JP6630457B2 - カソード、膜電極接合体及び電池 - Google Patents
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Description
1.0gのポリアクリロニトリル(PAN)と、1.0gの2−メチルイミダゾールと、6.0gの塩化亜鉛(ZnCl2)と、0.18gの塩化鉄(III)六水和物(FeCl3・6H2O)と、30gのジメチルホルムアミドとを混合した。得られた混合物から乾燥により溶媒を除去した。乾燥した混合物を大気中で加熱して、250℃で不融化を行った。不融化後の混合物を、窒素雰囲気中、0.90MPaのゲージ圧力下、1300℃で加熱保持することにより、炭素化を行った。
0.90MPaに代えて0.20MPaのゲージ圧力下で炭素化を行ったこと以外は上述の触媒調製例1と同様にして、触媒調製例2の炭素触媒を得た。
不融化前に、0.018gの塩化クロム六水和物(CrCl3・6H2O)をさらに含む混合物を調製し、当該混合物を不融化したこと以外は上述の触媒調製例1と同様にして、触媒調製例3の炭素触媒を得た。
不融化前に、0.06gのホウ酸(B(HO)3)をさらに含む混合物を調製し、当該混合物を不融化したこと以外は上述の触媒調製例1と同様にして、触媒調製例4の炭素触媒を得た。
1.0gに代えて2.0gの2−メチルイミダゾールを用いたこと以外は上述の触媒調製例1と同様にして、触媒調製例5の炭素触媒を得た。
不融化前に、0.075gの硝酸ガドリニウム六水和物(Gd(NO3)3・6H2O)をさらに含む混合物を調製し、当該混合物を不融化したこと以外は上述の触媒調製例1と同様にして、触媒調製例6の炭素触媒を得た。
1.0gのポリアクリロニトリル(PAN)と、1.0gの2−メチルイミダゾールと、6.0gの塩化亜鉛(ZnCl2)と、0.18gの塩化鉄(III)六水和物(FeCl3・6H2O)と、30gのジメチルホルムアミドとを混合した。得られた混合物から乾燥により溶媒を除去した。乾燥した混合物を大気中で加熱して、250℃で不融化を行った。不融化後の混合物を、窒素雰囲気中、常圧下、1300℃で加熱保持することにより、炭素化を行った。
1300℃に代えて1000℃で炭素化を行ったこと以外は上述の比較調製例1と同様にして、比較調製例2の炭素触媒を得た。
1300℃に代えて800℃で炭素化を行ったこと以外は上述の比較調製例1と同様にして、比較調製例3の炭素触媒を得た。
窒素気流下、トルエン280mLが入ったフラスコにアクリロニトリル56.35質量部を加え溶解させた後、2,2’−アゾビスイソブチロニトリル0.75質量部を加えた。60℃に昇温撹拌し、3.5時間反応させ、白色沈殿が発生したのを確認した後、反応を終了した。反応物にテトラヒドロフランを加え、ろ過し、ろ物をテトラヒドロフランにて洗浄、ろ過乾燥を行うことで、ポリアクリロニトリル粒子を得た。
示差熱天秤(TG−DTA2020SA、ブルカー・エイエックスエス株式会社製)を用い、窒素雰囲気下でのTGにより、炭素触媒の重量減少率を測定した。すなわち、炭素触媒10mgを入れたアルミナ製容器を装置に設置し、次いで、常温にて窒素(200mL/分)を流した状態で当該装置を1時間保持した。その後、昇温速度10℃/分で、常温から1200℃まで炭素触媒を加熱し、200℃から1200℃までの重量減少率を測定した。炭素触媒に吸着した水等の影響を除去するため、200℃における炭素触媒の重量から、1200℃における当該炭素触媒の重量を減じて得られる差分を、当該200℃における炭素触媒の重量で除した値に100を乗じることにより、炭素触媒の重量減少率(重量%)を得た。
炭素触媒に含まれる鉄のK吸収端のXAFS分析を行った。すなわち、あいちシンクロトロン光センター(愛知県、日本)のビームラインBL5S1を用いて、硬X線によるXAFS分析を行った(Ring:1.2GeV/300.0mA〜300.3mA、モノクロメータ:Si(111)、ビームサイズ:0.50mm×0.30mm、光子数:1010個@7000eV、分解能(E/ΔE):7000@12keV)。
炭素触媒の比表面積、ミクロ孔容積、メソ孔容積及びマクロ孔容積を、比表面積・細孔分布測定装置(Tristar 3000、株式会社島津製作所製)を用いて測定した。
ICP−MSにより、炭素触媒の鉄含有量を測定した。すなわち、25mgの炭素触媒を、大気雰囲気下、800℃で、3時間加熱保持することにより、当該炭素触媒中の非金属成分を取り除いた。その後、炭素触媒を濃塩酸5mL中に浸漬することにより、当該炭素触媒に含まれている金属を溶解させた。その後、全重量が25gとなるように蒸留水を加えて希釈し、金属溶液を得た。そして、得られた金属溶液の鉄原子濃度を、シーケンシャル形プラズマ発光分析装置(ICP−8100、株式会社島津製作所製)を用いて測定した。
炭素触媒をXPSにより解析した。すなわち、X線光電子分光装置(AXIS NOVA、KRATOS社製)を用いて、炭素触媒の表面における炭素原子、窒素原子及び酸素原子の内殻準位からの光電子スペクトルを測定した。X線源にはAlKα線(10mA、15kV、Pass energy 40eV)を用いた。得られた光電子スペクトルにおいては、炭素原子の1s軌道に由来するC1sピークのピークトップが284.5eVに位置するよう結合エネルギーの補正を行った。
炭素触媒の燃焼法による元素分析を行った。すなわち、有機微量元素分析装置(2400II、パーキンエルマー株式会社)を用いて、炭素触媒の窒素含有量を燃焼法により測定した。ヘリウムをキャリアガスとして用い、2mgの炭素触媒を、燃焼管温度980℃、還元管温度640℃の条件で分析した。そして、炭素触媒に含まれていた窒素原子の重量を、当該炭素触媒の全重量で除した値に100を乗じて、当該炭素触媒の窒素原子含有量(重量%)を算出した。
