(57)【要約】  担持触媒を形成する方法であって、その方法は、溶媒中に白金−鉄触媒ナノ粒子のコロイド懸濁液を形成する工程と、触媒ナノ粒子の少なくとも一部分を担持粒子上に付着する工程と、付着した触媒ナノ粒子から鉄の少なくとも一部分を除去する工程とを含む。
2009543681.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
担持触媒を形成する方法であって、前記方法が、
溶媒中に、白金及び鉄を含む触媒ナノ粒子のコロイド懸濁液を形成する工程と、
前記触媒ナノ粒子の少なくとも一部分を担持粒子上に付着する工程と、
前記付着した触媒ナノ粒子から前記鉄の少なくとも一部分を除去する工程、とを含む、方法。
【請求項２】
前記付着した触媒ナノ粒子から前記鉄の一部分を除去する工程が、前記溶媒中の前記鉄の溶解度条件を変更し、それによって前記触媒ナノ粒子から前記鉄の一部分を浸出させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記溶媒中の前記鉄の前記溶解度条件を変更することが、前記溶媒のｐＨを下げることを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記溶媒中の前記鉄の前記溶解度条件を変更することが、前記溶媒に電位を印加することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記付着した触媒ナノ粒子の少なくとも一部分が、前記鉄の除去後に多孔質である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記触媒ナノ粒子が、前記鉄の除去後に約２ナノメートル以下の平均粒径を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記白金が、前記コロイド懸濁液中の前記触媒ナノ粒子の少なくとも約５０モル％を構成する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記コロイド懸濁液を形成することが、白金含有ハロゲン及び鉄含有ハロゲンを前記溶媒中で混合することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
担持触媒を形成する方法であって、前記方法が、
少なくとも約５のｐＨを有する溶媒中に、白金及び鉄を含む触媒ナノ粒子のコロイド懸濁液を形成する工程と、
担持粒子を前記コロイド懸濁液に導入する工程と、
前記触媒ナノ粒子の少なくとも一部分を前記担持粒子上に付着する工程と、
前記溶媒の前記ｐＨを下げて、前記付着した触媒ナノ粒子から前記鉄の少なくとも一部分を除去する工程、とを含む、方法。
【請求項１０】
前記触媒ナノ粒子の前記一部分を付着する工程と前記溶媒の前記ｐＨを下げる工程が、実質的に同時に実行される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記溶媒に電位を印加することを更に含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記付着した触媒ナノ粒子から前記溶媒を除去することを更に含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記白金が、前記コロイド懸濁液中の前記触媒ナノ粒子の少なくとも約５０モル％を構成する、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記コロイド懸濁液を形成する工程が、白金含有ハロゲン及び鉄含有ハロゲンを前記溶媒中で混合する工程を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
燃料電池を形成する方法であって、前記方法が、
溶媒中に、白金及び鉄を含む触媒ナノ粒子のコロイド懸濁液を形成する工程と、
前記触媒ナノ粒子の少なくとも一部分を担持粒子上に付着する工程と、
