JP2003201417A - カーボンブラック、該カーボンブラックからなる電極触媒用担体、並びに該担体を用いる電極触媒および電気化学的装置 - Google Patents

カーボンブラック、該カーボンブラックからなる電極触媒用担体、並びに該担体を用いる電極触媒および電気化学的装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】電極触媒の担体として有用なカーボンブラッ
ク、並びに該担体を用いた電極性能に性優れる電極触媒
および電気化学的装置を提供する。 【解決手段】該カーボンブラックは、DBP吸油量が17
0〜300cm3/100g、BET法による比表面積が250〜4
00m2/g、一次粒子径が10〜17nm、かつ、表面に開
口している半径が10〜30nmである細孔の合計容積が0.
40〜2.0cm3/gである。この電極触媒は固体高分子型
燃料電池等の電気化学的装置に用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】本発明は、新規なカーボンブラック、該カ
ーボンブラックからなる電極触媒用担体、該担体を用い
る電極触媒、および該電極触媒を使用する固体高分子電
解質型燃料電池等の電気化学的装置に関する。
【0002】
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は、低温で
高い電流密度が取り出せることから、ポータブル電源、
電気自動車の駆動電源、また、コージェネレーションの
電源として開発が進められている。
【0003】固体高分子電解質型燃料電池は、燃料極
(アノード)と空気極(カソード)との間に固体高分子
電解質であるイオン交換膜を配した構造からなる。燃料
極及び空気極の両電極は貴金属が担持された触媒と高分
子電解質の混合体からなる。
【0004】この構成において、水素を燃料とした場
合、燃料極では、水素ガスが電極中の細孔を通過して触
媒に達し、触媒により電子を放出して水素イオンとな
る。水素イオンは電極中の電解質および両電極間の固体
高分子電解質膜を通じ空気極に達する。放出された電子
は電極中の触媒担体を通って外部回路に流れ、外部回路
から空気極に達する。一方、酸素を酸化剤とした場合、
空気極では酸素が電極中の細孔を通過して触媒に達し、
燃料極から到達した水素イオン、および電子と反応して
水を生じる。
【0005】固体高分子電解質型燃料電池では電極反応
を促進させ電池特性を向上させるため、まず電極を構成
する触媒の触媒活性が高いことが求められる。このた
め、触媒には高活性な貴金属、特に白金または白金合金
をカーボンブラックからなる担体上に担持した触媒が用
いられている。
【0006】さらに、高価な貴金属触媒を有効に利用す
るためには電極中の触媒と高分子電解質との接触面積の
増加が必要であり、またガス流路から遠い位置に存在す
る貴金属触媒へのガス供給遅れに基づく濃度過電圧を低
減するためには電極反応に供されるガス(水素、酸素)
の拡散性が高いことが求められる。
【0007】このため、貴金属の担持方法や触媒担体に
関して多くの研究がなされている。電極触媒と高分子電
解質との接触性を向上させるため、例えば、特開平9-16
7622号公報には、直径8nm以下の細孔が占める容積が
500cm3/g以下であるカーボンブラックを担体とし貴
金属を担持することで、高分子電解質が分布できない細
孔への貴金属粒子の吸着を制御する方法が記載されてい
る。特開2000−100448号公報には、同様の観点から、直
径6nm以下の細孔が全細孔の20%以下であるカーボン
ブラックを担体とすることが触媒利用率向上のために有
効であることが記載されている。
【0008】電極における反応ガスの拡散性を向上させ
るため、特開平6-203840号公報には、電極層内の空孔率
を65から90容量%とすることが有効であることが記載さ
れている。特開平9-92293号公報には、直径0.04から1
μmにある細孔の容積が0.06cm3/g以上である電極
により、同様に特開平9-283154号公報には、0.1μmよ
り大きな細孔の容積が0.4cm3/g以上であることを特
徴とする電極により固体高分子電解質型燃料電池の特性
が向上すると記載されている。
【0009】さらに、特開平6-203852号公報には、電極
調製時に造孔剤を添加することで、反応ガス拡散のため
の細孔を電極内に確保する方法が記載されている。ま
た、J.Appl. Electrochem.,Vol.28(1998)pp.277には、
造孔剤の添加により空気極でのガス拡散性が改善され、
固体高分子電解質型燃料電池の特性が向上することが報
告されている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、反応ガ
スが電極中の細孔を通って触媒に達する場合、上記従来
の開示内容のように一次粒子表面の細孔を制御すること
のみでは不十分である。カーボンブラックは一般に一次
粒子が融着した二次粒子から構成されているが、反応ガ
スがカーボンブラックからなる担体上に担持された貴金
属に達するには、該2次粒子内に形成された細孔内を通
過する必要があるため、該2次粒子が有する細孔構造に
より反応ガスの拡散性が大きく変わると予測される。
【0011】そこで、本発明の課題は、上記従来の課題
を解決するもので、固体高分子電解質型燃料電池のよう
な電気化学的装置に用いられる電極における反応ガスの
触媒への拡散性を向上させるのに最適な細孔構造を有し
触媒用担体として好適な新規なカーボンブラックを提供
することである。
【0012】本発明の別の課題は、さらに、該カーボン
ブラックからなる電極触媒用担体、該担体を用いた電極
触媒、および該電極触媒を用いた固体高分子電解質型燃
料電池のような電気化学的装置を提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決するため、担体であるカーボンブラックに貴金属
が担持されているときに、反応ガスが貴金属に達する経
路として機能する上記細孔構造について鋭意検討を行っ
た結果、本発明を完成するに至ったものである。
【0014】すなわち、本発明は、第一に、DBP吸油
量が170〜300cm3/100gで、BET法による比表面積
が250〜400m2/gで、一次粒子径が10〜17nmであ
り、かつ、半径が10〜30nmである細孔の合計容積が0.
