説明

金属触媒とその製造方法、電極とその製造方法、及び燃料電池

【課題】電極内触媒周囲の電解質を効率よく制御して効率の改善された金属触媒とこれを含有して性能が改善された電極とこれらの製造方法及びこれを備えた燃料電池を提供する。
【解決手段】本発明の金属触媒の製造方法は、撥水性物質を第1溶媒に混合して撥水性物質溶液を得る第1段階と、導電性触媒物質を第1溶媒に混合して導電性触媒溶液を得る第2段階と、第2段階によって得た導電性触媒溶液を第1段階によって得た撥水性物質溶液と混合する第3段階と、第3段階によって得た結果物を支持体上にキャスティングし、支持体上にキャスティングされた結果物を乾燥した後、支持体から固体状態の金属触媒を分離する第4段階と、第4段階から得た結果物を粉砕して篩い分ける第5段階と、を含み、導電性触媒物質と該導電性触媒物質の表面に形成された撥水性物質からなるコーティング層とを有する金属触媒を製造する方法である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、金属触媒とその製造方法、電極とその製造方法、及び燃料電池に係り、より詳細には、触媒周囲の電解質を効率的に制御して効率が改善された金属触媒とこれを含んで性能の改善された電極の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
高温用固体高分子電解質型燃料電池は、電解質としてリン酸を含有するポリベンズイミダゾール(PBI)電解質膜を使用していることが多い。このような燃料電池は、プロトン伝導媒体としてリン酸を利用しているので、リン酸型燃料電池または溶融炭酸塩燃料電池のような液体電解質型燃料電池と類似していると言える。したがって、高温用固体高分子電解質型燃料電池は、他の液体電解質型燃料電池と同様に、電極内液体電解質の分布及び流動制御がなによりも解決せねばならない先決課題となっている。
【0003】
電極内液体電解質の分布及び流動制御のために、従来の液体電解質型燃料電池では、バインダーとしてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を使用するか、または電極の孔隙サイズを調節する方法を実施していた。
【0004】
【特許文献1】特開2002−525812号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、このような方法によっても、電極内触媒を効率よく利用できず、改善の余地が多いという問題があった。
【0006】
そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、上記問題点を解決するために、電極内触媒周囲の電解質を効率よく制御して効率の改善された金属触媒とこれを含有して性能が改善された電極とこれらの製造方法及びこれを備えた燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するために、本発明の第1の観点によれば、撥水性物質を第1溶媒に混合して撥水性物質溶液を得る第1段階と、導電性触媒物質を第1溶媒に混合して導電性触媒溶液を得る第2段階と、前記第2段階によって得た導電性触媒溶液を前記第1段階によって得た撥水性物質溶液と混合する第3段階と、前記第3段階によって得た結果物を支持体上にキャスティングし、前記支持体上にキャスティングされた結果物を乾燥した後、前記支持体から固体状態の金属触媒を分離する第4段階と、前記第4段階から得た結果物を粉砕して篩い分ける第5段階と、を含み、前記導電性触媒物質と該導電性触媒物質の表面に形成された撥水性物質からなるコーティング層とを有する金属触媒を製造する金属触媒の製造方法が提供される。
【0008】
上記課題を解決するために、本発明の第2の観点によれば、上記方法によって製造された金属触媒が提供される。
【0009】
上記課題を解決するために、本発明の第3の観点によれば、本発明の第3の技術的課題は、前述した製造方法によって得られた金属触媒をバインダー及び第2溶媒と混合して触媒層形成用組成物を得る段階と、前記触媒層形成用組成物を電極支持体上にコーティング及び乾燥する段階と、前記結果物を酸溶液で処理する段階と、を含むことを特徴とする電極の製造方法が提供される。
【0010】
上記課題を解決するために、本発明の第4の観点によれば、上記方法によって製造された電極が提供される。
【0011】
上記課題を解決するために、本発明の第5の観点によれば、上記方法によって製造された電極を備える燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【0012】
