特許ウォッチ

公開番号2024104175
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-08-02
出願番号2023008272
出願日2023-01-23
発明の名称触媒担持カーボン、それを用いた固体高分子形燃料電池用膜電極接合体および固体高分子形燃料電池
出願人石福金属興業株式会社,TPR株式会社
代理人弁理士法人小田島特許事務所
主分類H01M 4/86 20060101AFI20240726BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】
高い初期活性を有し、且つ耐久性に優れた触媒担持カーボンの提供。
【解決手段】
結晶子サイズが3.5nm以上9nm以下であり、且つBET比表面積が300m²/g以上450m²/g以下、細孔径が5.0nm以上20.0nm以下のカーボン担体に結晶子サイズが2.5nm以上5.0nm以下、触媒の表面積が40m²/g以上80m²/g以下である白金又は白金合金からなる触媒粒子を担持した触媒担持カーボン。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
多孔質カーボンからなるカーボン担体に白金又は白金合金からなる触媒粒子が担持された触媒担持カーボンであって
前記触媒担持カーボンのカーボン担体は、Ｘ線回折による結晶子サイズ（Ｌ
c
）が３．５ｎｍ以上９ｎｍ以下であり、且つ
窒素吸着測定により測定されたＢＥＴ比表面積（ＳＳＡ）が３００ｍ
2
／ｇ以上４５０ｍ
2
／ｇ以下、細孔径が５．０ｎｍ以上２０．０ｎｍ以下であり、また
前記触媒担持カーボンの白金又は白金合金からなる触媒粒子は、Ｘ線回折による結晶子サイズが２．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下であり、且つ
ＣＯパルス吸着測定により測定された触媒粒子の表面積が４０ｍ
2
／ｇ～８０ｍ
2
／ｇであることを特徴とする触媒担持カーボン。
続きを表示（約 610 文字）【請求項２】
前記触媒担持カーボンは、示差熱分析により測定された空気雰囲気における燃焼温度が４００℃以上、且つ
燃焼ピークの半値幅が１００℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の触媒担持カーボン。
【請求項３】
前記触媒担持カーボンのカーボン担体は、Ｘ線回折による（００２）面の平均面間隔ｄ
002
が０．３４５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１～２に記載の触媒担持カーボン。
【請求項４】
前記触媒担持カーボンのカーボン担体は、ラマン分光法により測定されたＧバンドとＤバンドのピーク強度比率（Ｇ／Ｄ）が０．８以上であり、且つ
Ｇバンドのピーク半値幅（Ｇ－ＦＷＨＭ）が４０ｃｍ
-1
以上６０ｃｍ
-1
以下であることを特徴とする請求項１～２に記載の触媒担持カーボン。
【請求項５】
前記触媒担持カーボンは、カーボン担体に酸性官能基が表面官能基として付与されていることを特徴とする請求項１～２に記載の触媒担持カーボン。
【請求項６】
請求項１に記載の触媒担持カーボンが電極に含有されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。
【請求項７】
請求項１に記載の触媒担持カーボンが膜電極接合体の電極に含有されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は固体高分子形等の燃料電池、水電解装置等に用いる触媒担持カーボンに関する。
続きを表示（約 1,600 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動
し高出力密度が得られる固体高分子形燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。また、水素製造のための水電解装置も注目されている。例えば、固体高分子形燃料電池は、フィルム状の固体高分子膜からなる電解質層を用いるのが特徴である。
【０００３】
固体高分子形燃料電池の構成は、一般的には、膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」と記載する。）を１対のセパレータで挟持した単電池セルを複数積層した構造となっている。ＭＥＡは、電極触媒を高分散した電極触媒層により電解質層が挟持された構造を有する。前記電極触媒層は、電極とも呼ばれている。
【０００４】
前記ＭＥＡでは、以下のような電気化学的反応が進行する。まず、燃料極（アノード）側に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒粒子により酸化され、プロトンおよび電子となる。次に、生成したプロトンは、電極触媒層に含まれるプロトン導電性電解質、さらに電極触媒層と接触している固体高分子膜を通り、酸素極（カソード）側電極触媒層に達する。また、アノード側電極触媒層で生成した電子は、電極触媒層を構成している導電性担体、さらに電極触媒層の固体高分子膜と異なる側に接触しているガス拡散層、ガスセパレータおよび外部回路を通してカソード側電極触媒層に達する。そして、カソード側電極触媒層に達したプロトンおよび電子はカソード側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する。燃料電池では、上述した電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。
【０００５】
従来の電極触媒では、カソードおよびアノードともに、炭素を主成分とするカーボンを担体として、これに白金または白金合金等の触媒粒子を担持させた触媒担持カーボン等が用いられている。触媒担持カーボンにおける担体カーボンは、微細化された触媒粒子を高分散担持させるために、高比表面積を有するものが多く用いられている。これにより、触媒粒子表面の電極反応面積を大きくすることができ、触媒粒子の少ない担持量で十分な初期活性が得られる。
【０００６】
固体高分子形燃料電池は、初期活性とともに問題となっているのが電池の寿命である。電池の寿命は、自動車で５０００時間、家庭用では４万時間ともいわれ、長期にわたって高い発電性能を維持することが求められている。
【０００７】
しかしながら、長時間に亘る連続運転、起動時、停止時、保管時など、固体高分子形燃料電池の運転条件により、電極が貴電位環境（約０．８Ｖ以上）となると、電極を構成する導電性担体や触媒粒子は電気化学的に酸化され腐食・消失する問題があった。このように電極として機能する部位が経時的に減少するため、結果として固体高分子形燃料電池の性能低下を招く。
【０００８】
そこで、従来から高い初期活性を有し、且つ耐久性に優れた触媒担持カーボンや、長期間に亘り安定した発電性能を示すＭＥＡに関して、様々な研究開発がなされている。
【０００９】
先行技術文献１、先行技術文献２には、１．７ｎｍ～１．９ｎｍの結晶子サイズと７５０
ｍ
2
／ｇ～１０００ｍ
2
／ｇの比表面積を示すカーボン担体を有する触媒担持カーボンが記載されているが、耐久性をさらに向上させることが求められている。
【００１０】
先行技術文献３には、３．５ｎｍ以上の結晶子サイズと５０ｍ
2
／ｇ～２５０ｍ
2
／ｇの比表面積を示すカーボン担体を有する触媒担持カーボンが記載されているが、初期活性をさらに向上させることが求められている。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許