前記付着した触媒ナノ粒子から前記鉄の少なくとも一部分を除去し、それによって担持触媒を形成する工程と、
前記担持触媒を前記燃料電池の層の上にコーティングする工程と、
前記担持触媒を乾燥する工程、とを含む、方法。
【請求項１６】
前記付着した触媒ナノ粒子から前記鉄の前記一部分を除去する工程が、前記溶媒のｐＨを下げ、それによって前記付着した触媒ナノ粒子から前記溶媒の中へ前記鉄の前記一部分を浸出させる工程を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記付着した触媒ナノ粒子の少なくとも一部分が、前記鉄の除去後に多孔質である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記燃料電池の前記層が、ガス拡散層及びポリマー電解質膜からなる群から選択される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記触媒ナノ粒子が、前記鉄の除去後に約２ナノメートル以下の平均粒径を有する、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記触媒ナノ粒子が、前記鉄の除去後に約０．５ナノメートル以下の粒径の標準偏差を有する、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のような電気化学装置中に使用するための触媒に関する。特に、本発明は、良好な触媒活性を有する担持ナノ粒子触媒を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素のような燃料と酸素のような酸化剤との触媒作用を及ぼす組み合わせによって使用可能な電気を生成する電気化学装置である。例えば、内燃機関発電機のような従来の発電装置とは対照的に、燃料電池は燃焼を利用しない。そのため燃料電池は有害排出物をほとんど発生しない。燃料電池は、水素燃料及び酸素を直接に電気に変換し、内燃機関発電機と比べてより高い効率で動作することができる。
【０００３】
プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池のような燃料電池は典型的に、１対の触媒層間に配置される電解質膜によって形成される膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含有し、その触媒層は１対のガス拡散層間に対応して配置される。電解質膜のそれぞれの側面は、アノード部分及びカソード部分と呼ばれる。典型的なＰＥＭ燃料電池では、水素燃料はアノード部分に導入され、そこで水素が反応してプロトン及び電子に分離する。電解質膜は、プロトンをカソード部分まで運び、一方で電子の流れが外部回路を通ってカソード部分まで移動できるようにして電力を提供する。酸素がカソード部分に導入されてプロトン及び電子と反応して水及び熱を形成する。
【０００４】
ＰＥＭ燃料電池の商業用途における一般的な障害は、触媒層の性能である。触媒層は典型的には、触媒粒子（例えば、白金粒子）を包含し、触媒粒子の表面積に依存する触媒活性を有する。そのため、燃料電池の中で所望の動作電圧を実現するために、広表面積を有する触媒粒子への継続的要求、並びにこうした触媒粒子を形成する方法への継続的要求が存在する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、良好な触媒活性を有する担持触媒を形成する方法に関する。方法は、白金−鉄触媒ナノ粒子のコロイド懸濁液を形成する工程と、触媒ナノ粒子の少なくとも一部分を担持粒子上に付着する工程と、付着した触媒ナノ粒子から鉄の少なくとも一部分を除去する工程とを包含する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】担持触媒を形成するための方法のフローダイヤグラム。
【図２】担持触媒を含有する燃料電池を形成するための方法のフローダイヤグラム。