40cm3/g以上であることを特徴とするカーボンブラ
ックを提供する。このカーボンブラックは電極触媒の担
体として好適な細孔構造を有し、上述したように反応ガ
スに良好な経路を提供する。
【0015】そこで本発明は、第二に、上記のカーボン
ブラックからなる電極触媒用担体を提供する。また、本
発明は、第三に、上記の担体と、該担体に担持された白
金とを有する電極触媒であって、該電極触媒全体に対す
る白金の量が5〜70質量%であることを特徴とする電極
触媒を提供する。また、第四に、上記の電極触媒を備え
た電気化学的装置を提供する。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明について詳述する。
【0017】−カーボンブラックおよび担体− 本発明のカーボンブラックは、所定の物性が得られるも
のであればよく、特にその種類は問わないが、ファーネ
スブラックが好ましく、半径が10〜30nmである細孔の
合計容積を0.40cm3/g以上、好ましくは0.50cm3
g以上有しているものである。
【0018】まず、本発明のカーボンブラックでは、半
径が10〜30nmである細孔の合計容積(以下、「特定細
孔容積」という)が0.40cm3/g以上である。例え
ば、該カーボンブラックを固体高分子電解質型燃料電池
の空気極の電極触媒に担体として用いた場合、反応場と
して機能するのは反応ガスである酸素の拡散が容易な細
孔内において、酸素の還元反応を促進する貴金属と、そ
の反応に必要な燃料極からの水素イオンを供給する高分
子電解質と、反応の結果生じた電子を伝達する導電性担
体カーボンブラックとが接する界面であると考えられ
る。細孔のうち、半径が小さすぎるものは、高分子電解
質が侵入困難で、かつガス拡散性が低いので反応ガス供
給路として適さない。
【0019】なお、本発明者が反応ガスの供給路として
想定した担体カーボンブラックが有する細孔は、固体高
分子電解質型燃料電池の電極において、電極が具備する
反応ガス供給路としてのより大孔径の細孔から、反応ガ
スが担体カーボンブラックに担持された貴金属に至る末
端の経路として機能するものである。
【0020】担体カーボンブラックが形成する特定細孔
容積が大きい程、反応ガスを効率的に担体カーボンブラ
ックに担持された貴金属触媒まで到達させることが可能
となることから、特定細孔容積は0.40cm3/g以上で
あることが必要であり、好ましくは0.50cm3/g以上
である。特定細孔容積が小さすぎると、反応ガス供給路
として機能する細孔の絶対容積が不足するので所期の効
果を得ることが困難である。但し、特定細孔容積は製造
上の理由から通常2.0cm3/g以下で、これを超えるカ
ーボンブラックを製造することは困難である。
【0021】本発明のカーボンブラックでは、DBP吸
油量が170〜300cm/100g、好ましくは180〜250c
3/100gである。DBP吸油量は、細孔を有しない一
次粒子からなるカーボンブラックを想定した場合に、二
次的に形成される細孔量を示す指標となる。しかし、一
次粒子の細孔量が増すにつれ、測定されるDBP吸油量
には一次粒子が有する細孔量もカウントされ、DBP吸
油量は見かけ上増加する。本発明のカーボンブラックに
おいてDBP吸油量が300cm/100gを超えること
は、反応ガスの供給路として有効でない一次粒子の細孔
が過度に存在することを意味し望ましくない。他方、D
BP吸油量が170cm/100g未満であると、反応ガス
の供給路として機能する二次的に形成された細孔の量が
少なすぎる。
【0022】さらに、本発明のカーボンブラックでは、
一次粒子径が10〜17nmであり、好ましくは13〜16nm
である。本発明のカーボンブラックからなる担体に白金
および場合により他の金属を担持させて電極触媒を製造
するときは、担持金属単位質量あたりの触媒活性を向上
させるためカーボンブラックが有する二次的に形成され
た細孔の内壁表面に、すなわちカーボンブラックの一次
粒子表面に金属粒子をより高い分散状態で担持すること
が望ましい。また、固体高分子電解質型燃料電池の電極
では、上述したように担体であるカーボンブラックが電
子導電体として機能するため、担体カーボンブラックの
一次粒子が互いに良く接触し電子導電経路を形成してい
ることが望ましい。本発明において、カーボンブラック
を担体として用いたとき、該カーボンブラックの一次粒
子径が17nmを超えると得られる電極触媒の活性が低下
しやすい。また、一次粒子径が10nm未満となると、比
表面積が大きくなりすぎて工業的には使用原料油の大部
分がガス化してしまうため、生産性が極度に落ち、得ら
れる粉体のハンドリングも難しくなることから、現実的
ではない。
【0023】本発明のカーボンブラックはBET法によ
る比表面積が250〜400m2/gであり、好ましくは250〜
