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公開番号2024070295
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-05-23
出願番号2022180666
出願日2022-11-11
発明の名称酸化タングステンナノ粒子を含む電極触媒
出願人国立大学法人信州大学
代理人個人
主分類H01M 4/90 20060101AFI20240516BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】固体高分子形燃料電池のアノード触媒として、アノードで生成される過酸化水素の発生を大幅に減少させることができる等の高い性能を示す、酸化タングステンナノ粒子を含む電極触媒を提供する。
【解決手段】酸化タングステンナノ粒子を白金担持カーボン(Pt/C)触媒の助触媒として混合した複合触媒により上記課題を解決した。酸化タングステンナノ粒子は平均粒径で2～100nmの範囲内であることが好ましく、白金担持カーボンと酸化タングステンナノ粒子との和に対する酸化タングステンナノ粒子の割合が2重量%以上10質量%の範囲内であることが好ましい。
【選択図】図4

特許請求の範囲【請求項１】
酸化タングステンナノ粒子を白金担持カーボン触媒の助触媒として混合した複合触媒である、ことを特徴とする電極触媒。
続きを表示（約 160 文字）【請求項２】
前記酸化タングステンナノ粒子が、平均粒径で２～１００ｎｍの範囲内である、請求項１に記載の電極触媒。
【請求項３】
前記白金担持カーボンと前記酸化タングステンナノ粒子との和に対する前記酸化タングステンナノ粒子の割合が２重量％以上１０質量％の範囲内である、請求項１又は２に記載の電極触媒。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池のアノード触媒として高い性能を示す、酸化タングステンナノ粒子を含む電極触媒に関する。
続きを表示（約 1,800 文字）【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池（「ＰＥＦＣ」と略す。）は、低温（１００℃以下）で動作し、ＣＯとＮＯ
ｘ
を排出せず、エネルギー効率が高いことから、有望な再生可能エネルギー源として注目されている。ＰＥＦＣでは、アノードは水素分子をプロトンと電子に変換し、カソードは酸素分子をプロトンと電子とＨ
２
Ｏに変換する。アノードで発生したプロトンは、パーフルオロスルホン酸（「ＰＦＳＡ」と略す。）からなる固体高分子電解質膜を介してカソードに運ばれる。プロトン伝導性の高い高分子電解質膜は、オーミック抵抗が小さく、プロトンや水の輸送能力が高いため、固体高分子形燃料電池の高性能化には欠かせない要素である。
【０００３】
しかし、薄い膜は、熱的・機械的ストレスに弱く、ガス拡散障壁が低いという本質的な問題を抱えている。例えば、アノードではカソードから拡散したＯ
２
が反応しＨ
２
Ｏ
２
が形成される。Ｈ
２
Ｏ
２
は膜に浸透し、フェントン反応によりラジカル種（ＨＯ＊，Ｈ＊，ＨＯＯ＊）を生成し、ＰＦＳＡ鎖を攻撃し、固体高分子形電解質膜の性能低下を招き、ＰＥＦＣの寿命を短縮させる。
【０００４】
ラジカル種の攻撃による膜の劣化を軽減するための方法が種々提案されている。例えば、活性種を除去するための官能基の付与や無機酸化物などのラジカル捕捉剤の添加が提案されている。しかし、これらの方法は、固体高分子電解質膜の改質を伴うため、プロトン伝導性の低下や膜強度の低下など、膜性能を低下させるという懸念がある。
【０００５】
固体高分子形電解質膜ではなく、電極触媒の改質により過酸化水素の生成を抑制する試みもある。本研究で添加物として扱う酸化タングステン（ＷＯ
３
）は、酸性環境下で安定であり、可逆的に結晶構造中にプロトン挿入／脱離することができる。Ｐｔが共存する環境では、Ｐｔ上に吸着した水素（Ｈ
ａｄ
）が速やかにＷＯ
３
に移動し、Ｈ
ｘ
ＷＯ
３
の形成が促進されることが知られている（水素スピルオーバー効果）。さらに、ＷＯ
３
は、燃料電池の助触媒及び触媒担体として検討されており、水素酸化反応（ＨＯＲ）を促進し、アノードでのＰｔのＣＯ耐性を向上させ、安定性を向上させることができることが報告されている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
P.Y. Olu, T. Ohnishi, Y. Ayato, D. Mochizuki, W. Sugimoto, Electrochem Commun, 71 (2016) 69-72.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の寿命を決定する重要な要因の一つは、カソードからのクロスオーバー酸素を介してアノードで生成される過酸化水素による膜劣化である。本発明者は、こうした課題を解決するため、上記したＷＯ
３
粒子に着目し、ＷＯ
３
粒子が水素アノード触媒のＨＯＲ性能及びＨ
２
Ｏ
２
生成速度に及ぼす影響について検討した。
【０００８】
本発明の目的は、固体高分子形燃料電池のアノード触媒として高い性能を示す、ＷＯ
３
ナノ粒子を含む電極触媒を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る電極触媒は、ＷＯ
３
ナノ粒子をＰｔ／Ｃ（白金担持カーボン）触媒の助触媒として混合した複合触媒である、ことを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、ＷＯ
３
ナノ粒子をＰｔ／Ｃ触媒の助触媒として混合した複合触媒としたことにより、アノードで生成される過酸化水素の生成速度を大幅に減少させることができ、さらに、温度が上昇した場合に過酸化水素の生成をさらに減少させることができ、膜劣化を防ぐことができる新しい電極触媒として期待できる。
（【００１１】以降は省略されています）

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