JPS5854565A - 空気電極の触媒層とその製造方法 - Google Patents

空気電極の触媒層とその製造方法

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JPS5854565A
JPS5854565A JP56153070A JP15307081A JPS5854565A JP S5854565 A JPS5854565 A JP S5854565A JP 56153070 A JP56153070 A JP 56153070A JP 15307081 A JP15307081 A JP 15307081A JP S5854565 A JPS5854565 A JP S5854565A
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porphyrin
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Toshiaki Nakamura
中村 敏昭
Yuichi Sato
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、水素/酸素燃料電池、金属/空気電池、又は
酸素セy−y″等の空気電極の触媒層とその製造方法に
関し、更に詳しくは、重負荷放電が可能な空気電極の触
媒層を短時間かつ安価に製造する方法に関する。
従来から、各種の空気電極にはガス拡散電極が用いられ
ている。最近、このガス拡散電極は、酸素ガスに対して
電気化学的還元能を有する導電性の多孔質触媒層と、該
触媒層のガス側表面に一体的に添着される撥水性層とか
ら成る2層構造の電極として構成されている。
この場合、該触媒層としては、酸素還元過電圧ノ低いニ
ッケルタングステン酸、パラジウム・コバルトで被覆さ
れた炭化タングステン;ニッケル、銀、白金、パラジウ
ムなどの貴金属;二酸化!ンガンなどの金属酸化物;金
属フタロシアニン、金属ポルフィリンなどのキレート化
合物;のような酸素ガスに対して電気化学的還元能を有
する触媒を、活性嶽粉末、黒鉛粉末などの導電性粉末で
ある基材に担持せしめ、得られた粉末をポリテトラフロ
ロエチレン、ポリエチレンなどの耐電解液性の結着剤で
所定の形状(例えば、板状)に成形して成る多孔質成形
体である。また、予め導電性粉末で多孔質体を成形して
基材を作成し、これに上記した触媒を担持せしめて作成
することもできる。
さて、このような多孔質の触媒層の細孔内にあっては、
担持されている触媒の働きによって←)式に示すような
酸素の2電子還元反応が進行する。
Ot + HtO+2・−→0,11−+OH−α)ま
た、上記した触媒群のうちの金属ポルフィリンの一種で
あるコバルトポルフィリン、鉄ポルフィリンにはそれぞ
れの2量体の存在することが知られているが、これら2
量体を触媒とした場合には、(2)式に示すような酸素
の4電子還元反応が進行しているものと推察される。
Ox + 2HtO+4@−→、aou−(2)したが
って、触媒としてコバルトポルフィリンの2量体、鉄ポ
ルフィリンの2量体を用いた場合には、(1)式の反応
を進める触媒の場合に比べてよシ大きな電流を4!〕出
すことができる。
すなわち、重負荷放電が可能となる@ しかしながら、これら2量体も含めて、一般に金属ポル
フィリンは水、アルコールに不11であり、ベンゼン、
ピリジン、ジメチルホルムアミド(DMF)、テトラヒ
ドロ7ラン(THF)などの限られた有機溶媒に浴ける
のみである。
しかも、これら有機溶媒に対しても、金属ポルフィリン
の飽和溶解量は1%前後と小さい。
したがって、金属ポルフィリンを導電性粉末又はその多
孔質成形体である基材に担持せしめる場合には、まず、
金属ポルフィリンの粉末を上記有機溶媒に飽和するまで
澱解し、得られた溶液に基材を浸漬し、ついでこれを取
シ出して乾燥し、有機溶媒を揮散せしめて金属ポルフィ
リンを析出せしめるという操作を数回反復することが必
要であった。
このため、所定量の金属ポルフィリン番担持せしめるた
めには、多数回の反復する工程と多大の時間を必要とし
友。更に、用いる有機溶媒はいずれも人体に有害な物質
である丸め、作業者の安全衛生を確保する点から、咳有
機溶媒及びその蒸気の除去又は回収装置などを設置する
ことが必要であった。
本発明者らは、金属ポルフィリン、とシわけその2量体
を触媒として用いるに際しての上記のような困難を解消
するために鋭意研究を重ねた結果、該金属ポルフィリン
に親水基を導入すれば、有機溶媒を用いることなく単に
水圧溶解した状態で基材に容易に担持せしめ得るとの着
想を得1本発明を完成するに到つ九。
本発明は、重負荷放電が可能な触媒層とその製造方法を
提供することに目的がある。
本発明の触媒層は、親水基を有する金属ポルフィリンを
触媒とするものであって、その製造方法は%親水基を有
する金属ポルフィリンを水Kil解して水溶液とし;該