350m2/gである。一般に、比表面積がより大きいカー
ボンブラックを担体として用いると貴金属粒子をより高
い分散状態で担持することができる。しかし、比表面積
が400m2/gを超えるカーボンブラックを担体として用
いても反応ガスの供給路として機能し得ない一次粒子の
微小細孔の容積が過度に増加するので不利である。さら
に、比表面積が高くなるにつれて導電性カーボンブラッ
クは電気化学的腐食を受けやすくなる。また、BET比
表面積が小さすぎるカーボンブラックを担体として用い
ると、貴金属微粒子を高い分散状態で担持することがで
きず、担持金属単位質量あたりの触媒活性が下がる傾向
がある。
【0024】本発明のカーボンブラックの製造方法は特
に限定されないが、例えば、次の方法により製造するこ
とができる。一般的に、本発明の物性を示すカーボンブ
ラックとして、ファーネスブラックがあり、工業的には
オイルファーネス法により製造されている。オイルファ
ーネス法においては、約2000℃迄の高温に耐え得るレン
ガで内張りされた特殊な反応部にガスや油等の燃料と空
気を導入し、完全燃焼させ、1400℃以上の高温雰囲気を
形成した上で液状の原料油を連続的に噴霧し、熱分解さ
せる。炉内下流域で、生成したカーボンブラックを含む
高温ガスに、水を噴霧し反応を停止させた後、バッグフ
ィルターでカーボンブラックと排ガスとに分離する。フ
ァーネスブラックは、一般に、完全燃焼気流中へのクレ
オソート油、EHE、タール等の原料油の噴霧によって
得られるが、その品質や二次粒子細孔構造、粒径等の物
性は、原料の種類、燃料、空気、及び原料の流量、反応
系へのアルカリ金属塩類などの添加剤の種類や量、燃焼
条件、冷却速度等の様々な条件の選択によりコントロー
ルされるものである。
【0025】以下に、使用する装置の一例を図1に示
し、その詳細について説明する。本装置は、オイルファ
ーネス法によるカーボンブラックの製造装置で、燃料を
燃焼させて高温ガスを発生させる、第1帯域A、その下
流に接続し原料を導入する、第2帯域B、さらにその下
流に接続し、生成されたカーボンブラックを、水スプレ
ーにより急冷させる、第3帯域Cとからなる。
【0026】先ず、燃料導入ノズルFから燃料の重油を
噴霧状で導入し、これを燃焼用空気導入ノズルGから導
入された燃焼用空気と混合して、燃焼させる。ここで用
いる燃料は、重油の他にも、軽油、ガソリン、灯油等の
液体燃料や、天然ガス、プロパン、水素等の気体燃料を
用いることができる。なお、本装置の燃焼室の直径(D
1)は、1100mmとなっている。
【0027】発生した燃焼ガスは、徐々に収斂したテー
パー状装置に通され、炉内ガス流速を上げ、炉内の乱流
エネルギーをアップさせるように設計されている。第2
帯域Bで、本装置内で最も径が小さな絞り部(該部分の
直径(D2)は、175mmである)の下流端(即ち、第
2帯域Bと第3帯域Cとの境界)からみて上流側に距離
Dの位置(原料油導入位置)に設けられた6本の原料導
入管からカーボンブラック原料が導入される。ここで導
入される原料は、通常クレオソート油等の石炭系炭化水
素や、エチレンボトム油のような石油系炭化水素が、一
般に用いられる。原料導入位置の設定や原料油量の調節
によって、粒子径(一次粒子径)や粒子のつながり度合
い(二次粒子構造)を調節することができる。なお、燃
焼室端部と前記絞り部の下流端との間の距離(L1)
は、3300mmとなっている。
【0028】第3帯域Cでは、上記絞り部はテーパー状
部を経て反応停止用管部に連結している。前記反応停止
用管部の、上記絞り部下流端からみて下流側に距離Eの
位置(反応停止位置)に設けられた冷却水導入管から、
導入された水を噴霧して急冷することによって、カーボ
ンブラックの生成反応が停止される。なお、前記テーパ
ー状部の長さ(L2)は、1800mmであり、また、前記
反応停止用管部の直径(D3)は、400mmとなってい
る。上記第3帯域Cには、バッグフィルター、サイクロ
ン等の捕集装置が後続しており、ここでガスとカーボン
ブラックとが分離される。
【0029】本発明のカーボンブラックの最大の特徴
は、特定のDBP吸油量と比表面積とを有し、且つ、特
定細孔容積が0.40cm3/g以上であることである。こ
のような、特殊な細孔分布は、一次粒子径が幅広く分布
し、即ち、大径粒子と小径粒子とが混在した状態で、こ
れらの粒子がブドウ状に結合して空隙の多いカーボンブ
ラックを形成していると推測される。
【0030】このようなカーボンブラックを製造するに
は、上記第2帯域Bの原料導入部を、温度分布や滞留時
間の分布が広い雰囲気とすることが好ましい。こうする
ことによって、一次粒子径の大きなものと小さなものと
が混在したカーボンブラックとなり、また、炉内での原
料流の流線分布が大きくなることにより、種々の一次粒
