JPH06176766A - 白金合金電極触媒及びその製造方法 - Google Patents

白金合金電極触媒及びその製造方法

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JPH06176766A
JPH06176766A JP5092104A JP9210493A JPH06176766A JP H06176766 A JPH06176766 A JP H06176766A JP 5092104 A JP5092104 A JP 5092104A JP 9210493 A JP9210493 A JP 9210493A JP H06176766 A JPH06176766 A JP H06176766A
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alloy
nickel
cobalt
catalyst
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Masahiro Watanabe
政廣 渡辺
Paul Stonehart
ポール・ストンハルト
Kazunori Tsurumi
和則 鶴見
Nobuo Yamamoto
信夫 山本
Noriaki Hara
範明 原
Toshihide Nakamura
俊秀 中村
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Tanaka Kikinzoku Kogyo KK
Stonehart Associates Inc
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Tanaka Kikinzoku Kogyo KK
Stonehart Associates Inc
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来の白金−ニッケル−コバルト合金触媒に
は規則性がないため耐久性に欠けている。本発明は規則
性を有し、特に燃料電池用触媒として有用な白金−ニッ
ケル−コバルト合金触媒とその製造方法を提供すること
を目的とする。 【構成】 導電性担体上に規則性構造を有する白金−ニ
ッケル−コバルト3元合金粒子を担持させた白金合金電
極触媒。この触媒は合金粒子の加熱を600 ℃以上800 ℃
未満の温度で行うことにより得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、従来の白金合金電極触
媒と同等以上の活性とより高い耐久性を有する白金合金
電極触媒及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来技術及び問題点】リン酸型燃料電池(以下PAF
Cという)のカソード触媒として使用される、白金単味
触媒より高い酸素還元活性を有する白金合金電極触媒の
開発が行われ、この高活性を維持したまま更に耐久性を
向上させるために規則性結晶構造を有する白金合金触媒
の開発に注目が集まっている。白金−ニッケル−コバル
ト触媒が高酸素還元活性を有することは周知であるが
(例えば特開昭61−8851号)、該白金−ニッケル−コバ
ルト触媒が規則性を有することについては従来の文献中
には開示がない。他の数種の多元触媒が規則性を有する
ことは知られているが、白金−ニッケル−コバルト触媒
は規則性を有しないことが指摘されている(特開平2−
236960号)。
【0003】一般に燃料電池用触媒は190 〜210 ℃の10
0 %リン酸中で使用されるため、合金粒子の成分溶出や
シンタリングによる金属表面積の減少が生じ、性能劣化
が進み易い。この欠点を解消するため、特に燃料電池用
触媒としてより高い酸素還元活性を有し、かつ高耐久性
を示す触媒が望まれている。これに応えるものとしてあ
る種の規則性合金(例えば白金−鉄−コバルト−銅合金
触媒)が提案されているが(米国特許明細書4711829
号、特開平2−236960号)、本発明者らはこれらの規則
性合金より更に酸素還元活性が高くPAFC中でも成分
の溶出やシンタリングによる金属表面積の減少が一層少
ない耐久性に優れた規則性結晶構造を有する白金合金電
