。)に最外層を被覆する装置の例を示した斜視模式図である。図8中の二重波線は図の省略を示す。
装置300は、反応容器31を備え、さらに好適にはマグネチックスターラー32を備える。反応容器31は導電性材料を含む容器であり、それ自体が作用極の役割を果たす容器である。反応容器31は、好適にはマグネチックスターラー32の上に設置される。反応容器31内には、所定の濃度の銅イオン溶液(図8中の33)が加えられている。銅イオン溶液には、硫酸や硝酸等の酸を適宜加えてもよい。銅イオン溶液中には、窒素等の不活性ガスを予めバブリングさせることが好ましい。また、銅イオン濃度が1〜100mMとなるように、銅イオン溶液を調製するのが好ましい。反応容器31の外部から、電位制御装置(図示せず)が接続され、当該電位制御装置により反応容器の電位が制御される。
反応容器31内には、コンパートメント35、及び参照極36が設けられている。コンパートメント35内には、さらに対極34が設けられている。コンパートメント35は、試料が対極34に付着するのを防ぐ役割を果たす。
次に、電位制御装置により反応容器の電位を所定の電位に保持し、銅被覆反応が定常反応となり、反応電流が0に近づくまで、銅単原子層をパラジウム含有粒子表面に電解めっきする。電位保持中は、マグネチックスターラー32により銅イオン溶液を適宜攪拌する。銅イオン溶液を攪拌することにより、銅イオン溶液中に試料を適宜散らして、反応容器31の底部、すなわち電極上に試料を不規則に降り積もらせることができ、その結果、試料中のパラジウム含有粒子の全表面に満遍なく銅を電着させることができる。電位を保持する時間は、試料の量にもよるが、10分間〜20時間程度である。
電解液の具体例としては、酸が挙げられる。前処理に使用できる酸としては、具体的には、上述した銅イオン溶液に添加できる酸と同様の酸が使用できる。
なお、前処理と、上述したCu−UPDとを、同じ反応容器内で行う場合には、前処理に使用した電解液に、銅イオン溶液を加えてCu−UPDに供してもよい。例えば、前処理の電解液として硫酸を使用した場合には、使用後の硫酸に硫酸銅水溶液を加えて、Cu−UPDを行ってもよい。
電解液中の酸素を可能な限り除去し、不純物除去を速やかに進行させることができるという点から、電解液中には、窒素をバブリングさせることが好ましい。
不純物除去を速やかに進行させるという観点から、一定の電位の間隔において、電位を複数回往復させて掃引することが好ましい。掃引する電位の間隔は、0.1〜0.8V(vsRHE)であることが好ましく、0.2〜0.6V(vsRHE)であることがより好ましく、0.3〜0.4V(vsRHE)であることがさらに好ましい。
上述した微細化工程により十分に分散された試料37、及び好適にはスターラーチップ38を図8の反応容器31に加える。試料37に適宜電位サイクルをかけることにより、試料中のパラジウム含有粒子表面をクリーニングし、パラジウム含有粒子表面の酸化物を除去する。
まず、K2PtCl4等の白金化合物を、硫酸等の酸に適宜溶かして、白金イオン溶液を調製する。白金イオン溶液には、窒素等の不活性ガスを予めバブリングさせることが好ましい。
次に、反応容器31内の銅イオン溶液をマグネチックスターラー32により攪拌しながら、調製した白金イオン溶液を反応容器31に徐々に投入する。この操作により、パラジウム粒子表面の銅単原子層を白金単原子層に置換することができる。なお、置換めっき時間は、試料の量にもよるが、10分間〜10時間程度である。
パラジウム含有粒子の前処理から、パラジウム含有粒子表面に白金単原子層を形成するまでの工程は、反応容器内の溶液を常に窒素でバブリングさせながら行うことが好ましい。
本発明に用いられる最外層は白金を含む。白金は、触媒活性、特に酸素還元反応活性に優れている。また、白金の格子定数は3.92Åであるのに対し、パラジウムの格子定数は3.89Åであり、パラジウムの格子定数は白金の格子定数の±5%の範囲内の値である。したがって、中心粒子にパラジウム又はパラジウム合金を、最外層に白金をそれぞれ用いることにより、中心粒子と最外層の間で格子不整合が生じず、白金による中心粒子の被覆が十分に行われる。
なお、最外層には、白金以外に、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、又は金が含まれていてもよい。最外層に白金合金を用いる場合には、当該白金合金には白金の他に金属が1種類のみ含まれていてもよいし、2種類以上含まれていてもよい。
