JP2012124001A - 固体高分子形燃料電池用触媒及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【解決課題】初期活性（初期発電特性）に優れ、耐久性も良好な固体高分子形燃料電池用触媒及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明は、炭素粉末担体上に、白金粒子が担持されてなる固体高分子形燃料電池用触媒において、前記炭素粉末担体は、０．７〜３．０ｍｍｏｌ／ｇ（担体重量基準）の親水基が結合されており、前記白金粒子は、平均粒径３．５〜８．０ｎｍであり、ＣＯ吸着による白金比表面積（ＣＯＭＳＡ）が４０〜１００ｍ^２／ｇであることを特徴とする固体高分子形燃料電池用触媒である。
【選択図】なし

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池用の触媒に関する。特に、固体高分子形燃料電池の空気極での使用に有用な触媒に関する。

燃料電池、特に、固体高分子形燃料電池は、次世代の発電システムとして大いに期待されるものであり、他形式の燃料電池と比較して動作温度が低く、かつコンパクトであるという利点がある。そして、これらのメリットから、家庭用、自動車用の電源として有望視されている。固体高分子形燃料電池は、水素極及び空気極と、これらの電極に挟持される固体高分子電解質膜とからなる積層構造を有する。そして、水素極へは水素を含む燃料が、空気極へは酸素又は空気がそれぞれ供給され、各電極で生じる酸化、還元反応により電力を取り出すようにしている。また両電極は、電気化学的反応を促進させるための触媒と固体電解質との混合体が一般に適用されている。

電極を構成する触媒としては、触媒金属として貴金属、特に、白金を担持させた白金触媒が広く用いられている。白金触媒が燃料電池用の触媒として使用されている理由は、その活性にある。即ち、白金触媒は、燃料極及び水素極の双方の電極反応を促進させる上で高い活性を有することによるものである。

そして、近年の燃料電池の普及が現実的なものとなっていることに伴い、固体高分子形燃料電池用触媒に対しても、単に活性に優れていることのみならず、様々な特性の改善が求められている。

触媒特性の改良に対する要求として、耐久性、即ち、長時間の活性持続特性の改善が挙げられる。触媒は、時間経過と共に生じる活性低下（失活）を避けることができないが、失活までの時間を増大させることは燃料電池の実用化に向けて必須といえる。ここで、この燃料電池用触媒の耐久性向上の方法として、特許文献１記載のものがある。この触媒は、白金担持された白金触媒を熱処理（アニール処理）して、白金粒子径を所定の粒子径に調整したものである。

特表２００９−５００７８９号公報

上記従来の白金触媒は、比較的簡易な方法で白金触媒の耐久性向上を図ることができる。しかしながら、本発明者等によると、この従来の触媒は、初期における活性（初期発電特性）が劣ることが確認されている。初期活性の低い触媒からなる電極を適用する場合、燃料電池に対し十分な時間をかけた発電前処理が必要となり、効率的な運用が望めなくなる。

そこで本発明は、初期活性（初期発電特性）に優れ、かつ、耐久性も良好な固体高分子形燃料電池用触媒を提供する。また、その製造方法についても詳細に説明する。

本発明者らは、上記目的を達成すべく、アニール処理された白金触媒の初期活性（初期発電特性）が低い要因を検討した。その結果、アニール処理された白金触媒は、その担体表面の官能基、特に親水性の官能基が著しく減少しており、これが触媒活性低減の要因であると推察した。固体高分子形燃料電池は、電極中の触媒表面における反応で生じるプロトンが、水分及び電解質を介して伝導することで発電が生じる。そのため触媒には、上記水分等に対する親水性（濡れ性）が必要である。これに対し、アニール処理を受けた白金触媒は、処理による熱の影響で担体表面の官能基が消失するため濡れ性が悪化することから、初期において十分な活性（特性）を発揮できないと推察される。そこで、本発明者等は、この検討結果を基にアニール処理された白金触媒に、消失した親水基を導入することで初期活性を確保できると考え、本発明を想到した。