水溶液に、導電性粉末又は該導電性粉末の多孔質成形体
である基材を浸漬し;ついで、蚊基材を塩9出した後、
乾燥又は必要に応じて不活性雰囲気中で焼成することを
q#黴とするものである。
本発明の触媒層において、触媒として機能するのは親水
基を有する金属ポルフィリンである。
用いる金属ポルフィリンとしては、コバルトボルフイリ
/、鉄ポルフィリン、と夛わけそれらの2量体が重負荷
放電の関係からして好ましい。
これらの金属ポルフィリンには、各種の親水基が導入さ
れる。その結果、水溶性となる。導入される親水基とし
ては、金属ポルフィリンの触媒能を損なうことなく水溶
性を付与する−のであればよく、例えば、フェニルスル
ホン酸基(−Q−8OsH)又はそれとNa 、 K 
、など(07にカリ金属との塩;フェニルカルボン−基
(OcooB)、メチルビリジニラ五基(−C>N”−
cus >、メチルアミノフェニル基(ON”(CHs
 )s )及びこれらの塩、またはそれらの誘導体など
をあけることができるが、このうち、フェニルスルホン
酸基又はそのアルカリ金属塩は金属ポルフィリンの水解
性を非常に^めるので好んで用いられる。
このような水溶性の金属ポルフィリンは、次のようにし
て調製される。親水基としてフェニルスルホン酸基を導
入する場合には、例えば0.8モルのピロール20.8
モルのベンズアルデヒドを3ノのプロピオン酸に溶解し
、30分間、速流加熱する。室温まで冷却しテトラフェ
ニルポルフィリンを得、ついで該テトラフェニルポルフ
ィリンを濃硫酸中でスルホン化し、α、βl r lr
−テトラフェニルポルフィリントリスルホン酸が得られ
る0 さて1本発明の触媒層は次のようKして製造される。ま
ず、親水基を有する金属ポルフィリンの粉末を水に溶解
する。溶解量は、親水基、金属ポルフィリンの1III
lなどによって変動するが、例えば、親水基がフェニル
スルホン酸基、金属ポルフィリンがコバルトポルフィリ
ンの2量体の場合には、水1009に対し通常、5〜1
0Fと非常に大きい値である。
このよう圧して得られた金属ポルフィリンの水浴液に、
導電性粉末又はその多孔質成形体、すなわち、触媒層の
基材を浸漬する。その結果、金属ポルフィリンの水溶液
は、基材の表面及びその内部細孔に担持される。
ついで、基材を水溶液から*b出し、これを乾燥して水
を揮散せしめ、親水基を有する金属ポルフィリンを基材
の表面又は内部細孔内に析出せしめる〇 基材が導電性粉末の場合は、更にこれ′t−PTFEの
ような結着剤と混練して結着し、所定の方法(例えば圧
延ロール)で触媒層として成形する。
基材が導電性の多孔質成形体の場合には、そのまま触媒
層として適用することができる。
なお、′?:、のとき、上記の方法で得られた基材を窒
素、アルゴン等の不活性雰囲気中、120〜700Cの
温度域で加熱焼成すると、担持されている金属ポルフィ
リンの親水基の一部又は全部が逸散又は分解して除去さ
れ、親水基の一部又は全部の消失した金属ポルフィリン
が残存する。
残存する上記のような金属ポルフィリンは、構造的には
共役結合が増加していてその化学的安定性が増す。した
がって、加熱焼成された基材から成る触媒層は、その貯
蔵特性(安定性)が向上して有用である。
本発明は以上のように構成されるから、重負荷放電が可
能な金属ポルフィリンの2量体を一度の担持操作で基材
に必要量担持せしめることができる。したがって触媒層
の製造時間を短縮でき、その製造コストを低下できる。
しかも、人体に有害な有機溶媒を用いることがないので
、安全衛生問題が著しく改善されて有用である〇以下に
、本発明を実施例に基づいて説明する。
実施例 a)触媒層の製造 試料l:単分子尚)4個のフェニルスルホン酸基を有す
るコバルトポルフィリンの2 量体の粉末20りを、室温下で150gの水に濤解し友
得られた水ff!Itに平均粒11100μの活性炭粉
末809を懸濁した。全体を10時間攪拌した後、活性
炭粉末をFAIした。得られた粉末を120cで乾燥し
た。
DTA法で分析したところ、活性炭粉 末の表面には上記2量体が8.2111t%担持されて
い友。
ついで、この粉末をPTFK60%デ ィスバージlンと混練した後、圧g− −ルし、厚み0.5簡の触媒層t−製造した0 試料2: 単分子当シ2個のフェニルスルホン酸基を有
するコバルトポルフィ9y10Fを、室温下で90−の
水に溶解した。得られた水溶液に平均粒径100μの活
性炭粉末90gを懸濁した。活性炭粉末の表面に、コバ
ルトポルフィリンが8.0重量%担持されていることが
確鰯され た。
試料lの場合と同様にして厚み0.5 −の触媒層を製造した。
試料3: コバルトポルフィリンの21体29をピリジ
ン10.0001114に溶解した。得られた溶液に平
均粒径100μの活性炭粉末809を懸濁した。10時
間攪拌後。
活性炭粉末をP別し、得られた粉末を ピリジン回収装置付き気密乾燥量中に おいて150Gで乾燥した。
この操作を10回反復して、コバル トポルフィリンの2量体7.9重量〜を担持する活性炭