なお、触媒微粒子の平均粒径は、その下限が好適には4μm以上、より好適には5μm以上であり、その上限が好適には40μm以下、より好適には10μm以下である。
触媒微粒子のろ過及び洗浄は、製造された触媒微粒子の被覆構造を損なうことなく、不純物を除去できる方法であれば特に限定されない。当該ろ過及び洗浄の例としては、水、過塩素酸、希硫酸、希硝酸等を用いて吸引ろ過をする方法が挙げられる。
触媒微粒子の乾燥は、溶媒等を除去できる方法であれば特に限定されない。当該乾燥の例としては、室温下の真空乾燥を0.5〜2時間行った後、不活性ガス雰囲気下、60〜80℃の温度条件で1〜4時間乾燥させるという方法が挙げられる。
本発明の燃料電池は、高分子電解質膜の一面側に少なくともアノード触媒層を備えるアノード電極を備え、他面側に少なくともカソード触媒層を備えるカソード電極を備える膜・電極接合体を備える単セルを備える燃料電池であって、上記製造方法により製造される燃料電池用触媒を、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の少なくともいずれか一方に含むことを特徴とする。
アノード触媒層及びカソード触媒層はいずれも、触媒、導電性材料及び高分子電解質を含有する触媒インクを用いて形成することができる。高分子電解質としては、上述した高分子電解質膜同様の材料を用いることができる。触媒としては、本発明に係る燃料電池用触媒が用いられる。
本発明に係る燃料電池用触媒は、アノード触媒層のみに用いられてもよく、カソード触媒層のみに用いられてもよく、アノード触媒層及びカソード触媒層の両方に用いられてもよい。本発明に係る燃料電池用触媒をアノード触媒層のみに用いる場合には、カソード触媒層には他の触媒が用いられる。また、本発明に係る燃料電池用触媒をカソード触媒層のみに用いる場合には、アノード触媒層には他の触媒が用いられる。
他の触媒としては、通常、触媒成分を導電性粒子に担持させたものが用いられる。触媒成分としては、アノード電極に供給される燃料の酸化反応又はカソード電極に供給される酸化剤の還元反応に対して触媒活性を有しているものであれば、特に限定されず、固体高分子型燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができる。例えば、白金、又はルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、銅等の金属と白金との合金等を用いることができる。触媒担体である導電性粒子としては、カーボンブラック等の炭素粒子や炭素繊維のような導電性炭素材料、金属粒子や金属繊維等の金属材料も用いることができる。導電性材料は、触媒層に導電性を付与する役割も担っている。
パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体の微細化条件よりも穏やかな条件とは、例えば、上述した微細化に用いられる攪拌手段や攪拌方法よりも弱い攪拌手段で触媒インクの分散を行うこと、上述した微細化よりも短い時間で触媒インクの分散を行うこと、及び上述した微細化よりも弱いせん断力で触媒インクの分散を行うこと等が挙げられる。上述した微細化に用いられる攪拌方法よりも弱い攪拌方法で触媒インクの分散を行うとは、例えば、上述した微細化において直接ホモジナイザー法が用いられた場合に、触媒インクの分散において間接ホモジナイザー法を用いること等が挙げられる。
分散後の触媒インク中の燃料電池用触媒の90%以上が、5μm以下の粒径を有することがより好ましく、1μm以下の粒径を有することがさらに好ましい。また、分散を経て得られる触媒インク中の燃料電池用触媒の粒径は、全て0.1〜1μmの範囲内であることが特に好ましい。
なお、ここでいう「分散後の触媒インク中の燃料電池用触媒の90%以上が、10μm以下の粒径を有する」とは、分散後の触媒インク中の燃料電池用触媒について粒度分布を測定し、縦軸に頻度(%)、横軸に粒径(μm)を有する粒度分布グラフを作成した場合、当該粒度分布を示す面積の90%以上が10μm以下の領域に存在することを意味する。
上記方法によって触媒層を形成した高分子電解質膜及びガス拡散シートは、適宜、重ね合わせて熱圧着等し、互いに接合することで、膜・電極接合体が得られる。
[製造例1]
まず、パラジウム粒子が担持されたカーボン担体(以下、Pd/Cと称する場合がある。)を0.55g量り取り容器に加えた。次に、当該容器に超純水を20mL加え、Pd/Cを十分湿らせた。さらに、当該容器にエタノールを15mL加え、Pd/C混合液を調製した。