即ち、本発明は、炭素粉末担体上に、白金粒子が担持されてなる固体高分子形燃料電池用触媒において、前記炭素粉末担体は、０．７〜３．０ｍｍｏｌ／ｇ（担体重量基準）の親水基が結合されており、前記白金粒子は、平均粒径３．５〜８．０ｎｍであり、ＣＯ吸着による白金比表面積（ＣＯＭＳＡ）が４０〜１００ｍ^２／ｇであることを特徴とする固体高分子形燃料電池用触媒である。

本発明に係る触媒は、アニール処理によって白金粒子の平均粒径が調整された状態であり、その上で親水性官能基が所定範囲で付加されていることを特徴とする。以下、これら２つの特徴について説明する。

担体である炭素粉末に導入される親水基とは、広くは親水性の官能基であり、例えば、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム等に可溶な官能基を示す。より具体的には、ヒドロキシル基、ラクトン基、カルボキシル基等が挙げられる。担体に結合する官能基は、前記の１種のみからなっても良いが、複数種が結合していても良い。この官能基の結合量は、担体重量を基準として０．７〜３．０ｍｍｏｌ／ｇとする。０．７ｍｍｏｌ／ｇ未満では、触媒の親水性を確保することができず、十分な初期特性を発揮することができない。一方、３．０ｍｍｏｌ／ｇを上限とするのは、触媒（担体）の親水性が高くなり過ぎるためである。後述するように、触媒の親水基の導入は、触媒を適宜の酸溶液に浸漬する湿式法が一般に用いられる。このとき、担体の親水性が高すぎると、処理後に溶液から触媒を分離（濾別）するのが困難となる。そこで、親水基の結合量を制限することとした。

尚、担体である炭素粉末は、比表面積が２５０〜１２００ｍ^２／ｇの炭素粉末を適用するのが好ましい。２５０ｍ^２／ｇ以上とすることで、触媒が付着する面積を増加させることができるので触媒粒子を高い状態で分散させ有効表面積を高くすることができる一方、１２００ｍ^２／ｇを超えると、電極を形成する際にイオン交換樹脂の浸入しにくい超微細孔（約２０Å未満）の存在割合が高くなり触媒粒子の利用効率が低くなるからである。

白金粒子について、平均粒径３．５〜８．０ｎｍとするのは、３．５ｎｍ未満は長時間の活性持続特性が明確に得られなくなるからであり、８．０ｎｍを超えると触媒の初期質量活性が十分に得られなくなるからである。また、本発明では白金粒子について、ＣＯ吸着による白金比表面積（ＣＯＭＳＡ）を規定し、その範囲を４０〜１００ｍ^２／ｇとする。この構成は、それ自体が触媒の性能を大きく作用させるものではないが、耐久性向上のためのアニール処理を受けた履歴を明確にするものである。即ち、担体に白金粒子を担持させたままの親水基を有する従来の触媒との区別を明確にするためのものである。尚、従来のアニール処理のない、担体（比表面積２５０〜１２００ｍ^２／ｇ）に担持させただけの白金触媒における白金粒子の白金比表面積は、１００〜１５０ｍ^２／ｇであるのが一般的である。

また、本発明に係る触媒は、固体高分子形燃料電池の電極としての性能を考慮し、触媒粒子の担持密度を３０〜７０％とするのが好ましい。ここでの担持密度とは、担体に担持させる触媒粒子質量（本発明においては、白金質量と添加金属質量との合計質量）の触媒全体の質量に対する比をいう。

本発明に係る固体高分子形燃料電池の触媒の製造方法について説明する。本発明に係る固体高分子形燃料電池は、その特徴に基づき、白金触媒について、アニール処理を行う工程と、処理後の触媒に親水基を結合させる工程とを有するものである。即ち、炭素粉末担体上に白金粒子が担持されてなる白金触媒を６００〜１１８０℃で１時間以下熱処理する工程と、前記熱処理後の白金触媒を少なくとも１回酸化性溶液に接触させ、担体表面に親水基を結合させる工程と、を備える。