極触媒を検討し本発明に到達したものである。
【0004】
【発明の目的】本発明は上記問題点に鑑み、従来の白金
合金電極触媒と同等以上の活性とより高い耐久性を有す
る白金−ニッケル−コバルト3元合金を含んで成る白金
合金電極触媒とその製造方法を提供することを目的とす
る。
【0005】
【問題点を解決するための手段】本発明の白金合金電極
触媒は、導電性担体、及び該担体上に担持された規則性
構造を有する白金−ニッケル−コバルト3元合金粒子を
含んで成る白金合金電極触媒であり、本発明方法は、導
電性担体上に担持させた白金、ニッケル及びコバルトを
加熱して合金化し前記導電性担体上に白金−ニッケル−
コバルト3元合金粒子を担持させた白金合金電極触媒の
製造方法において、前記加熱合金化を600℃以上800 ℃
未満の温度で行い規則性構造を形成することを特徴とす
る白金合金電極触媒の製造方法である。
【0006】以下、本発明の詳細について説明する。本
発明者らは、従来規則性構造を取らない合金触媒と認識
されていた白金−ニッケル−コバルト3元合金の合金化
時の加熱温度を検討し、該加熱温度を600 ℃以上800 ℃
未満とすることにより規則性構造が形成されることを見
出したものである。例えば前記特開昭61−8851号に述べ
られている通り、通常白金−ニッケル−コバルト3元合
金の合金化処理温度は900 ℃あるいはそれ以上であり、
本発明の温度範囲から逸脱している。
【0007】しかし前述の通り合金化時の加熱温度を低
温に抑えることにより規則性のある結晶構造を有する白
金−ニッケル−コバルト合金を製造することができる。
本発明における規則性合金とは、導電性担体上に担持さ
れる白金、ニッケル及びコバルトから成る合金粒子中の
各金属が一定のパターンで配置されている合金をいう。
【0008】本発明で使用できる担体は導電性であれば
特に制限はないが、アセチレンブラックやグラファイト
化ファーネスブラック等のカーボン担体を使用すること
が好ましい。本発明方法に従って該担体上に白金−ニッ
ケル−コバルト合金粒子を担持させる場合には、前記温
度範囲内で合金化できる任意の方法によることができる
が、例えば金属の硝酸塩を高温で分解して対応する金属
に変換しかつ合金化を行う熱分解法では熱処理温度が80
0 ℃を越え易くなるため好ましくなく、金属の有機酸塩
を水素や他の還元剤で600 ℃以上800 ℃未満の温度範囲
で還元しかつ合金化する方法を採用することが好まし
い。
【0009】規則性合金の生成は通常の手法に従い、得
られた合金触媒のX線回折パターンにおける、ミラー指
数で示される結晶格子面のうち規則性合金特有の(10
0)又は(001)及び(110)又は(100)のピ
ークが(111)又は(101)の主回折ピークより低
回折角2θ側に現れることにより確認した。ここで1本
の回折ピークに対して「又は」を使用して2種類のミラ
ー指数を併記しているのは、得られる白金−ニッケル−
コバルト規則性合金が面心立方晶系規則構造であるか面
心正方晶系規則構造であるか未決定で各回折ピークに帰
属させるべき面指数が結晶系により異なるためである
が、いずれにしても両面心構造のうちのいずれかの規則
性を有する構造の生成により前述の特徴的な回折ピーク
が現れる。このようにして得られる規則性合金触媒はそ
の結晶構造のため、比較的高温で使用しても性能劣化が
殆どなく長期間に亘って高活性を維持することができ
る。
【0010】
【実施例】次に本発明に係わる白金−ニッケル−コバル
ト3元合金触媒の製造方法の実施例を記載するが、本実
施例は本発明を限定するものではない。
【実施例1】ギ酸ニッケル1.54ミリモルと酢酸コバルト
1.54ミリモルとを含む水溶液20ミリリットルに、10%水
酸化アンモニウム水溶液をpHが10になるまで加えた。
比表面積が約100 m2 /gのアセチレンカーボン担体に
金属比表面積が約140 m2 /gの白金金属微粒子が10重
量%担持された白金カーボン触媒6gに上記混合溶液を
加えて十分混合した。得られたスラリを65℃で蒸発乾固
させ、粉砕後10%水素(残り窒素)気流中250 ℃で30分
間還元して前記ニッケル塩及びコバルト塩を還元した
後、同気流中で熱処理温度を650 ℃に上昇させ10時間保
持し白金、ニッケル及びコバルトを合金化させた。