【図３】担持触媒を含有するＭＥＡ及び比較のＭＥＡについての動電位分極曲線を表すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
上記の図面は本発明のいくつかの実施形態を説明するが、考察において述べたように、他の実施形態もまた企図される。すべての場合において、本開示は、代表例によって本発明を表しているが、限定を意味するものではない。多数の他の修正及び実施形態が当業者によって考案でき、それらは本発明の原理の範囲及び趣旨の範囲内にあると理解すべきである。図面は縮尺通りに描かれていない場合がある。図面全体を通して、類似の部分を表すために類似の参照番号が使用されている。
【０００８】
図１は、多様な工業的触媒プロセスにおいて使用される場合がある担持触媒を形成するための方法１０のフローダイヤグラムである。方法１０は、工程１２〜２０を包含し、初めに、保護されていない触媒ナノ粒子のコロイド懸濁液を溶媒中に形成することを伴い、その場合触媒ナノ粒子は、白金（Ｐｔ）及び鉄（Ｆｅ）を包含する（工程１２）。コロイド懸濁液は、当初、白金含有ハロゲン及び鉄含有ハロゲンを溶媒中で混合することにより形成される。結果として生じた混合物のｐＨは、次に、塩基性化合物（例えば、水酸化ナトリウム）を混合物中に、制御された速度で導入することにより上昇される。コロイド懸濁液を形成するために好適なｐＨレベルの例には、少なくとも約５のｐＨが含まれ、特に好適なｐＨには少なくとも約７が含まれ、更により特に好適なｐＨには少なくとも約１０が含まれる。上昇されたｐＨは、白金及び鉄をハロゲンから解離させ、白金及び鉄粒子が共に結合して触媒ナノ粒子を形成できるようにする。ｐＨが上昇するのに従って、約１１〜１２のｐＨに到達するまでは、混合物は不透明な白色になる。この時点で、混合物は透明な黄色になる。
【０００９】
ｐＨが上昇した後、混合物は次に加熱されて、触媒ナノ粒子を、保護剤（例えば、界面活性剤、ポリマー、及び有機配位子）を使用せずに溶媒中に分散する。好適な加熱温度の例には、少なくとも約１５０℃の温度が含まれ、特に好適な温度としては少なくとも約１９０℃が含まれる。加熱後、結果として生じたコロイド懸濁液は透明な暗褐色になり、これは触媒ナノ粒子が溶媒中に均質に分散していることを示している。
【００１０】
担持粒子が次にコロイド懸濁液中に導入され及び混合される（工程１４）。担持粒子は、表面積を増加し、粒塊を壊すために予備剪断されてもよい。担持粒子がコロイド懸濁液中に混合された後、触媒ナノ粒子の少なくとも一部分が、次に担持粒子上に付着される（工程１６）。これは、溶媒中の触媒ナノ粒子の安定性を変更することにより実行される。１つの実施形態では、安定性は、コロイド懸濁液のｐＨを制御された速度で低下することにより変更され、これは触媒ナノ粒子の一部分を濃縮して担持粒子の外側表面に結合させる。コロイド懸濁液のｐＨは、酸性化合物（例えば、硝酸）をコロイド懸濁液中に制御された速度で導入することにより低下されてもよい。触媒ナノ粒子を担持粒子上に付着するために好適なｐＨレベルの例には、約５未満のｐＨが含まれる。
【００１１】
鉄の少なくとも一部分が次に、付着した触媒ナノ粒子から除去される（工程１８）。鉄の除去は、溶媒中の鉄の溶解度を変更することにより実行され、これは付着した触媒ナノ粒子から鉄を浸出させる。１つの実施形態では、鉄の溶解度は、コロイド懸濁液のｐＨを下げることにより変更される。触媒ナノ粒子を担持粒子上に付着するためにコロイド懸濁液のｐＨが下げられるとき、結果として、下げられたｐＨはまた、実質的に同時発生方式で、触媒ナノ粒子から鉄を浸出させる。触媒ナノ粒子が担持粒子上に付着した後、鉄は触媒ナノ粒子から浸出し続け、結果として生じた触媒ナノ粒子を少なくとも部分的に多孔質にする。これは、特に触媒ナノ粒子と担持粒子との間の境界面での、触媒ナノ粒子の白金部分の露出表面積を増加する。この白金部分の増加した露出表面積は、結果として生じた担持触媒の触媒活性を対応して増加する。
【００１２】