従って、アニール処理前の白金触媒の調整については、従来の白金触媒と同様に製造する。白金触媒の製造法は、白金塩溶液に炭素粉末を浸漬し還元処理をすることで白金粒子が担持された白金触媒を得ることができる。

白金触媒の熱処理は、６００〜１１８０℃で１時間以下加熱する。６００℃未満では、平均白金粒子径３．５ｎｍ以上とならず長時間の活性持続特性が得られないからであり、１１８０℃を超えると平均白金粒子径が８．０ｎｍより大きくなり、触媒の初期質量活性低下が顕著となるからである。

そして、熱処理後の担体への親水基結合は、触媒を酸化性溶液に接触させることで行う。ここで、使用する酸化性溶液としては、硫酸、硝酸、亜リン酸、過マンガン酸カリウム、過酸化水素、塩酸、塩素酸、次亜塩素酸、クロム酸等の溶液が好ましい。尚、この酸化性溶液処理は、触媒を酸化性溶液に１回接触させる場合のみならず、複数回繰り返し行っても良い。また、複数回の酸処理を行う場合には、処理ごとに溶液の種類を変更しても良い。酸化性溶液処理の条件としては、溶液の濃度は、０．１〜１０．０ｍｏｌ／Ｌとするのが好ましく、溶液に触媒を浸漬するのが好ましい。浸漬時間は、０．５〜３時間が好ましく、処理温度は、５０〜９０℃が好ましい。

以上説明したように本発明に係る触媒は、熱処理による耐久性向上に加えて、初期発電特性にも優れた触媒である。この触媒の製造方法は、酸化性溶液処理により親水基を付加させることができ、簡易に特性改善が可能である。

第１実施形態：本実施形態では、白金触媒を製造し、これをアニール処理及び親水基導入を行った。以下に詳しく説明する。
[白金触媒の調整] 本実施形態で使用した担体は、炭素微粉末（商品名：ケッチェンブラックＥＣ）である。この担体の比表面積は、ＢＥＴ１点法にて測定したところ、９０２ｍ^２／ｇであった。白金溶液として、白金濃度４．６質量％のジニトロジアンミン白金硝酸溶液を１０００ｇ（白金含有量：４６ｇ）に前記炭素粉末を４６ｇ浸漬させ攪拌後、還元剤として１００％エタノールを１００ｍｌ添加した。この溶液を沸点で７時間、攪拌、混合し、白金を炭素粉末に担持させた。そして、濾過、乾燥後、担持密度が５０％の白金触媒とした。

[アニール処理]
上記工程により製造した白金触媒を１００％水素ガス中で、１時間、９００℃に保持することにより行った。

[酸化性溶液処理]
そして上記の熱処理を行った白金触媒につき、親水基付加のための酸化性溶液処理を行った。熱処理した触媒を３．０ｍｏｌ／Ｌの硝酸水溶液中８０℃にて２時間処理した後、濾過、乾燥した。

以上の触媒製造工程に関し、白金担持から熱処理及び酸処理後の各段階における白金粒子径、白金比表面積、親水基結合量を検討した。白金粒子径の測定はＸ線回折分析により行った。白金の比表面積はＣＯＭＳＡ、親水基の定量は滴定法を用いた。