本発明の金属触媒の製造方法を利用すれば、導電性触媒粒子表面に撥水性物質からなるコーティング層が形成された金属触媒が得られる。このような金属触媒は、導電性触媒粒子の周囲に疎水性が効率的に与えられて、触媒の液体電解質による陥没を防止し、触媒粒子周囲に存在するリン酸のような液体電解質の流動及び分布を望ましい方向に制御できる。したがって、このような金属触媒を利用すれば、触媒と液体電解質との間の界面厚さを調節することによって、電気化学反応のための理想的な三相界面の電極構造を形成し、このような電極を備えた燃料電池は効率などの性能が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【0014】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【0015】
本発明による金属触媒は、導電性触媒物質と、その物質の表面に撥水性物質からなるコーティング層を有し、リン酸のような液体電解質が存在する。このような構造を有することによって、触媒が液体電解質に陥没されることが防止されるとともに、触媒上に液体電解質膜が薄く均一に形成されるため気体反応物等の溶解を促進させることによって、触媒の効率向上とこのような触媒を採用した触媒層を通じてセル性能が向上する。
【0016】
前記撥水性物質は、2,2−ビストリフルオロメチル−4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソールテトラフルオロエチレンコポリマー、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ化エチレンプロピレン(FEP)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フロロサーフ(Fluorosarf)(商品名)(Fluoro Technology社)のうち、選択された1つの物質である。
【0017】
撥水性物質として2,2−ビストリフルオロメチル−4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソールテトラフルオロエチレンコポリマーを使用する場合、この物質は、テフロン(登録商標)2400(商品名:Dupont社製)として、商業的に入手可能である。この物質は、撥水性を有しつつ、多孔性を有しており、触媒表面にコーティングされる場合、触媒層のリン酸フラッディング(flooding)を防止し、前記コポリマーのキャビティを通じる酸素の触媒への移動経路を形成させうる。
【0018】
前記撥水性物質からなるコーティング層の撥水性物質の含量は、導電性触媒物質100質量部を基準として1〜50質量部である。もし、撥水性物質の含量が1質量部未満ならば、十分な撥水性を有することができず、液体電解質リン酸に陥没される触媒が発生して触媒の効率低下を招き、50質量部を超過すれば、過度な撥水性によって液体電解質の接近を防止して触媒の効率を落とし、かつ電気的抵抗を高める結果を招いて望ましくない。
【0019】
前記導電性触媒物質としては、白金(Pt)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、スズ(Sn)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、これらの混合物、これらの合金、及び前記金属が担持されたカーボン物質がある。
【0020】
望ましくは、前記導電性触媒物質は、白金が担持されたカーボン(Pt/C)であり、前記撥水性物質はフロロサーフである。
【0021】
図1Aを参照して本発明の金属触媒の構造を説明するが、導電性触媒としては、カーボンに担持された白金(Pt/C)触媒を、そして撥水性物質としては、フロロサーフを一例として説明する。
【0022】
金属触媒は、カーボン10の表面上に白金(Pt)粒子11が存在し、その上部に撥水性物質13がコーティングされているので、リン酸12が金属触媒の表面のうち、撥水性物質13がコーティングされていない領域に選択的に存在する。
【0023】
図1Bは、通常の金属触媒の構造を示す図面である。
【0024】
これを参照すれば、通常の金属触媒は、カーボン10の表面に白金粒子11が存在し、前記カーボン10の表面近傍にリン酸12が存在する。このような構造を有する場合、液体電解質リン酸に陥没される触媒が発生して触媒の効率が低下する。
【0025】
以下、本発明による金属触媒及びこれを用いた電極の製造方法を説明する。
【0026】
図2は、本発明の金属触媒及びこれを用いた電極の製造工程を説明するための図面である。
【0027】