次に、最大出力200W(出力50%)のホモジナイザーを用い、直接ホモジナイザー法によりPd/C混合液を45分間攪拌することによって、Pd/Cを微細化し、且つ、Pd/C混合液中にPd/Cを分散させた(微細化工程)。このとき、Pd/C混合液の温度が過剰に上昇しないように、ホモジナイザーを間欠運転した。すなわち、ホモジナイザーの作動時間2秒間につき、停止時間を2秒間とし、ホモジナイザーの作動及び停止を交互に繰り返して、作動時間の合計が45分間となるまでPd/C混合液を攪拌し続けた。また、容器全体を約6℃の冷却水で冷やしながら攪拌を行った。
ホモジナイザーにより分散させたPd/C分散液をろ過し、微細化したPd/Cを取り出した。その後、常温(15〜30℃)の純水を約2L、微細化したPd/Cに対し5回に分けて加え、その都度ろ過及び洗浄して、製造例1のパラジウム担持カーボンを調製した。
Pd/Cを0.5g量り取り容器に加えた。次に、当該容器に超純水を150mL加え、Pd/Cを十分湿らせた。さらに分散度を上げるために、電解質溶液(デュポン社製、DE2020CS)を0.55mL加え、Pd/C混合液を調製した。
次に、最大出力600W(出力50%)のホモジナイザーを用い、直接ホモジナイザー法によりPd/C混合液を15分間攪拌することによって、Pd/Cを微細化し、且つ、Pd/C混合液中にPd/Cを分散させた(微細化工程)。このとき、Pd/C混合液の温度が過剰に上昇しないように、ホモジナイザーを間欠運転した。すなわち、ホモジナイザーの作動時間2秒間につき、停止時間を2秒間とし、ホモジナイザーの作動及び停止を交互に繰り返して、作動時間の合計が15分間となるまでPd/C混合液を攪拌し続けた。また、容器全体を約6℃の冷却水で冷やしながら攪拌を行った。
ホモジナイザーにより分散させたPd/C分散液をろ過し、微細化したPd/Cを取り出した。その後、常温(15〜30℃)の純水を約2L、微細化したPd/Cに対し5回に分けて加え、その都度ろ過及び洗浄して、製造例2のパラジウム担持カーボンを調製した。
[実施例1]
2−1.パラジウム担持カーボンの前処理
まず、上記製造例1のパラジウム担持カーボンの前処理を行った。パラジウム担持カーボンの前処理は、図8に示す装置で行った。
反応容器31は、直径15cmのチタン製円筒状容器で、表面に腐食に強いRuO2をコーティングした容器であり、当該反応容器31自体が作用極の役割を果たす。反応容器31はマグネチックスターラー32の上に設置された。また、反応容器31内には、0.05M硫酸(図8中の33)を0.55L加えた。反応容器内の硫酸には、予め窒素をバブリングさせた。反応容器31の外部から、電位制御装置としてポテンショスタット等(図示せず)を接続し、反応容器の電位を制御した。
白金メッシュに白金黒をめっきした対極34を、底にフリットガラス(粉末ガラス)が付着したコンパートメント35内に入れて、ポリスチレンフロート(図示せず)により反応容器31内に設置した。コンパートメント35は、対極34にパラジウム担持カーボン粉末が付着するのを防ぐ役割を果たす。
銀・塩化銀電極(CypressSystems社製、リークフリーAg/AgCl/KCl(3M)電極)36を参照極として使用した。Ag/AgCl/KClを用いて測定された電位は、予め測定したAg/AgCl/KCl電極と可逆水素電極との電位差に基づき、RHE基準に換算した。
硫酸銅(II)(CuSO4)水溶液を図8の反応容器31に加えた。硫酸銅(II)水溶液の量は、添加後の反応容器31内の溶液中の銅イオン濃度が50mMとなるように調整した。
0.4V(vsRHE)に電位を保持し、銅被覆反応が定常となり反応電流が0に近づくまで、銅単原子層をパラジウム粒子表面に電解めっきした。電位保持中は、マグネチックスターラー32により溶液を適宜攪拌した。図8に示す装置においては、反応容器31自体が作用極の役割を果たす。したがって、パラジウム担持カーボンの粉が反応容器31の底に付着することにより、パラジウム担持カーボンに電気が導通する。マグネチックスターラー32による攪拌は、パラジウム担持カーボンの粉を硫酸銅(II)水溶液中に適宜散らして、反応容器31の底部、すなわち、Ti/RuO2電極上にパラジウム担持カーボンを不規則に降り積もらせる結果、パラジウム担持カーボン中の全てのパラジウム粒子表面に銅を電着させるために行った。
銅単原子層の形成時に、銅電解めっき電荷量及び銅電解めっき電流も測定した。測定結果については後述する。
