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電極触媒の活性評価方法およびこれに用いる試験電極 新技術説明会

国内特許コード P06P003760
整理番号 P05-002
掲載日 2006年9月1日
出願番号 特願2005-034200
公開番号 特開2006-220538
登録番号 特許第4560623号
出願日 平成17年2月10日(2005.2.10)
公開日 平成18年8月24日(2006.8.24)
登録日 平成22年8月6日(2010.8.6)
発明者
  • 渡辺 政廣
  • 内田 裕之
出願人
  • 国立大学法人山梨大学
発明の名称 電極触媒の活性評価方法およびこれに用いる試験電極 新技術説明会
発明の概要 【課題】触媒粒子層を試験電極の表面に形成してその活性を評価するに際して、触媒粒子の凝集や多重に積層することを防止して、真の触媒活性の正確な評価を可能にする。
【解決手段】 触媒分散液を基材表面に塗布、乾燥して触媒層を形成し、さらにその表面にイオノマー層を作成した試験電極により、触媒活性を評価する方法であって、前記触媒層が、触媒粒子又はその一次凝集体がほぼ単層に配列されたものであることを特徴とする電極触媒の活性評価方法。また、前記分散液の分散媒として、水よりも表面張力の小さい親水性有機溶媒又はその水溶液を用い、基材表面に塗布された分散液を、この有機溶媒の飽和蒸気圧下で乾燥する。さらに、分散液の基材表面の塗布量を、45~57μL/cmの範囲内とする。
【選択図】図2
従来技術、競合技術の概要


固体高分子形燃料電池(PEFC)は、例えば電気自動車、定置コジェネレーションシステム、携帯機器用の電源として研究開発が進められている。PEFCの心臓部は、水素イオン(H)導電性の高分子電解質膜を2枚のガス拡散電極で挟んだ膜電極接合体(MEA)である。ガス拡散電極には触媒層が設けられ、燃料極(アノード触媒層)で水素の酸化(H→2H+2e)、空気極(カソード触媒層)で酸素の還元(2H+1/2O+2e→HO)がおこる。また、触媒層への水素イオンの供給のために、電極触媒粒子はイオノマー(有機溶剤に可溶な水素イオン導電性高分子材料)で被覆されている。



電極触媒としては、カーボンブラック等の導電体微粒子からなる担体に、白金を主体とする活性金属を担持させたもの(以下「Pt/CB触媒」という)が用いられている。この触媒の性能は、活性金属の分散度に依存し、活性金属担持量が同一であればその表面積が大きいほど触媒性能が高くなる。白金は高価であるから、その使用量を低減するためにも、触媒粒子の微粒子化および高分散担持が求められている。



また、この触媒においては、白金担持量(触媒中の白金の重量比)をどのように設定するかも問題となる。本発明者らが市販のPt/CB触媒での白金の平均粒子径を測定した結果では、白金担持量が19.2%、63.2%のものについて、それぞれ2.7nm、2.4nmであり、白金担持量を増加させても白金の粒径すなわち比表面積(単位重量当りの表面積)はほとんど変化しない。もし白金触媒単位量当りの触媒活性が同じで、電極中の触媒利用率が同じであれば、白金担持量が高いほどPt/CB触媒量を減らせることになる。すなわち、63.2%のPt/CB触媒を用いれば、電極触媒層の厚みを19.2%の触媒を用いた場合の約1/3に減少させることができる。これにより、反応物質と生成水の拡散性の向上が期待できる。しかし、従来Pt/CB触媒の真の活性を正確に評価する方法が無かったため、どのような担持量の触媒が有効なのかという設計指針が得られていない。



【非特許文献1】
T.J.Schmidt,U.A.Paulus,H.A.Gasteiger,R.J.Behm:J.Electroanal.Chem.508(2001),41
【非特許文献2】
U.A.Paulus,T.J.Schmidt,H.A.Gasteiger,R.J.Behm:J.Electroanal.Chem.495(2001),134

産業上の利用分野


本発明は、燃料電池等に用いられる触媒の活性の評価方法とこれに用いる試験電極に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
高分散触媒分散液を導電性の基材表面に塗布、乾燥して触媒層を形成し、該触媒層の表面にイオノマー溶液を塗布、乾燥し作成した試験電極を用いてボルタモグラム法により、前記高分散触媒の活性を評価する電極触媒の活性評価方法であり、
前記触媒層は、触媒粒子又はその一次凝集体がほぼ単層に配列されたものであることを特徴とする電極触媒の活性評価方法。

【請求項2】
前記分散液の分散媒は、水よりも表面張力の小さい親水性有機溶媒又はその水溶液であることを特徴とする請求項1に記載の電極触媒の活性評価方法。

【請求項3】
前記塗布された分散液を該分散液中の分散媒の飽和蒸気圧下で乾燥することを特徴とする請求項2に記載の電極触媒の活性評価方法。

【請求項4】
前記分散液の基材表面の塗布量は、45~57μL/cmであることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の活性評価方法。

【請求項5】
前記イオノマー溶液は、親水性有機溶媒又はその水溶液であって水より表面張力の小さいものに溶解したものであることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の電極触媒の活性評価方法。

【請求項6】
前記イオノマー溶液の乾燥を該溶液中の溶媒の飽和蒸気圧下で行うことを特徴とする請求項5に記載の活性評価方法。

【請求項7】
導電性の基材表面に高分散触媒層が形成され、該触媒層の表面がイオノマーで被覆された電極触媒の活性評価用試験電極であって、
前記触媒層は、触媒粒子又はその一次凝集体がほぼ単層に配列されて形成されたものであることを特徴とする触媒の活性評価用試験電極。

【請求項8】
前記高分散触媒層は、高分散触媒が親水性有機溶媒又はその水溶液であって水より表面張力の小さい液に分散された分散液を塗布・乾燥して形成されたものであることを特徴とする請求項7に記載の触媒の活性評価用試験電極。

【請求項9】
前記高分散触媒層は、前記分散液を基材表面に45~57μL/cm塗布して形成されたものであることを特徴とする請求項7又は8に記載の触媒の活性評価用試験電極。

【請求項10】
前記高分散触媒層は、前記塗布された分散液中の分散媒の飽和蒸気圧下で乾燥して形成されたものであることを特徴とする請求項7から9のいずれかに記載の活性評価用試験電極。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2005034200thum.jpg
出願権利状態 登録
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