これを参照して、まず導電性触媒物質と撥水性物質とを各々第1溶媒に溶解または分散して導電性触媒溶液Bと撥水性物質溶液Aとを各々得る。
【0028】
前記第1溶媒は良溶媒として、撥水性物質に対する溶解度特性を有さねばならず、導電性触媒に対する良い分散性を有する特性を有しており、具体例として、水(HO)、ヒドロフルオロポリエーテル(HFPE)、N−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアセトアミド(DMAc)、ジメチルホルムアミド(DMF)、トリフルオロ酢酸(TFA))などがある。ここで、前記導電性触媒物質を分散させるための第1溶媒の含量は、導電性触媒物質100質量部を基準として200〜1000質量部を使用し、前記撥水性物質を溶解するための第1溶媒の含量は撥水性物質100質量部を基準として500〜1500質量部を使用することが望ましい。もし、第1溶媒の含量が前記範囲未満であれば、導電性触媒物質あるいは撥水性物質の均一な分散ができないため望ましくない。
【0029】
前記撥水性物質溶液を導電性触媒溶液と混合し、これを支持体上にキャスティング及び乾燥して固体状態の撥水性金属触媒を得る。ここで、支持体としては、ポリテトラフルオロエチレンシート、ガラス基板、ポリエチレンフィルム、ポリエチレンテレフタレートフィルムなどを使用することができる。
【0030】
前記乾燥温度は、60〜150℃であることが望ましい。もし、乾燥温度が60℃未満である場合には、乾燥が十分になされず、150℃を超過する場合には、カーボン担体が酸化するため望ましくない。
【0031】
前記支持体から固体状態の撥水性金属触媒を分離した後、これを粉砕し、篩い分けて所定の平均粒径範囲を有する撥水性物質からなるコーティング層を有する金属触媒を得る。ここで、平均粒径範囲は、1μm以下であり、特に10〜100nmであることが望ましい。
【0032】
前述したような過程を経れば、最終的に導電性触媒の表面に撥水性物質からなるコーティング層を有する金属触媒が得られる。前記コーティング層は、撥水性物質の滴定濃度によって、触媒Pt/C表面には、多孔性の不連続的または連続的なコーティング層が形成される。すなわち、濃度が増加するほど、連続的なコーティング層が形成されるが、撥水性物質の含量がPt/Cと撥水性物質の総重量100質量%を基準として約30〜35質量%未満である場合、多孔性不連続層が形成される。
【0033】
前述したような金属触媒をバインダー及び第2溶媒と混合して、これをガス拡散層(GDL)にキャスティングした後、これを乾燥すれば、電極が得られる。ここで、前記電極支持体としては、炭素紙または炭素布などを使用する。
【0034】
前記バインダーの例として、ポリビニリデンフルオリド(PVdF)、ビニリデンフルオリド−ヘキサフルオロプロピレンコポリマーなどを挙げられ、その含量は、金属触媒100質量部を基準として1〜10質量部であることが望ましい。もし、バインダーの含量が前記範囲を外れれば、触媒層の形成が難しいか、電気伝導度が落ちるため望ましくない。
【0035】
前記第2溶媒及びその含量は、バインダー物質によって変わり、第2溶媒の例としてN−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルアセトアミド(DMAc)、ジメチルホルムアミド(DMF)及びトリフルオロ酢酸(TFA)のうち、選択された1つ以上を使用することができる。そして、その含量は、金属触媒100質量部を基準として100〜500質量部であることが望ましい。
【0036】
次いで、前記過程によって得られた電極にリン酸溶液のような酸溶液をドーピングする過程を経ることができる。このように酸をドーピングすれば、触媒の酸による陥没が防止されつつ、触媒上に薄い電解質膜が形成されて気体反応物などの溶解を促進して触媒の効率が向上する。
【0037】
本発明による金属触媒は、特に高温作動条件で安定しており、電極内に酸素をさらに容易に供給可能になるため、これを利用すれば性能の改善された電極及び燃料電池が得られる。
【0038】
以下では、本発明の燃料電池を詳細に説明する。
【0039】
本発明の燃料電池は、カソード、アノード及び前記カソードとアノードとの間に介在された電解質膜を含むが、この際、前記カソード及びアノードのうち、少なくとも1つが、前述した本発明による撥水性物質コーティング層を有する金属触媒を含んでいる。
【0040】
本発明の燃料電池は、具体例を挙げれば、リン酸型燃料電池(PAFC)、水素イオン交換膜燃料電池(PEMFC)または直接メタノール燃料電池(DMFC)として具現されうる。このような燃料電池の構造及び製造方法は、特に限定されず、具体例が各種文献に詳細に公示されているので、ここでは、これ以上の詳細な説明は省略する。