代替的実施形態では、鉄の溶解度は、触媒ナノ粒子が担持粒子上になった後で、コロイド懸濁液の溶媒に電位を印加することにより変更される。電位はまた、触媒ナノ粒子から鉄の少なくとも一部分を浸出させ、それによって触媒ナノ粒子の白金部分の露出表面積を増加する。更に、コロイド懸濁液のｐＨを低下することと組み合わせて、コロイド懸濁液の溶媒に電位が印加されて、触媒ナノ粒子から鉄を浸出させてもよい。
【００１３】
触媒ナノ粒子から除去された鉄の量は、初期鉄濃度及び溶解度変更条件への暴露持続時間に一般に依存する。触媒ナノ粒子から除去された鉄の好適な量の例には、触媒ナノ粒子中の初期鉄濃度の少なくとも約５０％が含まれ、除去された鉄の特に好適な量には、初期鉄濃度の少なくとも約７５％が挙げられる。１つの実施形態では、方法１０の形成プロセス中に幾らかの鉄が触媒ナノ粒子中に残り、これは、残留する鉄を触媒促進剤として機能できるようにする。
【００１４】
鉄を除去した後、乾燥工程において溶媒が除去され（工程２０）、それによって担持触媒を提供する。結果として生じた担持触媒は、粒径の低標準偏差の小さい平均粒径を有する触媒ナノ粒子を包含する。担持触媒中の触媒ナノ粒子の好適な平均粒径の例には、鉄の除去後、約０．５ナノメートル以下の好適な標準偏差を有する、約２．０ナノメートル以下の粒径が挙げられる。方法１０に従って形成された担持触媒は、水素添加、ヒドロシリル化、及び石油精製のような多様な工業的触媒プロセス中に使用するために好適である。更に担持触媒は、ＰＥＭ燃料電池のような電気化学装置の触媒層中に使用するために特に好適である。触媒ナノ粒子の増加した表面積は、担持触媒の触媒活性を対応して増加し、それによって達成可能な動作電圧を増加する。
【００１５】
図２は、担持触媒を含有する燃料電池を形成するための方法２２のフローダイヤグラムである。方法２２は、工程２４〜３６を包含し、その場合工程２４〜３０は、方法１０の工程１２〜１８（図１に示され及び上述されている）と同じである。触媒ナノ粒子から鉄の少なくとも一部分が除去された（工程３０）後、結果として生じた担持触媒は次に、触媒インクを形成するために使用される（工程３２）。触媒インクは、担持触媒を、担体流体（例えば、水）及びポリマー溶液、例えばデラウェア州ウィルミントン（Wilmington）のデュポン・ケミカルズ（DuPont Chemicals）から取引表記「ナフィオン１１００（NAFION 1100）」により市販されている、１０％スルホン化テトラフルオロエチレンコポリマー溶液と組み合わせることにより形成される。組み合わされた構成成分は混合されて沸騰まで加熱され、次いで室温まで冷却される。
【００１６】
触媒インクは次に、燃料電池又は他の電気化学装置の層の上にコーティングされる（工程３４）。１つの実施形態では、燃料電池層はガス拡散層である。代替的実施形態では、燃料電池層はポリマー電解質膜である。いずれの実施形態においても、担持触媒は、アノード触媒層、カソード触媒層、又はアノード及びカソード触媒層の組み合わせとして機能するようにコーティングされてもよい。担持触媒は、燃料電池層の上に、押出コーティング、ナイフコーティング、ノッチコーティング、及びハンドコーティングのような多様な方式でコーティングされてもよい。
【００１７】
１つの実施形態では、燃料電池層は、疎水性について処理されるガス拡散層（例えば、炭素紙）であり、ガス拡散層と触媒インクとの間の結合を高めるために、導電性物質（例えば、カーボンブラック）により予備コーティングされている。この実施形態では、触媒インクは、導電性物質の層の上にコーティングされて、燃料電池のための触媒層として機能する。
【００１８】