【0011】このようにして得られた白金、ニッケル及
びコバルトの組成比が2:2:1(原子比)の3元合金
触媒をX線回折で調べたところ、白金の回折角は高角度
側にシフトしていて、ニッケル及びコバルトと合金化し
ていることを示唆している。回折線幅から算出した合金
粒子径は40Åであった。又図1Bに示したように、回折
角2θで41.5度付近の主回折ピークよりも低回折角側に
2本のピークが出現し、規則性合金の形成を示唆してい
た。なお図1Aは後述の通り不規則性合金のX線回折パ
ターンであり、図1C、図1D及び図1Eはそれぞれコ
バルト、ニッケル及び白金単独のX線回折パターンのA
STMカードデータを参考として示すものである。
【0012】
【実施例2】実施例1における650 ℃における10時間の
熱処理に代えて、まず900 ℃で1時間保持した後、650
℃で10時間熱処理を行ったこと以外は実施例1と同一条
件で白金−ニッケル−コバルト3元合金触媒を製造し
た。この触媒をX線回折で調べたところ、白金の回折角
は高角度側にシフトしていて、ニッケル及びコバルトと
合金化していることを示唆している。回折線幅から算出
した合金粒子径は50Åであった。又実施例1の場合と同
様に主回折ピークよりも低回折角2θ側に2本のピーク
が現れ、規則性合金の形成を示唆している。
【0013】
【実施例3】実施例1における650 ℃に代えて、700 ℃
で10時間熱処理を行ったこと以外は実施例1と同一条件
で白金−ニッケル−コバルト3元合金触媒を製造した。
この触媒をX線回折で調べたところ、白金の回折角は高
角度側にシフトしていて、ニッケル及びコバルトと合金
化していることを示唆している。回折線幅から算出した
合金粒子径は45Åであった。又実施例1の場合と同様に
主回折ピークよりも低回折角2θ側に2本のピークが現
れ、規則性合金の形成を示唆している。しかし主ピーク
の高さに対するその2本のピークの高さの割合はどちら
とも実施例1のピーク高さの約1/2となっていた。
【0014】
【実施例4】実施例1における650 ℃に代えて、600 ℃
で10時間熱処理を行ったこと以外は実施例1と同一条件
で白金−ニッケル−コバルト3元合金触媒を製造した。
この触媒をX線回折で調べたところ、白金の回折角は高
角度側にシフトしていて、ニッケル及びコバルトと合金
化していることを示唆している。回折線幅から算出した
合金粒子径は35Åであった。又実施例1の場合と同様に
主回折ピークよりも低回折角2θ側に2本のピークが現
れ、規則性合金の形成を示唆している。しかし主ピーク
の高さに対するその2本のピークの高さの割合はどちら
とも実施例1のピーク高さの約3/4となっていた。
【0015】
【比較例1】実施例1における650 ℃に代えて、900 ℃
で11時間熱処理を行ったこと以外は実施例1と同一条件
で白金−ニッケル−コバルト3元合金触媒を製造した。
この触媒をX線回折で調べたところ、白金の回折角は高
角度側にシフトしていて、ニッケル及びコバルトと合金
化していることを示唆している。回折線幅から算出した
合金粒子径は65Åであった。又図1Aに示したように、
実施例1の場合と異なり、主回折ピークよりも低回折角
2θ側に2本のピークは現れなかった。
【0016】
【比較例2】実施例1における650 ℃に代えて、800 ℃
で10時間熱処理を行ったこと以外は実施例1と同一条件
で白金−ニッケル−コバルト3元合金触媒を製造した。
この触媒をX線回折で調べたところ、白金の回折角は高
角度側にシフトしていて、ニッケル及びコバルトと合金
化していることを示唆している。回折線幅から算出した
合金粒子径は60Åであった。又比較例1の場合と同様
に、主回折ピークよりも低回折角2θ側に2本のピーク
は現れなかった。
【0017】
【比較例3】次のように白金−鉄−コバルト−銅4元正
方晶規則性合金触媒を得た。110 m2 /gの比表面積を
有するカーボンブラック(Vulcan XC-72R)81gを氷酢酸
4.0 gを含有する脱イオン水150 ミリリットル中でスラ
リ化した。白金9.0gをH2 Pt(OH)6 として含む6
00 ミリリットルの水溶液中にアミンとともに溶解させ
た。前記スラリに前記白金含有溶液を添加した後、液温
を95℃まで上昇させ30分保持後、室温まで冷却した。洗