子・二次粒子同士が、複雑に融着して、空隙の大きいカ
ーボンブラックが得られると推測される。
【0031】−電極触媒− 本発明は、上記の特定の物性を有するカーボンブラック
からなる担体と、該担体に担持された白金とを有する電
極触媒であって、該電極触媒全体に対する白金の量が5
〜70質量%であることを特徴とする電極触媒にも関す
る。
【0032】前記担体には、場合により、白金のほかに
他の金属が担持されていてもよい。他の金属としては、
パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、金、
銀、鉄、亜鉛、ニッケル、モリブデン、コバルト、錫、
クロム、マンガン、レニウム、タングステンおよび銅か
らなる群から選ばれる少なくとも1種の金属が挙げられ
る。
【0033】該電極触媒において白金は、単独で金属状
態、酸化物状態または水酸化物状態で存在していてもよ
いし、上記の他の金属との合金状態または複合酸化物状
態で存在してもよい。さらに、これらが混合した状態で
存在していてもよい。好ましい白金の存在状態は金属状
態および酸化物状態である。
【0034】この電極触媒において白金の最適量は電極
触媒全体量に対し5〜70質量%、好ましくは10〜60質量
%である。白金量が5質量%未満では、担体であるファ
ーネスブラックが有する、二次的に形成された細孔内に
存在する白金粒子数(ここで、「白金粒子」には白金が
上述した金属状態、合金状態または化合物状態である場
合を含む)が少な過ぎ、反応ガスが白金粒子に達する拡
散行程が大きくなるため、反応ガスの白金粒子への供給
が不十分となりやすくで電極の性能が低下する。一方、
白金量がが70質量%を超えると、白金粒子の径が大き
くなりやすく、白金の単位質量あたりの触媒活性が低下
するため、電極の性能が低下する。
【0035】白金のほかに他の金属を担持させる場合、
その量は触媒活性の一層の向上が得られる点で担持され
る白金1モルに対して0.05〜4モルが好ましく、より好
ましくは0.25〜2モルである。
【0036】本発明の電極触媒の製造は、例えば、該カ
ーボンブラックを所定量水に懸濁させスラリーとし、こ
れに所定量の白金を含むヘキサクロロ白金酸(IV)水溶
液を加え、次いで白金に対し10倍当量のヒドラジンヒド
ラートにて還元処理を施した後、濾別、洗浄、乾燥、お
よび粉砕をおこなう。こうして、電極触媒が粉末状態で
得られる。白金のほかに上述した他の金属、例えばルテ
ニウムも担持させる場合には、上述のようにしてあらか
じめ調製した、カーボンブラックにPtを担持させた触
媒粉末を所定量水に懸濁させてスラリーを調製し、これ
に所定量のルテニウムを含む三塩化ルテニウム(III)
水溶液を加え、ルテニウム分に対し3倍当量の水酸化ナ
トリウム溶液で中和した後、濾別し、乾燥させ、500℃
にて水素還元をおこない、電極触媒の粉末を得る。
【0037】以上のように、本発明は担体として用いる
カーボンブラックが有する二次的にに形成された細孔を
該担体に担持された活性金属へ反応ガスが到達する供給
路として利用することに着目し、担体の有する諸特性に
ついて最適の範囲を見出したものである。本発明のカー
ボンブラックを担体として白金を担持することにより、
高い性能を有する電極触媒を得ることができるのであ
る。
【0038】−電気化学的装置− 本発明の電極触媒は、固体高分子電解質型燃料電池に好
適であるばかりでなく、電極を使用するいずれの電気化
学的装置用の電極触媒としても有用である。他の電気化
学的装置としては例えば電気分解装置、およびセンサー
が挙げられる。
【0039】
【実施例】以下に、調製例、実施例を挙げて本発明を具
体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定され
るものではない。
【0040】[カーボンブラックの製造] [実施例1](ファーネスブラックAの製造) 図1に示す装置を用いて、上記製法に準じ、表1に示し
た製造条件でカーボンブラックを製造した。これを「フ
ァーネスブラックA」とする。このファーネスブラック
Aは、表1記載の比表面積、DBP吸油量および一次粒
子径を有し、嵩高で内部空間が大きくガス透過量の多い
ものである。また、特定細孔容積は図2から0.40cm
/g以上であるといえる。
【0041】[比較例1](ファーネスブラックB(比
較用)の製造) 図1に示す装置において、主として、第3帯域Cの反応
停止用管部に2個の冷却水導入管を設けるように変更し
たこと以外は、上記製法に準じ、表1に示した製造条件
でカーボンブラックを製造した。これを「ファーネスブ
ラックB」とする。このファーネスブラックBは、表1
記載の比表面積、DBP吸油量および一次粒子径を有
し、実施例1のファーネスブラックAと比較して比表面
積が小さく、細孔容積が小さいためガスの透過量が少な