K2PtCl4を0.05M硫酸に溶かし、白金イオン溶液を調製した。白金イオン溶液には、予め窒素バブリングさせた。
反応容器31内の溶液をマグネチックスターラー32により攪拌しながら、調製した白金イオン溶液を反応容器31に徐々に投入した。この操作により、パラジウム粒子表面の銅単原子層を白金単原子層に置換した。パラジウム担持カーボンの前処理から白金単原子層の形成までの工程は、反応容器31内の反応溶液を窒素でバブリングさせながら行った。
反応溶液をろ過することにより、パラジウム粒子表面に白金単原子層が被覆されてなる触媒微粒子、及び当該触媒微粒子が担持されたカーボン担体を備える燃料電池用触媒を得た。その後、常温(15〜30℃)の純水を約4L、燃料電池用触媒に対し10回に分けて加え、その都度ろ過し、洗浄した。
洗浄後の燃料電池用触媒を、60℃の温度条件下、12時間乾燥させた。乾燥後の燃料電池用触媒を、メノウ乳鉢と乳棒により適宜粉砕し、実施例1の燃料電池用触媒を製造した。
実施例1において、上記製造例1のパラジウム担持カーボンの替わりに、上記製造例2のパラジウム担持カーボンを用いたこと以外は、実施例1と同様にパラジウム担持カーボンの前処理、パラジウム粒子への銅単原子層の形成及び白金置換めっき、並びに、得られた燃料電池用触媒の洗浄及び粉砕を行って、比較例1の燃料電池用触媒を製造した。
実施例1において、上記製造例1のパラジウム担持カーボンの替わりに、予め微細化処理を施していないパラジウム担持カーボン(以下、製造例3のパラジウム担持カーボンと称する場合がある。)を用いたこと以外は、実施例1と同様にパラジウム担持カーボンの前処理、パラジウム粒子への銅単原子層の形成及び白金置換めっき、並びに、得られた燃料電池用触媒の洗浄及び粉砕を行って、比較例2の燃料電池用触媒を製造した。
[実施例2]
実施例1の燃料電池用触媒を、0.4g量り取り容器に加えた。次に、当該容器に超純水を15g加え、燃料電池用触媒を十分湿らせた。さらに、当該容器にエタノールを12.75g、ナフィオン(登録商標)溶液(Dupont社製 DE2020CS)を0.9g加え、燃料電池用触媒混合液を調製した。
次に、燃料電池用触媒混合液を直接ホモジナイザー法で5分間攪拌することによって、燃料電池用触媒を微細化し、且つ、燃料電池用触媒混合液中に燃料電池用触媒を分散させた。このとき、液温が過剰に上昇しないように、ホモジナイザーを間欠運転した。すなわち、ホモジナイザーの作動時間2秒間につき、停止時間を2秒間とし、ホモジナイザーの作動及び停止を交互に繰り返して、作動時間の合計が5分間となるまで攪拌し続けた。また、容器全体を約6℃の冷却水で冷やしながら攪拌を行った。
直接ホモジナイザー法により分散させた燃料電池用触媒分散液を、高分子電解質膜(ナフィオン(登録商標)膜)の両面にスプレー塗布し、実施例2の膜・電極接合体を製造した。
実施例2において、上記実施例1の燃料電池用触媒の替わりに、上記比較例2の燃料電池用触媒を用いたこと以外は、実施例2と同様に、燃料電池用触媒分散液を調製し、スプレー塗布を行って、比較例3の燃料電池用触媒を製造した。
実施例1及び比較例1において、銅単原子層の形成時に、銅電解めっき電荷量及び銅電解めっき電流を測定した。銅電解めっき電荷量は、上述した銅単原子層の形成時に得られたサイクリックボルタモグラム(以下、CVと称する場合がある。)より算出した。また、銅電解めっき電流は、ポテンショスタット(北斗電工製、型番:HZ−5000)を用い、上述したように0.4V(vsRHE)に電位を保持しながら電流値を測定した。
図4から分かるように、実施例1における銅電解めっき電荷量を100%としたとき、比較例1における銅電解めっき電荷量は65%である。したがって、微細化の条件がより厳しい比較例1は、適切な条件下で微細化を行った実施例1と比較して、銅電解めっき電荷量が減少することが分かる。
図5から分かるように、実施例1のグラフは、比較的緩やかな曲線である。一方、比較例1のグラフは、実施例1のグラフと比較して、電流値の絶対値が小さい部分が多い。また、比較例1のグラフは縦軸方向に細かい振動を示す。したがって、微細化の条件がより厳しい比較例1については、電流値が細かく振動し、パラジウム担持カーボンへの電気の導通不良を示すノイズが見られた。