浄及び乾燥を行い、比表面積が120 m2 /gである白金
担持触媒を得た。
【0018】この触媒50gを脱イオン水1リットル中に
超音波を使用して分散させ均一スラリとした。該スラリ
を十分攪拌しながら、0.72gの鉄を含む硝酸鉄(II
I)の水溶液150 ミリリットルを前記スラリに添加し、
5%ヒドラジン希釈水溶液を滴下し、該スラリのpHを
8.0 に調整した。1時間攪拌し、濾過、洗浄及び乾燥を
行った後、7%水素(残りは窒素)気流中900 ℃で加熱
後、室温まで放冷して白金−鉄(原子比67:33)合金触
媒を得た。この触媒50gを脱イオン水1リットルに超音
波分散させ均一スラリとした。該スラリを十分攪拌しな
がら、0.38gのコバルトを硝酸コバルト(II)として
及び0.41gの銅を硝酸銅(II)として含む水溶液75ミ
リリットルを前記スラリに添加後、5%ヒドラジン希釈
水溶液を滴下しスラリのpHを8.0 に調整した。濾過、
洗浄及び乾燥を行い、前記白金及び鉄の合金化と同一条
件で合金化を行い、白金−鉄−コバルト−銅(原子比、
50:17:17:17)の4元正方晶規則性合金触媒を得た。
【0019】
【比較例4】比較例1における900 ℃11時間に代えて90
0 ℃で1時間熱処理を行ったこと以外は比較例1と同一
条件で白金−ニッケル−コバルト3元合金触媒を製造し
た。この触媒をX線回折で調べたところ、白金の回折角
は高角度側にシフトしていて、ニッケル及びコバルトと
合金化していることを示唆している。回折線幅から算出
した合金粒子径は35Åであった。又比較例1の場合と同
様に、主回折ピークよりも低回折角2θ側に2本のピー
クは現れなかった。
【0020】
【比較例5】比較例1における900 ℃11時間に代えて50
0 ℃で10時間熱処理を行ったこと以外は比較例1と同一
条件で白金−ニッケル−コバルト3元合金触媒を製造し
た。この触媒をX線回折で調べたところ、白金の回折角
は高角度側にシフトしていて、ニッケル及びコバルトと
合金化していることを示唆している。回折線幅から算出
した合金粒子径は30Åであった。又比較例1の場合と同
様に、主回折ピークよりも低回折角2θ側に2本のピー
クは現れなかった。
【0021】上記実施例及び比較例における加熱温度及
び時間と得られる合金構造及び回折ピークの関係は表1
に示す通りであり、表1から600 ℃以上800 ℃未満の合
金化温度において規則性構造を有する合金が得られ、特
に650 ℃においてピークが最大となり、650 ℃付近にお
ける加熱により最も規則性の良好な合金触媒が得られる
ことが判る。
【0022】
【表1】
【0023】次に実施例1、比較例3及び比較例4の電
極を使用し、105 %のリン酸を電解質とし、電流密度20
0 mA/cm2 、200 ℃で単電池試験を行い、IRフリ
ーの端子電圧の経時変化を測定した。その結果を図2に
示した。図2から実施例1の650 ℃で合金化した規則性
を有する白金−ニッケル−コバルト触媒電極の端子電圧
は、900 ℃で合金化した規則性を有する白金−鉄−コバ
ルト−銅触媒電極の端子電圧及び900 ℃で合金化した規
則性を有しない白金−ニッケル−コバルト触媒電極の端
子電圧よりも高く、活性の点で優れていることが判る。
【0024】更に各実施例及び比較例で製造した触媒の
性能を確認するために、各触媒にポリテトラフルオロエ
チレンとの重量比が7:3となるようにポリテトラフル
オロエチレンディスパージョン液を加え、撥水処理した
カーボンシート上に塗布、焼成して電極を作製し、次の
条件で単電池試験及び安定性試験を行った。
【0025】105 %リン酸50ミリリットルを入れた試験
セルに各電極を浸漬し、窒素雰囲気中、200 ℃で+700
mV(vs RHE) の一定電位で50時間保持した。試験後の
計7個の電極のうち4個の電極(実施例1、実施例3、
比較例3及び比較例4)の金属表面積(ECMSA)を
測定し、試験前のECMSAと比較した。これらの結果
から前記各合金触媒の安定性をECMSAの保持率とし
て評価したところ、図3に示す結果が得られた。図3か
ら実施例1の電極では50時間経過後の金属表面積は91%
で最も高く、実施例3の場合は72%、比較例3では81
%、比較例4では68%であることが判り、実施例1の合