いものである。
【0042】[比較例2](ファーネスブラックC(比
較用)の製造) 主として、二次構造制御剤である炭酸カリウム(K2
3)を原料油に添加すること以外は、図1に示す装置
を用いて、上記製法に準じ、表1に示した製造条件でカ
ーボンブラックを製造した。これを「ファーネスブラッ
クC」とする。なお、炭酸カリウム(K2CO3)は、一
次粒子が凝集して二次粒子を形成することを阻害する作
用を有する。このファーネスブラックCは、表1記載の
比表面積、DBP吸油量および一次粒子径を有し、実施
例1のファーネスブラックAと比較してDBP吸油量が
小さく、細孔容積も小さいためガスの透過量が少ないも
のである。
【0043】[比較例3、4]表1に、市販品のカーボ
ンブラックである「ケッチェンブラックEC」(商品
名、ケッチェンブラックインターナショナル社製)(比
較例3)および「Vulcan XC-72R」(商品
名、キャボットコーポレーション社製)(比較例4)の
物性値を示す。両者は、細孔容積が小さいことかから、
実施例1のファーネスブラックAと比較してガスの透過
量が少ないものである。
【0044】[カーボンブラックの評価手法] <細孔分布の測定>Micromeritics社製の
窒素吸着測定装置TriStar3000を用いてBJ
H法にて測定した。上記実施例1のファーネスブラック
A、上記比較例1および2のファーネスブラックB、フ
ァーネスブラックC、および上記比較例3、4の市販品
2種のBJH法による細孔分布の結果を図2に示す。
【0045】<DBP吸油量の測定>150℃±1℃で1
時間乾燥した試料20.00g(A)をアブソープトメータ
ー(Brabender社製、スプリング張力2.68kg
/cm)の混合室に投入し、あらかじめリミットスイッ
チを所定の位置(リミットスイッチの設定は最大トルク
の約70%の位置とする)に設定した混合室の回転機を回
転する。同時に、自動ビューレットからDBP(比重1.
045〜1.050)を4ml/分の割合で添加し始める。終点
近くになるとトルクが急速に増加してリミットスイッチ
が切れる。それ迄に添加したDBP量(Bml)よりD
BP吸油量(Dml/100g)を式:D=B/A×100により
求めた。
【0046】<比表面積の測定>Micromerit
ics社製のFlow−sorb2300を用いてBE
T法に基づく一点法にて測定した。 <一次粒子径の測定>日本電子(株)製電子顕微鏡JSM
−6300Fによりカーボンブラック凝集体(二次粒
子)を構成する小さな球状(微結晶による輪郭を有し、
分離できない)成分を撮影し、平均直径を算出した。
【0047】
【表1】
【0048】[電極触媒粉末の調製] [実施例2] 実施例1のファーネスブラックAを35.0
g秤量し水に懸濁させスラリーとした。次にPt15.0g
を含むヘキサクロロ白金酸(IV)水溶液を加え、次いで
Ptに対し10倍当量のヒドラジンヒドラートにて還元し
た後、濾別、洗浄、乾燥、粉砕をおこない、Pt30%の
電極触媒の粉末を調製した。該粉末は、Pt分析値30.8
質量%、BET比表面積185m2/g、CO吸着量による
Ptの表面積93m2/g-Pt(Pt単位重量あたりに有
する表面積。以下、同様に表記する)、Ptの結晶子径
は3.1nmであった。
【0049】[実施例3] 実施例2で用いたファーネ
スブラックAの量を25.0gに変更し、ヘキサクロロ白金
酸(IV)水溶液に含まれるPt量を25.0gに変更した以
外は実施例2と同様にして、Pt50%の電極触媒の粉末
を調製した。該粉末は、Pt分析値47.8質量%、BET
比表面積146m2/g、CO吸着量によるPtの表面積74
2/g-Pt、Ptの結晶子径は1.7nmであった。
【0050】[実施例4] 実施例2で調製した30%P
t電極触媒21.7gを秤量し水に懸濁させスラリーとし
た。次にRu3.3gを含む三塩化ルテニウム(III)水溶
液を加え、Ruに対し3倍当量の水酸化ナトリウム溶液
で中和した後濾別してから乾燥させ、500℃にて水素還
元をおこなった。該粉末は、Pt分析値27.1質量%、R
u分析値12.1質量%、BET比表面積188m2/g、Pt
の結晶子径は4.2nmであった。
【0051】[比較例5] 実施例2で用いたファーネ
スブラックAを比較例3のケッチェンブラックECに変
更した以外は実施例2と同様にして、Pt30%の電極触
媒の粉末を調製した。該粉末は、Pt分析値29.7質量
%、BET比表面積434m2/g、CO吸着量によるPt
の表面積128m2/g-Pt、Ptの結晶子径は1.5nmで
あった。
【0052】[比較例6] 実施例2で用いたファーネ
スブラックAを比較例4のVulcan XC−72R
に変更した以外は実施例2と同様にして、Pt30%の電
極触媒の粉末を調製した。該粉末は、Pt分析値30.2質
