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公開番号2025170630
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-11-19
出願番号2024075378
出願日2024-05-07
発明の名称燃料電池用触媒
出願人トヨタ自動車株式会社
代理人弁理士法人平木国際特許事務所
主分類H01M 4/96 20060101AFI20251112BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】湿度依存性が小さい燃料電池用触媒を提供する。
【解決手段】酸素還元活性を有する貴金属をカーボンに担持した燃料電池用触媒において、以下の(a)及び(b):(a)25℃、相対湿度30%における単位触媒表面積あたりの水吸着量と25℃、相対湿度80%における単位触媒表面積あたりの水吸着量との差が0.392g/m²以下である、(b)25℃、相対湿度30%における単位カーボン表面積あたりの水吸着量と25℃、相対湿度80%における単位カーボン表面積あたりの水吸着量との差が0.202g/m²以下である、の2つの特性のうち、少なくとも1つの特性を満たす、燃料電池用触媒に関する。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
酸素還元活性を有する貴金属をカーボンに担持した燃料電池用触媒において、以下の（ａ）及び（ｂ）の２つの特性のうち、少なくとも１つの特性を満たす、燃料電池用触媒：
（ａ）２５℃、相対湿度３０％における単位触媒表面積あたりの水吸着量と２５℃、相対湿度８０％における単位触媒表面積あたりの水吸着量との差が０．３９２ｇ／ｍ
２
以下である、
（ｂ）２５℃、相対湿度３０％における単位カーボン表面積あたりの水吸着量と２５℃、相対湿度８０％における単位カーボン表面積あたりの水吸着量との差が０．２０２ｇ／ｍ
２
以下である。
続きを表示（約 550 文字）【請求項２】
２５℃、相対湿度３０％における単位触媒表面積あたりの水吸着量が０．１１４ｇ／ｍ
２
以上であり、且つ２５℃、相対湿度８０％における単位触媒表面積あたりの水吸着量が０．５１３ｇ／ｍ
２
以下である、請求項１に記載の燃料電池用触媒。
【請求項３】
２５℃、相対湿度３０％における単位カーボン表面積あたりの水吸着量が０．０５９ｇ／ｍ
２
以上であり、且つ２５℃、相対湿度８０％における単位カーボン表面積あたりの水吸着量が０．２６５ｇ／ｍ
２
以下である、請求項１に記載の燃料電池用触媒。
【請求項４】
カーボンが、２種以上のカーボンの混合物である、請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池用触媒。
【請求項５】
疎水カーボンを、２５℃、相対湿度８０％における単位触媒表面積あたりの水吸着量の２種以上のカーボンの平均値より小さいカーボンと定義し、親水カーボンを、２５℃、相対湿度８０％における単位触媒表面積あたりの水吸着量の２種以上のカーボンの平均値より大きいカーボンと定義したときに、カーボンが、疎水カーボンと親水カーボンとの混合物である、請求項４に記載の燃料電池用触媒。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用触媒に関し、さらに詳しくは、固体高分子型燃料電池等の各種電気化学デバイスの膜電極接合体に含まれる触媒に関する。
続きを表示（約 1,300 文字）【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」ともいう）を基本単位とする。また、使用時には、膜電極接合体の両極外部に拡散層が設置される。
【０００３】
拡散層は、触媒層への反応ガスの供給及び電子の授受を行うための層であり、多孔質かつ電子伝導性を有する材料が用いられる。また、触媒層は、そこに含まれる電極触媒（触媒）によって電極反応を行わせるための層である。電極反応を進行させるためには、電解質、触媒及び反応ガスの三相が共存する三相界面が必要であるので、触媒層は、一般に、触媒（ここで、触媒とは、単独で作用する触媒だけでなく、担体に担持された貴金属触媒（以下、貴金属担持触媒ともいう）等の意味も含む）と、固体高分子電解質膜と同一成分を有する電解質とを含む層からなっている。
【０００４】
固体高分子型燃料電池を車載用動力源等として実用化するためには、解決すべき課題が残されている。
【０００５】
例えば、従来の固体高分子電解質は、いずれもプロトン伝導性を発現させるために水を必要とする。燃料電池の運転条件が高加湿条件になると、過剰の水が電極内に滞留する。また、燃料極から空気極に向かってプロトンが電解質膜内部を移動する際、プロトンに同伴して水も空気極側に移動する。さらに、空気極では、電極反応により水が生成する。この水を放置すると、触媒層内の三相界面が水で閉塞する、いわゆる「フラッディング」が発生する。フラッディングは、触媒層のガス拡散性を低下させ、燃料電池の出力密度を低下させる原因となる。
【０００６】
そこで、この問題を解決するために、触媒層の撥水性を高め、フラッディングを抑制する方法が提案されている。
【０００７】
例えば、特許文献１には、７０℃、相対湿度９０％における吸湿率が、２０％未満である、窒素含有炭素材料及びそれを用いた燃料電池電極が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
特開２０１９－８１６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
燃料電池自動車では、燃料電池システムの運転温度や生成水量に依存して、触媒近傍の湿度が大きく変化する。低加湿条件と高加湿条件で性能を両立することは困難であり、一方を向上させると他方が低下するトレードオフの関係がある。
【００１０】
燃料電池の触媒では、触媒の担体としてカーボンが用いられている。また、カーボン表面の親水性／疎水性が燃料電池性能の加湿感度に大きな影響を及ぼすことが知られている。しかしながら、親水性を高めた場合、高湿度環境では、前記したフラッディングにより触媒が水没し、燃料電池性能が低下する。一方で、疎水性を高めた場合は、低湿度環境での触媒の有効利用率が低下するため、燃料電池性能が低下する。
（【００１１】以降は省略されています）

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