粉末を得九〇 ついで、試料1.試料2の場合と同 様にして厚み0.5■の触媒層を製造した。
(2)空気電極及び空気電池の製造 上記した31[IRの触媒層それぞれを、平均孔径10
μの孔が20%分布する厚み200μのPTFEシート
と40メツ゛シ”0.15φのニッケル金網で挾み、全
体をプレスして空気電極3個を作製した。
ついで、これら空気電極、水酸化カリウムを主体とする
電解液、亜ilI論極を用いて常法によシ空気電池3個
を製造した。
(3)各試料の比較 以上の空気電池3個につき、25cにおける轍大放電の
電流密度を測定した。結果を、に科3の触媒層を用いた
電池の値を基準とする比として第1表に示した。なお、
試料11試料2の触媒層の製造に要した時間、費用を試
料3の場合を基準とする比として求め、それらも併記し
た。
第1表から明らかなように、本発明の触媒層は従来(比
較例)のものに比べて最大電流密度におhて遜色ないの
みならず、製造時間、製造費用の点でははるかに有利で
あることが判明した。
体)加熱焼成の効果 試料lの触媒層3個を、アルゴン気流中で300G、4
50C,600cO各温度で20分間、それぞれ焼成し
た。得られた触媒層から上記したようKして空気電極を
作製し、常法により5R4411空気亜鉛電a3個を製
造し九〇この電池を30Cで1年間保存した後、25c
の温度下、5 mA/m”の電流密度で連続放電した。
それぞれの電池の放電持続時間を、加熱焼成しない試料
lの触媒層による5R44型電池の場合を基準とする比
として第2表に示した。
第2表から明らかなように、触媒層を加熱焼成すると、
放電持続時間が長くなることが判明し九〇 なお、上記実施例においては水酸化カリウムを電解液と
する空気−亜鉛電池を示したが、他の電解液、例えば塩
化アンモニウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、
水酸化(シウム、水酸化ルビジウムなどを用いても同様
の効果が得られることはいうまでもない。ま九、空気−
鉄電池にも2本発明の触媒層は適用できる。
以上詳述したように、本発明によれば、重負荷放電が可
能な空気電極の触媒層を、短い製造時間で安く、シかも
人体に対して何んの害毒もなく製造することができるの
で、その工業的価値は大である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、 親水基を有する金属ポルフィリンを触媒とする空
    気電極の触媒層。 2、 皺金属ポルフィリンが、コバルトポルフィリンの
    2量体、鉄ポルフィリンの2量体のいずれか又は両方で
    ある特許請求の範囲第1項記載0空気電極の触媒層。 3、咳親水基が、フェニルスルホン酸基又はその塩、フ
    ェニルカルボン酸基又はその塩、メチルピリジニウム基
    又はその塩、メチルアミノフェニル基又はその塩、及び
    それらの−導体の鮮から選ばれる少くとも1種の基であ
    る特許請求の範H1lix項記載の空気電極の触媒層。 4、該親水基がフェニルスルホン酸基又はソ。 塩である特許請求の範囲第3項記載の空気電極の触媒層
    。 5、親木基を有する金属ポルフィリンを水に俗解して水
    溶液としI核水溶液に、導電性粉末又は咳導電性粉末の
    多孔質成形体である基材を浸漬し;りいで、腋基材を取
    り出した後、乾燥又は必要に応じて不活性雰囲気中で焼
    成することを特徴とする空気電極の触媒層の製造方法。 6、鋏金属ポルフィリンが、コバルトポルフィリンの2
    量体、鉄ポルフィリンの2量体のいずれか又は両方であ
    る特許請求の範囲第5項記載の空気電極の触媒層の製造
    方法@ 7、  諌11水基が、フェニルスルホン酸基又はその
    塩、フェニルカルボン酸基又はその塩、メチルピリジニ
    ウム基又はその塩、メチルアミノフェニル基又はその塩
    、及びそれらの誘導体の群から選ばれる少くとも1種の
    基である特許請求の範囲第3項記載の空気電極の触媒層
    の製造方法。 8、咳親水基がフェニルスルホン酸基又はその塩である
    特許請求の範囲第7項記載の空気電極の触媒層の製造方
    法。
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5638771A (en) * 1979-09-05 1981-04-14 Toshiba Battery Co Ltd Air battery

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS5638771A (en) * 1979-09-05 1981-04-14 Toshiba Battery Co Ltd Air battery

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