量%、BET比表面積153m2/g、CO吸着量によるP
tの表面積95m2/g-Pt、Ptの結晶子径は1.6nm
であった。
【0053】[比較例7] 実施例2で用いたファーネ
スブラックAを比較例1のファーネスブラックBに変更
した以外は実施例2と同様にして、Pt30%の電極触媒
の粉末を調製した。該粉末は、Pt分析値30.3質量%、
BET比表面積127m2/g、CO吸着量によるPtの表
面積85m2/g-Pt、Ptの結晶子径は3.2nmであっ
た。
【0054】[比較例8] 実施例2で用いたファーネ
スブラックAを比較例3のファーネスブラックCに変更
した以外は実施例2と同様にして、Pt30%の電極触媒
の粉末を調製した。該粉末は、Pt分析値30.9質量
%、BET比表面積241m2/g、CO吸着量によるPt
の表面積85m2/g-Pt、Ptの結晶子径は3.8nmで
あった。
【0055】[比較例9] 実施例3で用いたファーネ
スブラックAを比較例3のケッチェンブラックECに変
更した以外は実施例3と同様にして、Pt50%の電極触
媒の粉末を調製した。該粉末は、Pt分析値49.6質量
%、BET比表面積320m2/g、CO吸着量によるPt
の表面積102m2/g-Pt、Ptの結晶子径は2.3nmで
あった。
【0056】[比較例10] 比較例6で調製した30%
Pt電極触媒21.7gを秤量し水に懸濁させスラリーとし
た。次にRu3.3gを含む三塩化ルテニウム(III)水溶
液を加え、Ruに対し3倍当量の水酸化ナトリウム溶液
で中和した後濾別してから乾燥させ、500℃にて水素還
元をおこなった。該粉末は、Pt分析値26.0質量%、R
u分析値13.1質量%、BET比表面積148m2/g、Pt
の結晶子径は4.8nmであった。
【0057】[電解質膜−電極接合体の作成]PTFE
(ポリテトラフルオロエチレン、三井フルオロケミカル
製:テフロン30J)で撥水処理した50×50mm、厚さ6
0μmの多孔質カーボンペーパー(東レ製:TGP−H−
060)を電極基質として準備した。実施例2〜4およ
び比較例5〜10で得られた白金担持または白金−ルテ
ニウム担持カーボン粉末触媒それぞれを、質量比で触媒
/テフロン粉末(喜多村製:KTL−4N)=7/3と
なるように混合し、この混合物にアルコールを加えてペ
ースト状になるまでさらに混合をした。このようにペー
スト状にしたものを上記多孔質カーボンペーパーの片面
全面に均一に塗布し、焼成し触媒層を形成した。次に、
この触媒層の表面に5wt%ナフィオン溶液(アルドリ
ッチ社製)を、電極幾何面積に対して0.02ml/cm2
なるように均一に塗布し、80℃において1時間乾燥し
た。こうして、各実施例及び各比較例の白金担持カーボ
ン粉末又は白金−ルテニウム担持カーボン粉末を用いた
電極を作成した。
【0058】次に、アノードとなる市販品Pt27%-R
u13%/Carbon(商品名:SA27−13RC、
エヌ・イー ケムキャット製) を用いた電極と、カソー
ドとして実施例2の白金担持カーボン粉末を用いて得た
電極とを、パーフルオロスルフォン酸電解質膜(デュポ
ン社製、商品名:ナフィオン112)の両面に、それぞ
れの電極の触媒層側が電解質に接するように重ね合わ
せ、ホットプレスで熱圧着して電解質膜−電極接合体M
EA−1を得た。
【0059】次に、カソードとして比較例5〜8の白金
担持カーボン粉末を用いた電極を用いた以外は、上記M
EA−1の作製と同様の方法で、電解質膜−電極接合体
MEA−2、MEA−3、MEA−4、およびMEA−
5をそれぞれ作製した。
【0060】次に、アノードとして比較例9の白金担持
カーボン粉末を用いた電極を使用し、カソードとして実
施例3の白金担持カーボン粉末を用いた電極を用いた以
外は、上記MEA−1の作製と同様の方法で電解質膜−
電極接合体MEA−6を作製した。
【0061】次に、電解質膜の両面に比較例9の白金担
持カーボン粉末を用いた電極を用いた以外は、上記ME
A−1の作製と同様の方法で電解質膜−電極接合体ME
A−7を作製した。
【0062】次に、アノードとして比較例9の白金担持
カーボン粉末を用いた電極を使用し、カソードとして実
施例4の白金−ルテニウム担持カーボン粉末を用いた電
極を用いた以外は、上記MEA−1の作製と同様の方法
で電解質膜−電極接合体MEA−8を作製した。次に、
アノードとして比較例9の白金担持カーボン粉末を用い
た電極と、カソードとして比較例10の白金−ルテニウ
ム担持カーボン粉末を用いた電極を用いた以外は、上記
MEA−1の作製と同様の方法で電解質膜−電極接合体
MEA−9を作製した。
【0063】<性能評価試験>上記のように作製した各
MEAを燃料電池単セル評価装置(Scriber Associates
製:model890)に組み込み、セル温度を80℃と
し、アノードに90℃にて飽和水蒸気で加湿した水素もし