ひとたび、触媒インクが燃料電池層の上にコーティングされたら、触媒インク及び燃料電池層は乾燥される（工程３６）。結果として生じた触媒コーティングされた層は次に、更なる層と共に組み立てられて燃料電池を形成する。例えば、触媒インクがガス拡散層にコーティングされる実施形態では、コーティングされたガス拡散層は次に、触媒インクのコーティングが、ガス拡散層とポリマー電解質膜との間に配置されるようにＰＥＭに固定される。動作中、触媒インクの担持触媒は、水素又は改質ガスが反応してプロトン及び電子に分離する第１触媒部位（即ち、アノード触媒層）を提供し、及び／又は酸素が電子及びプロトンと反応して水及び熱を形成する第２触媒部位（即ちカソード触媒層）を提供する。白金ナノ粒子の小さい粒径及び増加した露出表面積は、担持触媒の触媒活性を増加し、それによって燃料電池の達成可能な動作電圧を増加する。
【００１９】
上述のように、コロイド懸濁液は、方法１０及び２２の工程１２及び２４において、当初、白金含有ハロゲン及び鉄含有ハロゲンを溶媒中で混合することにより形成される。好適な白金含有ハロゲンの例には、白金系塩化物、例えばヘキサクロロ白金酸（Ｈ２ＰｔＣｌ６）、塩化白金（例えば、ＰｔＣｌ２及びＰｔ６Ｃｌ１２）、それらの水和化合物、及びこれらの組み合わせが挙げられる。好適な鉄含有ハロゲンの例には、鉄系塩化物、例えば三塩化鉄（ＦｅＣｌ３）、及びそれらの水和化合物が挙げられる。コロイド懸濁液の触媒ナノ粒子中の白金の好適なモル濃度の例には、少なくとも約５０％の白金が含まれ、特に好適なモル濃度には、約５０％〜約７５％の範囲が含まれ、その場合残りの濃度は鉄を構成する。
【００２０】
コロイド懸濁液の好適な溶媒の例には、ポリアルコール、例えばアルキレングリコールが挙げられ、特に好適なアルキレングリコールには、エチレングリコール、プロピレングリコール、及びこれらの組み合わせが挙げられる。溶媒にはまた、水及び低分子量アルコール（例えば、イソプロパノール）を含まれてよく、その場合ポリアルコールは、望ましくは溶媒の少なくとも約７５重量％を構成し、より望ましくは溶媒の少なくとも約９０重量％を構成する。
【００２１】
好適な担持粒子の例には、多孔質物質、例として、炭素粒子（例えば、カーボンブラック）、シリカ粒子、ジルコニア粒子、金属酸化物粒子、及びこれらの組み合わせが挙げられる。好適な炭素担持粒子の例には、テキサス州ヒューストン（Houston）のシェブロン・テキサコ社（Chevron Texaco Corp.）から取引表記「ショーＣ−５５（SHAW C-55）」により市販されるもの、並びに双方がマサチューセッツ州ウォルサム（Waltham）のキャボット社（Cabot Corp.）からの「バルカンＸＣ−７２（VULCAN XC-72）」及び「ブラックパール２０００（BLACK PEARL 2000）」が挙げられる。
【実施例】
【００２２】
本発明の範囲内での多数の修正及び変形が当業者には明らかとなるため、例示のみを目的とした次の実施例において、本発明は、更に詳しく記載される。特に断りのない限り、次の実施例で報告されたすべての部、百分率、及び比は重量基準であり、並びに実施例で使用されたすべての試薬は、以下に記載された化学薬品供給元から得られるか若しくは入手可能であるか、又は従来の技術により合成されてもよい。
【００２３】
実施例１
実施例１のＭＥＡは、これはアノード触媒層として本発明の担持触媒を包含したが、次の手順に従って調製された：
１．担持触媒の調製
担持触媒は、塩化鉄六水和物（ＦｅＣｌ３＊６Ｈ２Ｏ）の０．５８グラム（２．２ミリモル）、ヘキサクロロ白金酸溶液（Ｈ２ＰｔＣｌ６＊ｘＨ２Ｏ）の１．０グラム（２．２ミリモル）、及びエチレングリコールの２００グラムを初めに組み合わせることにより調製された。組み合わされた構成成分は、次に２５０ミリリットルのフラスコの中で１５分間混合されて、当初の、１：１の白金対鉄（Ｐｔ−Ｆｅ）モル比を含有したグリコール混合物を形成した。
【００２４】
１５分間の混合期間後、グリコール混合物が連続攪拌されている間に、水酸化ナトリウム溶液（エチレングリコール中２．５重量％水酸化ナトリウム）の４８．０グラムが滴下方式で添加された。これは、グリコール混合物のｐＨを上昇させ、ｐＨが１０〜１１に達したときにグリコール混合物は不透明な白色になり、次いでｐＨが１１〜１２に達したときに透明な黄色になった。結果として生じた混合物は次に室温で２時間攪拌され、その後油浴中で１９０℃で３〜５時間、窒素パージと共に加熱された。結果として生じたコロイド懸濁液は、透明な暗褐色を示した。