炭素触媒の触媒活性を、回転リングディスク電極装置(RRDE-3A回転リングディスク電極装置ver.1.2、ビー・エー・エス株式会社製)と、デュアル電気化学アナライザー(CHI700C、株式会社ALS社製)とを用いて評価した。すなわち、まず炭素触媒を含む作用電極を有する、三極式の回転リングディスク電極装置を作製した。具体的に、炭素触媒5mgと、5%ナフィオン(登録商標)(シグマアルドリッチ社製、ナフィオン 過フッ素化イオン交換樹脂、5%溶液(整理番号:510211))50μLと、水400μLと、イソプロピルアルコール100μLとを混合してスラリーを調製した。次いで、このスラリーに超音波処理を10分行い、その後、ホモジナイザー処理を2分行った。そして、得られたスラリーを、炭素触媒の塗布量が0.1mg/cm2となるように、作用電極(RRDE-3A用リングディスク電極 白金リング−金ディスク電極 ディスク直径4mm、ビー・エー・エス株式会社製)に塗布し、乾燥することにより、当該炭素触媒を含む作用電極を作製した。
炭素触媒を含むCC層を作製した。すなわち、まず、触媒調製例1において調製された炭素触媒0.25gと、EW値が700であるアイオノマーの5重量%溶液3.5gと、ボール25gとをポットに投入し、200rpm、50分間ボールミルで混合することにより、均一に分散された当該炭素触媒を含むスラリー状のCC層組成物を得た。
Pt層における白金の含有量を0.020mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
Pt層における白金の含有量を0.005mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
Pt層における白金の含有量を0.100mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
CC層における炭素触媒の含有量を1.0mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
CC層における炭素触媒の含有量を1.0mg/cm2とし、Pt層における白金の含有量を0.020mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
CC層における炭素触媒の含有量を1.0mg/cm2とし、Pt層における白金の含有量を0.005mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
CC層における炭素触媒の含有量を6.0mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
CC層の電解質材料比を0.9とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
CC層の電解質材料比を0.9とし、Pt層における白金の含有量を0.020mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
Pt層の電解質材料比を0.5とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
Pt層の電解質材料比を0.5とし、Pt層における白金の含有量を0.020mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
Pt層の電解質材料比を0.2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
Pt層の電解質材料比を0.2とし、Pt層における白金の含有量を0.020mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
炭素触媒として、触媒調製例2で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
炭素触媒として、触媒調製例3で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
炭素触媒として、触媒調製例4で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
炭素触媒として、触媒調製例5で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
炭素触媒として、触媒調製例6で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
Pt/Cとして、当該Pt/Cの重量に対する、当該Pt/Cに含まれる白金の重量の割合が20重量%のもの(UNPC20−II、石福金属興業社製)を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
Pt層の電解質材料比を1.2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
Pt層の電解質材料比を0.1とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
CC層の電解質材料比を0.5とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
Pt層における白金の含有量を0.200mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
Pt層における白金の含有量を0.001mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
Pt層における白金の含有量を0.001mg/cm2とし、CC層における炭素触媒の含有量を1.0mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