官能基量測定のための滴定法では、まず、２．５ｇの触媒を１Ｌの温純水にて洗浄、乾燥した。乾燥後触媒に含まれるカーボン量が０．２５ｇとなるよう計量し、５５ｍｌの水と１０分間攪拌後、２分間超音波分散を行った。次に、この触媒分散液を窒素ガスにてパージしたグローブボックスへ移動させ、窒素ガスを１０分間バブリングした。そして、触媒分散液に０．１Ｍの塩基水溶液を過剰に投入し、この塩基性溶液に対して０．１Ｍの塩酸にて中和滴定を行ない、中和点から官能基量を定量した。ここで、塩基水溶液は、ＮａＯＨ、Ｎａ_２ＣＯ_３、ＮａＨＣＯ_３の３種類を用い、それぞれについて中和滴定作業を行っている。これは使用する塩基毎に中和される官能基の種類が異なるからであり、ＮａＯＨの場合はカルボキシル基、ラクトン基、ヒドロキシル基と、Ｎａ_２ＣＯ_３の場合はカルボキシル基、ラクトン基と、ＮａＨＣＯ_３の場合はカルボキシル基と中和反応するからである。そして、これら滴定で投入した３種類の塩基種類と量、および消費した塩酸量の結果により、触媒表面官能基量を算出した。尚、中和点の確認には、ｐＨメーターを使用し、ＮａＯＨの場合はｐＨ７．０、Ｎａ_２ＣＯ_３の場合はｐＨ８．５、ＮａＨＣＯ_３の場合はｐＨ４．５を中和点とした。

触媒製造における各段階の白金粒子径、白金比表面積、親水基結合量の測定結果を表１に示す。下記表からわかるように、熱処理により白金粒子径が増大し白金比表面積が低下することがわかる。その一方、親水基の量は著しく減少している。そして、続いて実施した酸化処理により、一度熱処理によって減少したヒドロキシル基が増加していることがわかる。

次に、本実施形態で製造した触媒についての発電特性の評価を行った。この評価は、触媒から電極（空気極）を製造して燃料電池を構成し、その発電特性を検討するものである。空気極の製造では、イオン交換樹脂（商品名：ナフィオン（登録商標）Ｄｕｐｏｎｔ社製）の５％溶液をスプレードライにより製造した樹脂粉末０．５ｇと、触媒０.８ｇとを水４ｍｌで濡らし処理をした後、２−プロパノール／ｎ−プロパノールの混合水溶液８ｍｌに入れ、これをボールミルにて５０分間混合させて触媒ペーストを製造した。そして、カーボンペーパーにカーボンとＦＥＰ、さらにカーボンとナフィオンとを表層へコーティングして製造したガス拡散層に、前記触媒ペーストを白金量が０．５ｍｇ／ｃｍ^２となるように塗布印刷した。更に、これを１００℃で乾燥させた後、１３０℃、２０ｋｇ／ｃｍ^２で１分間ホットプレスして電極とした。

そして、この空気極を用いて燃料電池を構成し、その初期発電特性及び耐久性を評価した。初期発電特性は、下記の測定条件で、所定の電流密度（０．５Ａ／ｃｍ２）におけるセル電圧を基に評価した。
電極面積：２５ｃｍ^２
設定利用効率：４０％
温度：８０℃
圧力：大気圧
アノードガス：純水素
カソードガス：酸素
加湿条件：アノード 湿度１００％
カソード 加湿なし

また、耐久性に関する特性評価は、カソードのセル電位を三角波で掃引する加速劣化試験を行い、劣化後の発電特性を測定した。加速劣化は、６５０−１０５０mVの間を掃引速度４０ｍＶ／ｓで３６００サイクルし、さらに掃引速度を１００ｍＶ／ｓに上げ ２１６００サイクルさせて劣化させた。測定条件は、上記初期特性と同様とした。以上の発電特性の評価結果を表２に示す。

この発電特性の評価結果から、白金担持直後の触媒と熱処理のみを行った触媒について初期のセル電圧を対比すると、熱処理により初期発電特性が低下することがわかる。そして、熱処理後の触媒に酸化性溶液処理を行い、親水基を付加した、本実施形態の触媒は、初期発電特性が改善され、白金担持直後のものと同等となることがわかる。

また、耐久性に関してみると、白金担持触媒は、耐久試験による劣化によりセル電圧が低下する一方、熱処理のみの触媒は初期電圧が低くとも、その水準をキープしており、耐久性の観点のみからでは熱処理触媒が優れているといえる。そして、酸化性溶液処理を加えた本実施形態の触媒は、初期電圧も高く、劣化後もこの水準をキープしており、初期特性及び耐久性の双方で優れていることがわかる。

