燃料電池用触媒及び燃料電池用触媒の製造方法

【課題】安定的に高出力を発揮可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池用触媒３０は、カーボンからなる担体１と、担体１の表面に担持された触媒金属微粒子２と、担体１の表面に設けられたリン酸系官能基とからなる。本発明の燃料電池用触媒層は、触媒３０と高分子電解質との間には親水層３が形成されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用触媒と、燃料電池用触媒の製造方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のセルは、電解質層と、電解質層の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、電解質層の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とからなる。カソード極やアノード極は触媒層を有している。触媒層は無数の触媒と高分子電解質とを含有している。従来の触媒は、特許文献１に記載されているように、カーボンからなる担体と、担体の表面に担持された触媒金属微粒子と、担体の表面に設けられた高分子電解質の側鎖の親水性官能基とからなる。
【０００３】
この触媒層では、高分子電解質の親水性官能基が各担体側に配向し、各担体と高分子電解質との間に互いに連続する親水層が形成されている。この触媒層はＰＦＦ（Proton Film Flow）構造を有していると称される。このＰＦＦ構造の触媒層をもつ電極をカソード極及びアノード極とし、電解質層の両面にこれらを設ければ、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）が得られる。発明者の試験結果によれば、この膜電極接合体をセルとした燃料電池では、プロトンの移動を容易にし、低加湿又は無加湿でありながら高出力が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１４００６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、担体の表面に高分子電解質の側鎖の親水性官能基を設け、各親水性官能基を各担体側に配向させることは困難を伴う。このため、触媒層はＰＦＦ構造を有し難く、燃料電池は高出力を発揮し難い。
【０００６】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、安定的に高出力を発揮可能な燃料電池を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料電池用触媒は、カーボンからなる担体と、該担体の表面に担持された触媒金属微粒子と、該担体の表面に設けられたリン酸系官能基とからなることを特徴とする（請求項１）。
【０００８】
この燃料電池用触媒によれば、触媒層において、触媒と高分子電解質との間に親水層を容易に形成することが可能である。
【０００９】
したがって、本発明の触媒を燃料電池に採用すれば、燃料電池が高出力を安定的に発揮可能である。
【００１０】
発明者の知見によれば、リン酸系官能基は、リン酸基、ホスホン酸基及びホスフィン酸基の少なくとも一つであることが好ましい（請求項２）。
【００１１】
さらに、本発明の燃料電池用触媒の製造方法は、カーボンからなる担体の表面に触媒金属微粒子を担持した第１担体を用意し、該第１担体の表面に親水性を有する中間官能基を生成して第２担体とする第１工程と、
該第２担体の該中間官能基をリン酸系官能基と置換し、触媒とすることを特徴とする（請求項３）。この製造方法によって本発明の燃料電池用触媒を製造することが可能である。
【００１２】
第１工程としては、微量の酸素を含んだ不活性ガス中に第１担体を存在させ、加熱を行う手段を採用することができる。これにより、第１担体の表面が酸化され、第１担体の表面にＯＨ基を生成した第２担体が得られる。不活性ガスとしては、Ｎ₂、Ｈｅ，Ａｒ、Ｎｅ等を採用することができる。
【００１３】
第２工程としては、リン酸系物質を含む水溶液中に第２担体を存在させる手段を採用することができる。これにより、第２担体の中間官能基をリン酸系官能基と置換し、触媒とすることが可能である。リン酸系物質としては、Ｈ₃ＰＯ₄、Ｈ₃ＰＯ₃、Ｈ₃ＰＯ₂等を採用することができる。
【００１４】
発明者の知見によれば、中間官能基は、ＯＨ基、ＣＯＯＨ基及びＣＨＯ基の少なくとも一つであることが好ましい（請求項４）。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例の製造方法に係り、第１工程で得られた第２担体の模式図である。
【図２】実施例の製造方法に係り、第２工程で得られた触媒の模式図である。
【図３】実施例の製造方法で得られた触媒層における触媒回りの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
（第１工程）
まず、図１に示すように、カーボンからなる担体１の表面に触媒金属微粒子２を担持した第１担体１０を用意する。そして、５％以下の酸素を含んだ不活性ガス中に第１担体１０を５時間置き、加熱を行う。これにより、第１担体１０の表面が酸化され、第１担体１０の表面にＯＨ基を生成した第２担体２０が得られる。
【００１８】
（第２工程）
Ｈ₃ＰＯ₄を含む水溶液中に第２担体２０を入れる。これにより、図２に示すように、第２担体２０のＯＨ基をＨ₂Ｏ₃ＰＯ基と置換し、触媒３０とすることが可能である。
【００１９】
この後、触媒３０に水を加えて粉砕を行い、プレペーストとする。また、プレペーストに高分子電解質のアイオノマー溶液を加えてさらに粉砕を行い、触媒ペーストとする。そして、カーボンクロスを基材とし、触媒ペーストを用いてカソード触媒層及びアノード触媒層のスクリーン印刷を行う。印刷後の基材を急速乾燥させ、カソード極及びアノード極を得る。
【００２０】
これらの間、各触媒３０はＨ₂Ｏ₃ＰＯ基が水に対する濡れ性を有していることから、各触媒３０と高分子電解質との間に水によって互いに連続する親水層３が形成される。このため、各触媒層は、図３に示すように、触媒３０と高分子電解質との間には親水層３が形成される。
【００２１】
電解質層の両面にこれらを設け、膜電極接合体を得る。この膜電極接合体をセルとし、実施例の燃料電池を組付ける。この燃料電池は、触媒層において、触媒３０と高分子電解質との間に親水層３が形成されていることから、高出力を安定的に発揮可能である。
【００２２】
以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その主旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は電気自動車等の移動用電源、あるいは据え置き用電源に利用可能である。
【符号の説明】
【００２４】
１…担体
２…触媒金属微粒子
１０…第１担体
２０…第２担体
３０…触媒
３…親水層

【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンからなる担体と、該担体の表面に担持された触媒金属微粒子と、該担体の表面に設けられたリン酸系官能基とからなることを特徴とする燃料電池用触媒。
【請求項２】
前記リン酸系官能基は、リン酸基、ホスホン酸基及びホスフィン酸基の少なくとも一つである請求項１記載の燃料電池用触媒。
【請求項３】
カーボンからなる担体の表面に触媒金属微粒子を担持した第１担体を用意し、該第１担体の表面に親水性を有する中間官能基を生成して第２担体とする第１工程と、
該第２担体の該中間官能基をリン酸系官能基と置換し、触媒とすることを特徴とする燃料電池用触媒の製造方法。
【請求項４】
前記中間官能基は、ＯＨ基、ＣＯＯＨ基及びＣＨＯ基の少なくとも一つである請求項３記載の燃料電池用触媒の製造方法。

【図１】