図4及び図5に示される結果より、微細化の条件がより厳しい場合には、電解めっきにより被覆される銅の量が極めて少なくなり、且つ、電解めっきが安定して行われないことが分かる。図8に示す装置においては、反応容器31自体が作用極の役割を果たし、パラジウム担持カーボンの粉が反応容器31の底に付着することにより、パラジウム担持カーボンに電気が導通する。図4及び図5に示される結果からは、パラジウム担持カーボンが細かすぎる場合は、バブリング等による銅イオン溶液の揺らぎ等によって、パラジウム担持カーボンが銅イオン溶液中に浮遊してしまうため、パラジウム粒子への銅単原子層の被覆に長い時間が必要となると考えられる。
製造例1〜製造例3のパラジウム担持カーボン、実施例2における燃料電池用触媒分散液中の燃料電池用触媒、及び比較例3における燃料電池用触媒分散液中の燃料電池用触媒について、粒度分布計により粒度分布を測定した。粒度分布計としては、粒度分布測定装置(日機装株式会社製、製品名:マイクロトラックMT3000)を用いた。
表1より、製造例3のパラジウム担持カーボンは、MVが35.468μm、MNが5.010μm、MAが16.732μm、CSが0.359、SDが25.752μmである。したがって、製造例3のパラジウム担持カーボンについては、MNが1〜10μmの範囲内である。一方、製造例3のパラジウム担持カーボンについては、MVが20μmを超える値であり、且つ、MAが10μmを超える値であり、且つ、SDが5μmを超える値である。
表1より、製造例3のパラジウム担持カーボンは、x50が29.720μm、x90が70.140μmである。したがって、製造例3のパラジウム担持カーボンについては、x50が20μmを超える値であり、且つ、x90が30μmを超える値である。
図10より、製造例3のパラジウム担持カーボンにおいては、粒径が10〜100μmの粒子が大部分を占めることが分かる。
表2より、比較例3に使用された燃料電池用触媒は、MVが7.190μm、MNが0.220μm、MAが0.591μm、CSが10.161、SDが5.829μmである。また、表2より、比較例3に使用された燃料電池用触媒は、x50が0.730μm、x90が27.700μmである。
図11より、比較例3に使用された燃料電池用触媒においては、粒径が10μm以上の粒子が残っていることが分かる。この結果から、MVが20μmを超える値であり、且つ、MAが10μmを超える値であり、且つ、SDが5μmを超える値であり、且つ、x50が20μmを超える値であり、且つ、x90が30μmを超える値であるパラジウム担持カーボンを原料とする燃料電池用触媒については、従来よりも弱い分散方法で微細化させた場合、良好な粒度分布が得られないことが分かる。
表1より、製造例1のパラジウム担持カーボンは、MVが10.323μm、MNが5.527μm、MAが8.669μm、CSが0.692、SDが3.733μmである。したがって、製造例1のパラジウム担持カーボンについては、MVが1〜20μmの範囲内であり、且つ、MNが1〜10μmの範囲内であり、且つ、MAが1〜10μmの範囲内であり、且つ、SDが1〜5μmの範囲内である。
表1より、製造例1のパラジウム担持カーボンは、x50が9.777μm、x90が15.490μmである。したがって、製造例1のパラジウム担持カーボンについては、x50が1〜20μmの範囲内であり、且つ、x90が10〜30μmの範囲内である。
図2より、製造例1のパラジウム担持カーボンは、粒度分布がほぼ正規分布であり、且つ、粒度分布の頂点が約10μmであることが分かる。
表2より、実施例2に使用された燃料電池用触媒は、MVが1.586μm、MNが0.121μm、MAが0.242μm、CSが24.762、SDが0.493μmである。また、表2より、実施例2に使用された燃料電池用触媒は、x50が0.367μm、x90が2.105μmである。
図3より、実施例2に使用された燃料電池用触媒においては、粒径が10μm以上の粒子はほとんど残っていない。この結果から、MVが1〜20μmの範囲内であり、且つ、MNが1〜10μmの範囲内であり、且つ、MAが1〜10μmの範囲内であり、且つ、SDが1〜5μmの範囲内であり、さらに、x50が1〜20μmの範囲内であり、且つ、x90が10〜30μmの範囲内であるパラジウム担持カーボンを原料とする燃料電池用触媒については、従来よりも弱い分散方法で微細化させた場合でも、粒子の構造を維持したまま、良好な粒度分布が得られることが分かる。
表1より、製造例2のパラジウム担持カーボンは、MVが0.642μm、MNが0.229μm、MAが0.409μm、CSが14.689、SDが0.358μmである。したがって、製造例2のパラジウム担持カーボンについては、MVが1μm未満であり、且つ、MNが1μm未満であり、且つ、MAが1μm未満であり、且つ、SDが1μm未満である。