第２実施形態：ここでは、親水基結合量と発電特性との関係を検討した。この検討は、親水基付加の処理の条件（酸化性溶液濃度、処理時間）を変更して親水基の量を調節して触媒を製造し、その発電測定を評価するものである。この検討では、白金担持触媒、熱処理等の工程は、第１実施形態と同様とした。また、酸化処理については、その種類、濃度を変更しつつ第１実施形態と同様にした。更に、その発電特性の評価も第１実施形態と同様の方法で電極を作製して、初期のセル電圧を測定した。

表３から、酸処理の条件により親水基の結合量を調節することができることがわかる。そして、親水基結合量（総量）が０．７ｍｍｏｌ／Ｌを下回る触媒（試料Ｎｏ．１）は、初期セル電圧値が白金担持直後の電圧値（表２参照）よりも０．０２V以上低下している。従って、親水基結合量としては０．７ｍｍｏｌ／Ｌを下限とする。また、親水基結合量の上限については、２．０ｍｍｏｌ／Ｌとしても、初期セル電圧の著しい向上が見られた訳ではない。そこで、上述した製造時の取扱い性を考慮し、３．０ｍｍｏｌ／Ｌを上限とするのが好ましい。

第３実施形態：次に、白金担持後の熱処理条件を変更し酸化性溶液処理をした触媒を製造し、その物性及び発電特性を検討した。第１実施形態と同様の炭素微粉末担体に、同様の条件で白金を担持して白金触媒を製造し、これを１００％水素ガス中で、３００〜１２００℃の温度で１時間熱処理した。熱処理後の白金触媒につき、第１実施形態と同様の条件で酸化性溶液処理を行った。そして、第１実施形態と同様に初期発電特性、耐久性を検討した。その結果を表４に示す。

表３より、熱処理温度の上昇と共に、白金粒子径の増大と白金比表面積（ＣＯＭＳＡ）の低下が見られる。発電特性から検討すると、熱処理温度が３００℃では、熱処理の不足により耐久試験後のセル電圧低下が大きくなる。また、熱処理温度が１２００℃の場合、白金粒子径が８．０ｎｍを超え、初期のセル電圧が低くなる。従って、適正範囲での熱処理が必要となる。

本発明によれば、固体高分子形燃料電池の電極として、耐久性の改善と初期発電特性の改善の双方を達成することができる。本発明は、燃料電池の普及に資するものであり、ひいては環境問題解決の基礎となるものである。

Claims (5)

1. 炭素粉末担体上に、白金粒子が担持されてなる固体高分子形燃料電池用触媒において、
   前記炭素粉末担体は、０．７〜３．０ｍｍｏｌ／ｇ（担体重量基準）の親水基が結合されており、
   前記白金粒子は、平均粒径３．５〜８．０ｎｍであり、ＣＯ吸着による白金比表面積（ＣＯＭＳＡ）が４０〜１００ｍ^２／ｇであることを特徴とする固体高分子形燃料電池用触媒。
2. 親水基は、少なくともヒドロキシル基、ラクトン基、カルボキシル基のいずれかである請求項１記載の固体高分子形燃料電池用触媒。
3. 触媒粒子の担持密度は、３０〜７０％である請求項１又は請求項２記載の固体高分子形燃料電池用の触媒。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の固体高分子形燃料電池用触媒の製造方法であって、
   炭素粉末担体上に白金粒子が担持されてなる白金触媒を６００〜１１８０℃で１時間以下熱処理する工程と、
   前記熱処理後の白金触媒を少なくとも１回、酸化性溶液に接触させ、担体表面に親水基を結合させる工程と、を備える固体高分子形燃料電池用触媒の製造方法。
5. 酸化性溶液は、硫酸、硝酸、亜リン酸、過マンガン酸カリウム、過酸化水素、塩酸、塩素酸、次亜塩素酸、クロム酸である請求項４記載の固体高分子形燃料電池用触媒の製造方法。