Pt層を作製しなかった(カソードがPt層を含まなかった)以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
Pt層を作製せず(カソードがPt層を含まず)、CC層における炭素触媒の含有量を1.0mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
CC層を作製せず(カソードがCC層を含まず)、Pt層における白金の含有量を0.100mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
CC層を作製しなかった(カソードがCC層を含まなかった)以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
CC層を作製せず(カソードがCC層を含まず)、Pt層における白金の含有量を0.020mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
CC層における炭素触媒の含有量を10.0mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
CC層における炭素触媒の含有量を10.0mg/cm2とし、Pt層における白金の含有量を0.020mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
CC層における炭素触媒の含有量を0.2mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
CC層における炭素触媒の含有量を0.2mg/cm2とし、Pt層における白金の含有量を0.020mg/cm2とした以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
炭素触媒として、比較調製例1で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
炭素触媒として、比較調製例2で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
炭素触媒として、比較調製例3で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
炭素触媒として、比較調製例4で作製された炭素触媒を用いた以外は実施例1と同様に、カソード、MEA及び単セルを作製し、発電試験、被毒試験、及び耐久性試験を行った。
図4Aには、触媒調製例1〜6(図中、「例1」〜「例6」)及び比較調製例1〜4(図中、「比較1」〜「比較4」)で得られた炭素触媒について、TGによる重量減少率(重量%)と、XAFSによる7110eV、7130eV及び7135eVの規格化吸光度、7130/7110比及び7135/7110比と、酸素還元活性の指標である電流密度i0.7(mA/cm2)と、を評価した結果を示す。
Claims (14)
- 電解質膜を含む電池のカソードであって、
0.3mg/cm2以上、9.0mg/cm2以下の炭素触媒を含む第一の層と、
前記電池において前記電解質膜と前記第一の層との間に配置される、0.002mg/cm2以上、0.190mg/cm2以下の白金を含む第二の層と、
を含み、
前記炭素触媒は、鉄を含み、
窒素雰囲気下での熱重量分析において測定される200℃から1200℃までの重量減少率12.0重量%以下を示し、
前記鉄のK吸収端のX線吸収微細構造分析において下記(a)及び/又は(b):
(a)7110eVの規格化吸光度に対する7130eVの規格化吸光度の比が7.0以上である;、
(b)7110eVの規格化吸光度に対する7135eVの規格化吸光度の比が7.0以上である;
を示す炭素構造を含む、カソード。 - 前記炭素触媒は、全細孔容積に対するメソ孔容積の割合が20%以上である、請求項1に記載のカソード。
- 前記炭素触媒は、誘導結合プラズマ質量分析により測定される鉄の含有量が0.01重量%以上である、請求項1又は2に記載のカソード。
- 前記炭素触媒は、燃焼法による元素分析で測定される窒素原子含有量1.0重量%以上を示す、請求項1乃至3のいずれかに記載のカソード。
- 前記炭素触媒は、燃焼法による元素分析で測定される、炭素原子含有量に対する窒素原子含有量の割合1.1%以上を示す、請求項1乃至4のいずれかに記載のカソード。
- 前記炭素触媒は、鉄と、鉄以外の金属とを含む、請求項1乃至5のいずれかに記載のカソード。
- 前記炭素触媒は、BET法で測定される比表面積が800m2/g以上である、請求項1乃至6のいずれかに記載のカソード。
- 前記第一の層は、電解質材料を含み、
前記第一の層の重量から前記電解質材料の重量を減じて得られる残重量に対する前記電解質材料の重量の比が0.30以上である、請求項1乃至7のいずれかに記載のカソード。 - 前記第二の層は、電解質材料を含み、
前記第二の層の重量から前記電解質材料の重量を減じて得られる残重量に対する前記電解質材料の重量の比が0.05以上である、請求項1乃至8のいずれかに記載のカソード。 - 前記第一の層における前記炭素触媒の含有量に対する、前記第二の層における前記白金の含有量の割合が20.00重量%以下である、請求項1乃至9のいずれかに記載のカソード。
- 前記第一の層及び/又は前記第二の層は、EW値が300以上、1100以下の電解質材料を含む、請求項1乃至10のいずれかに記載のカソード。
- 請求項1乃至11のいずれかに記載のカソードと、アノードと、前記カソードと前記アノードとの間に配置される電解質膜とを含む、膜電極接合体。
- 請求項1乃至11のいずれかに記載のカソード又は請求項12に記載の膜電極接合体を含む、電池。
- 燃料電池である、請求項13に記載の電池。
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