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燃料電池のアノード用触媒、アノード及び燃料電池 NEW

国内特許コード P170014206
整理番号 (S2015-1988-N27)
掲載日 2017年6月14日
出願番号 特願2016-166778
公開番号 特開2017-042759
出願日 平成28年8月29日(2016.8.29)
公開日 平成29年3月2日(2017.3.2)
優先権データ
  • 特願2015-168194 (2015.8.27) JP
発明者
  • 内田 裕之
  • 矢野 啓
  • 渡辺 政廣
出願人
  • 国立大学法人山梨大学
発明の名称 燃料電池のアノード用触媒、アノード及び燃料電池 NEW
発明の概要 【課題】白金の使用量を低減しつつ、高いHOR活性、CO耐性及び酸化耐性を実現する燃料電池のアノード用触媒を提供。
【解決手段】白金及び遷移金属の合金からなる合金粒子の表面に1から2原子層の白金スキン層を備える燃料電池のアノード用触媒であって、遷移金属は、鉄、コバルト、ニッケルなどであり、白金との合金粒子の状態において、その表面上に白金原子からなる1から2原子層、特に2原子層であることが好ましい、の白金スキン層を備えることによって、燃料電池としての性能が向上するアノード用触媒。遷移金属が鉄又はコバルトであり、合金粒子中の遷移金属の原子組成が10~80%、好ましくは25~60%である燃料電池のアノード用触媒。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要


燃料電池自動車(FCV)や(水素ステーション等の)定置用に用いられる固体高分子形燃料電池(PEFC)の作動温度は、一般的に室温から約100℃であり、燃料極(アノード)では水素酸化反応(HOR)「H→2H+2e」が進行する。そして、室温から約100℃の温度域でのHOR活性(比活性:触媒の実作動面積当たりの電流密度)が最も高く、強酸性の高分子電解質膜に対する耐蝕性を有する触媒材料として、純白金(Pt)が広く知られている。



例えば、高純度の水素を燃料とするFCVの燃料電池のアノード用触媒としては、粒径約2~4nmの白金微粒子を炭素担体に高分散したPt/C触媒が広く用いられている。しかし、白金は不純物に対する被毒耐性が低いため、燃料ガス中の水素純度に対する基準が厳しくなっている。例えば、一酸化炭素(CO)は0.2ppm以下まで精製する必要があり、これにより燃料水素ガスの価格が高くなっている。また、このような高純度の水素を燃料として用いる場合の白金使用量は電極幾何面積当たり0.01~0.05mg/cm程度を要している。



他方、定置用では、都市ガスやプロパンガス等の炭化水素ガスを改質した燃料ガス中にFCVの燃料ガスよりも多くのCOが含まれるため、アノード用触媒としてCO耐性の低い純白金は使用できない。そこで、多くの場合、比較的高いCO耐性を有するPt-Ru(白金とルテニウムの合金)、具体的には、粒径約2~5nmのPt-Ru金属微粒子を炭素担体に高分散したPt-Ru/C触媒が用いられている。しかし、純水素中でのHOR活性は、純白金の約70~80%まで低下する。そして、燃料ガス中に含まれる水素の純度がFCVと比べて低いので、Pt-Ruの使用量は電極幾何面積当たり0.4~0.5mg/cm程度となる。また、白金は値段が高く資源量が限られているので、なるべく白金の使用量を低減させることが望まれている。



そこで、白金の使用量を低減させつつCO耐性を向上させるべく、白金と他の金属の合金をアノード用触媒として利用する技術が知られている。



例えば、特許文献1では、炭素材料からなる担体と、これに担持された白金及びルテニウムとを含有し、優れた一酸化炭素耐性を有するPt-Ru/C触媒及びその製造方法が開示されている。

産業上の利用分野


本発明は、燃料電池のアノード用触媒、アノード及び燃料電池に関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
白金及び遷移金属の合金からなる合金粒子の表面に1から2原子層の白金スキン層を備える燃料電池のアノード用触媒。

【請求項2】
前記白金スキン層が2原子層である、
請求項1に記載の燃料電池のアノード用触媒。

【請求項3】
前記遷移金属は、鉄、コバルト、ニッケル、マンガン、クロム、バナジウム、チタン、ニオブ、モリブデン、鉛、タングステンから選ばれる少なくとも1種を含む、
請求項1又は請求項2に記載の燃料電池のアノード用触媒。

【請求項4】
前記遷移金属は、鉄又はコバルトである、
請求項3に記載の燃料電池のアノード用触媒。

【請求項5】
前記遷移金属は、鉄又はコバルトであり、
前記遷移金属の前記合金粒子における原子組成百分率が10%~80%である、
請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池のアノード用触媒。

【請求項6】
前記原子組成百分率が25%~60%である、
請求項4に記載の燃料電池のアノード用触媒。

【請求項7】
前記原子組成百分率が50%である、
請求項4に記載の燃料電池のアノード用触媒。

【請求項8】
前記燃料電池のアノード用触媒は、担体に担持された担持触媒である、
請求項1~請求項7のいずれか1項に記載の燃料電池のアノード用触媒。

【請求項9】
前記担体は、カーボンブラック、アモルファスカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、酸化錫、酸化チタンから選ばれる少なくとも1種を含む、
請求項8に記載の燃料電池のアノード用触媒。

【請求項10】
請求項1~請求項9のいずれか1項に記載の燃料電池のアノード用触媒を備えるアノード。

【請求項11】
請求項10のアノードを備える燃料電池。

【請求項12】
白金及び遷移金属の合金からなる合金粒子の表面に1から2原子層の白金スキン層を有する触媒がアノード側に備えられたことを特徴とする燃料電池。

【請求項13】
前記白金スキン層が2原子層である、
請求項12に記載の燃料電池。

【請求項14】
前記遷移金属は、鉄又はコバルトである、
請求項12又は請求項13のいずれかに記載の燃料電池。

【請求項15】
前記遷移金属の前記合金粒子における原子組成百分率が10%~80%である、
請求項14に記載の燃料電池。

【請求項16】
前記原子組成百分率が25%~60%である、
請求項14に記載の燃料電池。

【請求項17】
前記原子組成百分率が50%である、
請求項14に記載の燃料電池。

【請求項18】
前記燃料電池は、前記燃料電池の停止中に前記アノードに空気が流入可能な態様で構成される、
請求項12~請求項17のいずれか1項に記載の燃料電池。

【請求項19】
前記燃料電池は、燃料電池自動車(FCV)に搭載されるものであり、
前記触媒は、CO濃度が0.2ppm以上の燃料ガスを許容可能に構成される、
請求項12~請求項18のいずれか1項に記載の燃料電池。

【請求項20】
前記燃料ガスのCO濃度が0.2ppm以上、10ppm以下である、
請求項19に記載の燃料電池。

【請求項21】
燃料電池自動車(FCV)用の燃料電池であって、
白金及び遷移金属の合金からなる合金粒子の表面に1から2原子層の白金スキン層を有する触媒を備え、
前記遷移金属は、鉄又はコバルトであり、
前記触媒は、CO濃度が0.2ppm以上の燃料ガスを許容可能に構成される燃料電池。

【請求項22】
前記燃料ガスのCO濃度が0.2ppm以上、10ppm以下である、
請求項21に記載の燃料電池。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2016166778thum.jpg
出願権利状態 公開
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