表1より、製造例2のパラジウム担持カーボンは、x50が0.506μm、x90が1.452μmである。したがって、製造例2のパラジウム担持カーボンについては、x50が1μm未満であり、且つ、x90が10μm未満である。
図9より、製造例2のパラジウム担持カーボンは、粒径が0.1〜1μmの粒子が大部分を占めることが分かる。
しかし、上述したように、製造例2については、銅電解めっき時において、パラジウム担持カーボンと電極との間に電気の導通不良が生じることが分かる。
6−1.燃料電池用触媒の調製
[参考例1]
実施例1において、上記製造例1のパラジウム担持カーボンの替わりに、製造例3のパラジウム担持カーボンを用いたこと以外は、実施例1と同様にパラジウム担持カーボンの前処理、パラジウム粒子への銅単原子層の形成及び白金置換めっき、並びに、得られた燃料電池用触媒の洗浄及び粉砕を行った。
次に、粉砕後の燃料電池用触媒を0.05g量り取り容器に加えた。その後、当該容器に超純水を30mL加え、燃料電池用触媒混合液を調製した。
続いて、燃料電池用触媒混合液を直接ホモジナイザー法で4分間攪拌することによって、燃料電池用触媒を微細化し、且つ、燃料電池用触媒混合液中に燃料電池用触媒を分散させ、参考例1の燃料電池用触媒を得た。
実施例1において、上記製造例1のパラジウム担持カーボンの替わりに、製造例3のパラジウム担持カーボンを用いたこと以外は、実施例1と同様にパラジウム担持カーボンの前処理、パラジウム粒子への銅単原子層の形成及び白金置換めっき、並びに、得られた燃料電池用触媒の洗浄及び粉砕を行った。
次に、粉砕後の燃料電池用触媒を0.05g量り取り容器に加えた。その後、当該容器に超純水を30mL加え、燃料電池用触媒混合液を調製した。
続いて、燃料電池用触媒混合液を直接ホモジナイザー法で30分間攪拌することによって、燃料電池用触媒を微細化し、且つ、燃料電池用触媒混合液中に燃料電池用触媒を分散させた。
続いて、直接ホモジナイザー法による攪拌後の燃料電池用触媒混合液を、間接ホモジナイザー法で5時間攪拌することによって、燃料電池用触媒を微細化し、且つ、燃料電池用触媒混合液中に燃料電池用触媒を分散させた。
上記直接ホモジナイザー法及び間接ホモジナイザー法による分散を経て、参考例2の燃料電池用触媒を得た。
実施例1において、上記製造例1のパラジウム担持カーボンの替わりに、製造例3のパラジウム担持カーボンを用いたこと以外は、実施例1と同様にパラジウム担持カーボンの前処理、パラジウム粒子への銅単原子層の形成及び白金置換めっき、並びに、得られた燃料電池用触媒の洗浄及び粉砕を行い、参考例3の燃料電池用触媒を得た。すなわち、参考例3においては、白金被覆後の分散を行わなかった。
参考例1〜参考例3の燃料電池用触媒について、パラジウム溶出耐久試験を行った。
まず、各燃料電池用触媒を、80℃の0.1mol/L硫酸に浸漬させた。1時間後、硫酸をろ過し、濾液について、誘導結合プラズマ質量分析(Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy:ICP−MS)により、硫酸に溶出したパラジウム元素を定量した。
図6は、参考例1〜参考例3の燃料電池用触媒について、パラジウム溶出量を示した棒グラフである。なお、図6のグラフは、縦軸にパラジウム溶出量(質量%)をとったグラフである。図6より、参考例1の燃料電池用触媒におけるパラジウム溶出量は5.65質量%である。また、参考例2の燃料電池用触媒におけるパラジウム溶出量は7.67質量%である。また、参考例3の燃料電池用触媒におけるパラジウム溶出量は5.70質量%である。
したがって、より厳しい条件下で微細化を行った参考例2は、より穏やかな条件下で微細化を行った参考例1、及び、微細化処理を行わなかった参考例3と比較して、パラジウム溶出量が1.3倍程度高いことが分かる。また、より穏やかな条件下で微細化を行った参考例1、及び、微細化処理を行わなかった参考例3は、パラジウム溶出量が同程度であることも分かる。
2 カソード触媒層
3 アノード触媒層
4,5 ガス拡散層
6 カソード電極
7 アノード電極
8 膜・電極接合体
9,10 セパレータ
11,12 ガス流路
21 カーボン粒子
31 反応容器
32 マグネチックスターラー
33 反応溶液
34 対極
35 コンパートメント
36 参照極