【0041】
本発明の燃料電池は、特に60〜200℃の作動温度で運転される燃料電池であることが望ましい。
【実施例】
【0042】
以下、本発明を下記実施例に基づいて説明するが、本発明は下記実施例にのみ限定されるものではない。
【0043】
(実施例1:撥水性物質の含量は導電性触媒100質量部対応5質量部である場合)
撥水性物質であるフロロサーフ0.05gをヒドロフルオロポリエーテル(HFPE)10mlと常温で500rpmで30分間撹拌して撥水性物質溶液を製造した。
【0044】
これと別途にPt/C 1.0gをヒドロフルオロポリエーテル(HFPE)10mlと常温で500rpmで10分間撹拌してPt/C溶液を製造した。
【0045】
超音波条件下で前記撥水性物質溶液にPt/C溶液を混合した後、これをポリテトラフルオロエチレンシート上にキャスティングし、これを120℃で乾燥した。
【0046】
次いで、前記ポリテトラフルオロエチレンシートから固体状態の金属触媒を分離し、これを粉砕した後、篩い分けた。篩い分けで平均粒径が1μm以下であり、撥水性物質であるフロロサーフからなるコーティング層を有するPt/C触媒を得た。具体的には、フロロサーフで形成されたコーティング層を有するPt/C触媒の平均粒径は0.05〜0.90μmであり、コーティング層を除いたPt/C触媒のみの平均粒径は30〜50nmであった。
【0047】
前記フロロサーフからなるコーティング層を有するPt/C触媒1gを、バインダーのポリビニリデンフルオリド(PVdF)0.025gと溶媒であるNMP5mlに混合して常温で30分ほど撹拌して触媒層形成用組成物をスラリー状に得た。
【0048】
前記スラリーを炭素紙上にアプリケータ(ギャップ:約120μm)を使用してコーティングした後、これを80℃で約1時間、120℃で30分及び150℃で10分間乾燥して電極を完成した。
【0049】
前述した過程によって完成された電極にリン酸処理した後、燃料電池セルを構成した。この燃料電池は、実施例1の触媒を含有するカソード、アノード、及びポリベンズイミダゾール(PBI)電解質膜で構成された。そして、燃料としては水素を、酸化剤としては空気を利用した。アノードには純粋水素が100ml/minで、カソードには空気が200ml/minで各々供給され、単位セルは150℃で作動された。
【0050】
(実施例2:撥水性物質の含量は、導電性触媒100質量部に対して15質量部である場合)
撥水性物質溶液の製造時にフロロサーフ0.05gの代わりにフロロサーフ0.15gを使用したことを除いては、実施例1のような方法によって実施して触媒、電極及び燃料電池を製造した。
【0051】
(比較例1)
Pt/C触媒1gをPBI0.05g、ポリビニリデンフルオリド0.025gを混合して常温で30分ほど撹拌して触媒層形成用組成物をスラリー状で得た。
【0052】
前記スラリーを炭素紙上にアプリケータ(ギャップ:約120μm)を使用してコーティングした後、これを80℃で1時間、120℃で30分、そして150℃で10分間乾燥して電極を完成した。
【0053】
前述した過程によって完成された電極にリン酸処理を行った後、燃料電池セルを構成した。この燃料電池は、比較例1の触媒を含むカソード、アノード、及びポリベンズイミダゾール(PBI)電解質膜で構成された。そして、燃料としては水素を、酸化剤としては空気を利用した。
【0054】
前記実施例1及び比較例1によって製造された電極の電流−電圧(I−V)及び電流−抵抗(I−R)特性を説明し、その結果は、図3に示されたようである。図3で、−▲−は、実施例1による電流−電圧(I−V)及び電流−抵抗(I−R)特性を、−■−は、比較例1による電流−電圧(I−V)及び電流−抵抗(I−R)特性を示している。
【0055】
図3を参照すれば、実施例1が比較例1より優秀な電流−電圧(I−V)特性を示しており、特に高電流密度領域で卓越して優位な性能を示していることが分かった。高電流密度領域で実施例1の優秀な性能は、触媒層内の撥水性物質コーティング層による電解液分布制御による気体反応物の改善された拡散に基因するものである。また、実施例1の多少高い抵抗は、導電性触媒粒子表面上の撥水性物質で形成されたコーティング層が電気的抵抗で作用することが分かる。
【0056】
前記実施例1,2及び比較例1によって製造された触媒において水の吸着テストを実施して触媒の撥水性を調べ、その評価結果は、下記表1のようである。ここで、撥水性は、一定量の水を触媒粒子に流した後、触媒を通過した水量から触媒粒子に吸着された水量が分かり、これを通じて撥水性を定量的に表示しうる。
【0057】
【表1】