くは100ppmCOを含む水素を、カソードには同様に5
0℃で加湿した空気もしくは酸素を、それぞれのガスの
利用率が常に50%となるように流量を増加させ単セルを
運転した。
【0064】図3にカソード性能の評価として、アノー
ドにおける電極幾何面積あたりの白金使用量を0.45mg
/cm2、カソードにおける電極幾何面積あたりの白金
使用量を0.3mg/cm2としたMEA−1〜MEA−5
を用い、カソードガスとして空気を用いた場合の電流密
度−電圧曲線を示す。高電流密度側でセル電圧が急激に
低下するのはカソードに供給される空気の、電極表面へ
の物質拡散が律速になるためで、このときの限界電流密
度が高いものほどガス拡散性に優れる構造といえる。こ
の限界電流密度で比較をすると、実施例2の電極触媒
(担体:ファーネスブラックA)を使用したカソードを用
いたMEA−1が最も高い値を示しており、次いで比較
例5の電極触媒(担体:ケッチェンブラックEC)を使用
したカソードを用いたMEA−2と比較例7の電極触媒
(担体:ファーネスブラックB)を使用したカソードを用
いたMEA−4がほぼ同等であり、次いで比較例6の電
極触媒(担体:Vulcan XC−72R)を使用した
カソードを用いたMEA−3、比較例8の電極触媒(担
体:ファーネスブラックC)を使用したカソードを用い
たMEA−5の序列となった。以上の結果の各MEAに
おける拡散限界電流密度を縦軸に、図2における半径が
10〜30nmである細孔の合計容積を横軸とし、図4に示
す。これにより、0.40cm3/g以上の特定細孔容積を
もつ実施例2の電極触媒(担体:ファーネスブラックA)
を使用したカソードを用いたMEA−1が最も高い性能
であることがわかる。
【0065】図5にカソードの評価として、アノードに
おける電極幾何面積あたりの白金使用量を0.45mg/c
2、カソードにおける電極幾何面積あたりの白金使用
量を0.4mg/cm2としたMEA−1、MEA−3、M
EA−5を用い、カソードガスとして酸素を用いた場合
の電流密度−電圧曲線を示す。この結果から全ての電流
密度領域において、実施例2の電極触媒(担体:ファー
ネスブラックA)を使用したカソードを用いたMEA−
1のセル電圧が最も高く、次いで比較例6の電極触媒
(担体:Vulcan XC−72R)を用いたカソード
を用いたMEA−3、比較例8の電極触媒(担体:ファ
ーネスブラックC)を使用したカソードを用いたMEA
−5の序列となり、また、特に物質拡散の影響が顕著に
なる高電流密度領域では、セル電圧の開きが大きくなる
結果となった。
【0066】図6にカソードの評価として、アノードに
おける電極幾何面積あたりの白金使用量を0.7mg/c
2、カソードにおける電極幾何面積あたりの白金使用
量を0.7mg/cm2としたMEA−6、MEA−7を用
い、カソードガスとして酸素を用いた場合の電流密度−
電圧曲線を示す。この結果から全ての電流密度の領域に
おいて、実施例3の電極触媒(担体:ファーネスブラッ
クA)を使用したカソードを用いたMEA−6のセル電
圧が比較例9の電極触媒(担体:ケッチェンブラックE
C)カソードを用いたMEA−7のそれより高い値とな
り、また、特に物質拡散の影響が顕著になる高電流密度
領域では、セル電圧の開きが大きくなる結果となった。
【0067】図7にカソードの評価として、アノードに
おける電極幾何面積あたりの白金使用量を0.7mg/c
2、カソードにおける電極幾何面積あたりの白金使用
量を0.45mg/cm2としたMEA−8、MEA−9を
用い、カソードガスとして酸素を用いた場合の電流密度
−電圧曲線を示す。この結果からもほぼ全ての電流密度
の領域において、実施例4の電極触媒(担体:ファーネ
スブラックA)を使用したカソードを用いたMEA−8
のセル電圧のほうが比較例10(Vulcan XC−
72R)カソードを用いたMEA−9のそれより高い値
となり、また、特に物質拡散の影響が顕著になる高電流
密度領域では、セル電圧の開きが大きくなる結果とな
り、合金系触媒においてもファーネスブラックAを用い
ることの優位性が確かめられた。
【0068】図8にアノードの評価として、上記のME
A−8、MEA−9についてアノードとカソードを逆転
させ、アノードガスとして100ppmCOを含む水素
を、カソードに酸素を用いた場合の電流密度−電圧曲線
を示す。この結果からもほぼ全ての電流密度の領域にお
いて、実施例4の電極触媒(担体:ファーネスブラック
A)を使用したアノードを用いたMEA−8のセル電圧
が比較例10(Vulcan XC−72R)アノードを
用いたMEA−9のそれより高い値となり、耐CO性能
においてもファーネスブラックAを用いることの優位性
が確かめられた。
【0069】
【発明の効果】本発明に係る特定の物性を有するファー