金触媒は耐久性の面でも優れていることが判る。
【0026】
【発明の効果】本発明の白金合金電極触媒は、導電性担
体、及び該担体上に担持された規則性構造を有する白金
−ニッケル−コバルト3元合金粒子を含んで成る白金合
金電極触媒である(請求項1)。この規則性構造を有す
る白金合金電極触媒は、その規則性のため比較的高温で
使用しても結晶構造が乱れて電極性能が劣化することが
殆どなく、長期間に亘って安定した高活性で例えば燃料
電池用電極として使用することができる。
【0027】又本発明の白金合金電極触媒の製造方法
は、導電性担体上に担持させた白金、ニッケル及びコバ
ルトを加熱して合金化し前記導電性担体上に白金−ニッ
ケル−コバルト3元合金粒子を担持させた白金合金電極
触媒の製造方法において、前記加熱合金化を600 ℃以上
800 ℃未満の温度で行い規則性構造を形成することを特
徴とする白金合金電極触媒の製造方法である(請求項
2)。合金化時の加熱温度を600 ℃以上800 ℃未満とす
ることにより、特に650 ℃前後とすることにより規則性
構造を有する白金−ニッケル−コバルト3元合金触媒を
製造することができ、該触媒は長期間に亘って安定した
高活性の電極として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1Aは比較例1の不規則性合金のX線回折パ
ターン、図1Bは、実施例1の規則性合金のX線回折パ
ターン、図1C、図1D及び図1Eは、それぞれコバル
ト単独、ニッケル単独及び白金単独のX線回折パターン
のASTMカードデータである。
【図2】実施例1、比較例3及び比較例4の電極を単電
池に組み込んで使用した際のIRフリー端子電圧の経時
変化を示すグラフである。
【図3】実施例1、実施例3、比較例3及び比較例4の
電極を試験セルに組入れて使用した際のECMSAの経
時変化を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 政廣 山梨県甲府市和田町2412番地の8 (72)発明者 ポール・ストンハルト アメリカ合衆国 06443 コネチカット州、 マジソン、 コテッジ・ロード 17、 ピー・オー・ボックス 1220 (72)発明者 鶴見 和則 神奈川県平塚市新町2−73 田中貴金属工 業技術開発センター内 (72)発明者 山本 信夫 神奈川県平塚市新町2−73 田中貴金属工 業技術開発センター内 (72)発明者 原 範明 神奈川県平塚市新町2−73 田中貴金属工 業技術開発センター内 (72)発明者 中村 俊秀 神奈川県平塚市新町2−73 田中貴金属工 業技術開発センター内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 導電性担体、及び該担体上に担持された
    規則性構造を有する白金−ニッケル−コバルト3元合金
    粒子を含んで成る白金合金電極触媒。
  2. 【請求項2】 導電性担体上に担持させた白金、ニッケ
    ル及びコバルトを加熱して合金化し前記導電性担体上に
    白金−ニッケル−コバルト3元合金粒子を担持させた白
    金合金電極触媒の製造方法において、前記加熱合金化を
    600 ℃以上800℃未満の温度で行い規則性構造を形成す
    ることを特徴とする白金合金電極触媒の製造方法。
JP5092104A 1992-04-03 1993-03-26 白金合金電極触媒及びその製造方法 Pending JPH06176766A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US07/863,118 US5189005A (en) 1992-04-03 1992-04-03 Electrocatalyst and process of preparing same
US07/863,118 1992-04-03

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH06176766A true JPH06176766A (ja) 1994-06-24

Family

ID=25340312

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