【0058】
前記表1から水の吸着テスト結果、Pt/C触媒上にコーティングされる撥水性物質の含量が増加するほど吸着される水の含量が減少するということが分かり、特に撥水性物質の含量が15質量部である実施例2の場合は、水が全く吸着されていないということが分かった。
【0059】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【0060】
本発明の金属触媒とこれを含む電極の製造方法は、燃料電池関連の技術分野に好適に適用されうる。
【図面の簡単な説明】
【0061】
【図1A】本発明の一実施形態による金属触媒の構造を概略的に示す図面である。
【図1B】従来の金属触媒の構造を概略的に示す図面である。
【図2】本発明一実施形態による金属触媒及び電極の製造工程を説明するための図面である。
【図3】本発明の実施例1によって製造された電極の電流−電圧(I−V)及び電流−抵抗(I−R)特性を示す図面である。
【符号の説明】
【0062】
10 カーボン
11 白金触媒粒子
12 リン酸
13 撥水性物質

【特許請求の範囲】
【請求項1】
撥水性物質を第1溶媒に混合して撥水性物質溶液を得る第1段階と、
導電性触媒物質を第1溶媒に混合して導電性触媒溶液を得る第2段階と、
前記第2段階によって得た導電性触媒溶液を前記第1段階によって得た撥水性物質溶液と混合する第3段階と、
前記第3段階によって得た結果物を支持体上にキャスティングし、前記支持体上にキャスティングされた結果物を乾燥した後、前記支持体から固体状態の金属触媒を分離する第4段階と、
前記第4段階から得た結果物を粉砕して篩い分ける第5段階と、
を含み、
前記導電性触媒物質と該導電性触媒物質の表面に形成された撥水性物質からなるコーティング層とを有する金属触媒を製造することを特徴とする、金属触媒の製造方法。
【請求項2】
前記第1溶媒は、水(HO)、ヒドロフルオロポリエーテル(HFPE)、N−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルアセトアミド(DMAc)、ジメチルホルムアミド(DMF)及びトリフルオロ酢酸(TFA)からなる群から選択された1つ以上であることを特徴とする、請求項1に記載の金属触媒の製造方法。
【請求項3】
前記撥水性物質は、2,2−ビストリフルオロメチル−4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソールテトラフルオロエチレンコポリマー、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ化エチレンプロピレン(FEP)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、及びフロロサーフからなる群から選択された1つ以上であることを特徴とする、請求項1に記載の金属触媒の製造方法。
【請求項4】
前記撥水性物質の含量は、前記導電性触媒物質100質量部を基準として1〜50質量部であることを特徴とする、請求項1に記載の金属触媒の製造方法。
【請求項5】
前記第1段階における前記第1溶媒の含量は、前記撥水性物質100質量部を基準として500〜1500質量部であり、
前記第2段階における前記第1溶媒の含量は、前記導電性触媒物質100質量部を基準として200〜1000質量部であることを特徴とする、請求項1に記載の金属触媒の製造方法。
【請求項6】
請求項1から5のいずれか1項に記載の金属触媒の製造方法によって製造された金属触媒。
【請求項7】
請求項1から5のいずれか1項に記載の金属触媒の製造方法によって得られた金属触媒をバインダー及び第2溶媒と混合して触媒層形成用組成物を得る段階と、
前記触媒層形成用組成物を電極支持体上にコーティング及び乾燥する段階と、
前記乾燥後の結果物を酸溶液で処理する段階と、
を含むことを特徴とする、電極の製造方法。
【請求項8】
前記バインダーは、ポリビニリデンフルオリド(PVdF)、ビニリデンフルオリド−ヘキサフルオロプロピレンコポリマーのうち選択された1つ以上であり、
前記バインダーの含量は、前記金属触媒100質量部を基準として1〜10質量部であることを特徴とする、請求項7に記載の電極の製造方法。
【請求項9】
前記第2溶媒は、N−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルアセトアミド(DMAc)、ジメチルホルムアミド(DMF)及びトリフルオロ酢酸(TFA)からなる群から選択されることを特徴とする、請求項7に記載の電極の製造方法。
【請求項10】
前記酸溶液は、リン酸溶液であることを特徴とする請求項7に記載の電極の製造方法。
【請求項11】
請求項7から10のいずれか1項に記載の電極の製造方法によって製造された電極。
【請求項12】
請求項11に記載の電極を備える燃料電池。

【図2】
image rotate

【図1A】
image rotate

【図1B】
image rotate

【図3】
image rotate


【公開番号】特開2007−209980(P2007−209980A)
【公開日】平成19年8月23日(2007.8.23)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−27145(P2007−27145)
【出願日】平成19年2月6日(2007.2.6)
【出願人】(590002817)三星エスディアイ株式会社 (2,784)
【Fターム(参考)】