37 カーボン担体に担持されたパラジウム含有粒子
38 スターラーチップ
100 単セル
200 カーボン担体
300 カーボン担体に担持されたパラジウム含有粒子に最外層を被覆する装置
400 カーボン凝集体
r カーボン粒子の粒径
l カーボン担体のストラクチャー
L カーボン凝集体の直径
Claims (11)
- パラジウムを含む中心粒子、及び白金を含み当該中心粒子を被覆する最外層を備える触媒微粒子、並びに、当該触媒微粒子が担持されたカーボン担体を備える燃料電池用触媒の製造方法であって、
パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体を準備する工程、
パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体を微細化する工程、及び、
前記微細化工程後、前記パラジウム含有粒子に、白金を含む前記最外層を被覆する工程を有することを特徴とする、燃料電池用触媒の製造方法。 - 前記微細化工程後における、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体の体積基準の累積分布の中位径x50が1〜20μmである、請求項1に記載の燃料電池用触媒の製造方法。
- 前記準備工程における、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体の体積基準の累積分布の中位径x50が20μmを超える、請求項1又は2に記載の燃料電池用触媒の製造方法。
- 前記微細化工程後における、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体の体積平均粒径が1〜20μmである、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の燃料電池用触媒の製造方法。
- 前記微細化工程後における、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体の粒度分布の標準偏差σが1〜5μmである、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の燃料電池用触媒の製造方法。
- 前記微細化工程後における、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体の体積基準の累積分布の90%径x90が10〜30μmである、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の燃料電池用触媒の製造方法。
- 前記微細化工程後における、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体の個数平均粒径が1〜10μmである、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の燃料電池用触媒の製造方法。
- 前記微細化工程後における、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体の面積平均粒径が1〜10μmである、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の燃料電池用触媒の製造方法。
- 前記微細化工程後における、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体の粒径分布が略正規分布である、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の燃料電池用触媒の製造方法。
- 前記微細化工程は、ホモジナイザー、ビーズミル、シェアミキサー、ロールミル、及びボトルオンロールミルからなる群より選ばれる少なくとも1つの攪拌手段により、パラジウム含有粒子が担持されたカーボン担体を微細化する工程である、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の燃料電池用触媒の製造方法。
- 前記最外層被覆工程は、少なくとも、
前記パラジウム含有粒子に単原子層を被覆する工程、及び、
前記単原子層を、白金を含む前記最外層に置換する工程を有する、請求項1乃至10のいずれか一項に記載の燃料電池用触媒の製造方法。
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