ネスブラックを、固体高分子型燃料電池用電極触媒用の
担体として採用することにより、その細孔構造の故に電
極反応に供されるガス(水素、酸素等)が触媒に拡散す
る空隙を十分確保することができ、白金系触媒活性も向
上するとともに、触媒毒として燃料水素ガスに一酸化炭
素が混入していても、白金系触媒活性の劣化が少ないと
いう高い電池特性を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、カーボンブラック製造装置の概略図で
ある。
【図2】図2は、実施例2および比較例5〜8に用いら
れるカーボンブラックの細孔半径とその合計細孔容積と
の関係を示す図である。
【図3】図3は、実施例2および比較例5〜8に係る電
極触媒粉末を用いて作製した電解質−電極複合体(ME
A−1〜MEA−5)の評価を示す図である。
【図4】図4は、実施例2および比較例5〜8に用いら
れるカーボンブラックの細孔半径10〜30nmにおける細
孔容積と、実施例2および比較例5〜8に係る電極触媒
粉末を用いて作製した電解質−電極複合体(MEA−1
〜MEA−5)の拡散限界電流密度との関係を示す図で
ある。
【図5】図5は、アノードおよびカソードにおける白金
使用量を変更した、実施例2および比較例6および8に
係る電極触媒粉末を用いて、アノードおよびカソードに
おける白金使用量を変更して作製した電解質−電極複合
体(MEA−1、MEA−3、MEA−5)の評価を示
す図である。
【図6】図6は、実施例3および比較例9に係る電極触
媒粉末を用いて作製した電解質−電極複合体(MEA−
6、MEA−7)の評価を示す図である。
【図7】図7は、実施例4および比較例10に係る電極
触媒粉末を用いて作製した電解質−電極複合体(MEA
−8、MEA−9)の評価を示す図である。
【図8】図8は、アノードガスとして100ppmのCO
混入水素を用いた場合の、実施例4および比較例10に
係る電極触媒粉末を用いて作製した電解質−電極複合体
(MEA−8、MEA−9)の評価を示す図である。
フロントページの続き (72)発明者 上田 正道 千葉県市川市中国分3−19−3 エヌ・イ ー ケムキャット株式会社市川研究所内 (72)発明者 鈴木 光雄 神奈川県横浜市青葉区鴨志田町1000番地 三菱化学株式会社内 (72)発明者 吉村 修七 東京都千代田区丸の内二丁目5番2号 三 菱化学株式会社内 (72)発明者 金丸 慎一 三重県四日市市東邦町1番地 三菱化学株 式会社内 Fターム(参考) 4J037 AA02 BB15 CA03 DD05 DD06 DD07 DD17 FF11 5H018 AA06 EE02 EE03 EE08 HH00 HH01 HH02 HH04 5H026 AA06 EE02 EE05 HH01 HH02 HH04

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】DBP吸油量が170〜300cm3/100gで、
    BET法による比表面積が250〜400m2/gで、一次粒
    子径が10〜17nmであり、かつ、半径が10〜30nmであ
    る細孔の合計容積が0.40cm3/g以上であることを特
    徴とするカーボンブラック。
  2. 【請求項2】前記カーボンブラックが、ファーネスブラ
    ックである請求項1に記載のカーボンブラック。
  3. 【請求項3】請求項1または2に記載のカーボンブラッ
    クからなる電極触媒用の担体。
  4. 【請求項4】前記カーボンブラックが、ファーネスブラ
    ックである請求項3に記載の電極触媒用の担体。
  5. 【請求項5】前記の電極触媒が固体高分子型燃料電池用
    である請求項3または4に記載の電極触媒用の担体
  6. 【請求項6】請求項3または4に記載の担体と、該担体
    に担持された白金とを有する電極触媒であって、該電極
    触媒全体に対する白金の量が5〜70質量%であることを
    特徴とする電極触媒。
  7. 【請求項7】前記担体に、白金のほかにさらにパラジウ
    ム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、金、銀、鉄、
    亜鉛、ニッケル、モリブデン、コバルト、錫、クロム、
    マンガン、レニウム、タングステンおよび銅からなる群
    から選ばれる少なくとも1種の金属が担持されているこ
    とを特徴とする請求項6に記載の電極触媒。
  8. 【請求項8】請求項6または7に記載の電極触媒を備え
    た電気化学的装置。
  9. 【請求項9】固体高分子電解質型燃料電池、電気分解装
    置、またはセンサーである請求項8に記載の電気化学的
    装置。
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