【００２５】
小さい広口瓶が、カーボンブラック担持粒子（マサチューセッツ州ウォルサム（Waltham）のキャボット社（Cabot Corp.）から「バルカンＸＣ−７２（VULCAN XC-72）」と取引表記されたカーボンブラック）の０．９５グラム及びエチレングリコールの２５グラムにより充填された。担持粒子混合物は次に、３０，０００ｒｐｍで２分間、機械的ホモジナイザー（ニューヨーク州ガーディナー（Gardiner）のビルティス社（VirTis Company）から「ハンディシアー（HANDISHEAR）」と取引表記されたホモジナイザー）により剪断された。剪断された担持粒子混合物は次に、コロイド懸濁液の２４２．０グラムを含有する別の広口瓶の中に移された。組み合わされたコロイド懸濁液は次に、機械的ホモジナイザーにより更に２０秒間剪断された。
【００２６】
剪断後、硝酸（ＨＮＯ３）の５ミリリットル（１．８６モル）が、組み合わされたコロイド懸濁液に攪拌しながら漸増式に添加されて、組み合わされた混合物のｐＨを４〜５に低下した。組み合わされたコロイド懸濁液は次に一晩攪拌された。これは、コロイド懸濁液の触媒ナノ粒子を担持粒子上に付着させ、また鉄の安定性を変更して、触媒ナノ粒子からの鉄の浸出を始めさせた。攪拌期間後、硝酸の１０ミリリットルが次に攪拌しながら漸増式に添加され、組み合わされたコロイド懸濁液が次に更に１時間攪拌された。これは更に鉄の安定性を変更して、付着した触媒ナノ粒子から鉄の更なる部分を浸出させた。
【００２７】
１時間後、脱イオン水の２００ミリリットルが、組み合わされたコロイド懸濁液に添加され、組み合わされたコロイド懸濁液は濾過されて多量の脱イオン水により洗浄された。結果として生じた湿潤触媒濾塊は次に、真空下１１０℃で一晩乾燥された。結果として生じた担持触媒の組成は、添加された塩化鉄六水和物、ヘキサクロロ白金酸溶液、及びカーボンブラックの量に基づいて約３０重量％の白金を包含すると見積もられた。
【００２８】
２．触媒インクの調製
担持触媒は次に、次の手順に従って触媒インクを調製するために使用された。担持触媒の１．０グラム、水の４．０グラム、及び１０％ＰＦＳＡ溶液（デラウェア州ウィルミントン（Wilmington）のデュポン・ケミカルズ（DuPont Chemicals）から取引表記「ナフィオン１１００（NAFION 1100）」により市販されている、酸形態溶液中の１０％ペルフルオロスルホン酸／ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）コポリマー）の４．０グラムを組み合わせ、構成成分を広口瓶の中で混合することにより、混合物が調製された。混合物は次に、３０，０００ｒｐｍで５分間、機械的ホモジナイザーにより剪断された。混合物は次に、３８℃（１００°Ｆ）に３０分間加熱され、次いで冷却された。
【００２９】
３．触媒コーティングされたガス拡散層の調製
調製後、触媒インクは、次の手順に従って、実施例１のＭＥＡの触媒コーティングされたガス拡散層を形成するために使用された。ガス拡散層は、初めに炭素紙（日本、東京（Tokyo）の東レ株式会社（Toray Industries, Inc.）から取引表記「東レ２９０３（TORAY 2903）」により市販されている２７５マイクロメートル厚さの炭素紙）の５０ｃｍ２片を、５％ＰＴＦＥ分散（デラウェア州ウィルミントン（Wilmington）のデュポン・ケミカルズ（DuPont Chemicals）から取引表記「テフロン（登録商標）（TEFLON）」カタログ番号Ｔ−３０により市販されている、希釈された６０％ポリテトラフルオロエチレン水性分散）の中に浸漬すること、その後、浸漬された炭素紙は水分蒸発のため５０〜６０℃の熱風炉で乾燥することにより、調製された。
【００３０】
ガス拡散層は次に、カーボンブラック分散により、次の手順に従って予備コーティングされた。カーボンブラック粒子（マサチューセッツ州ウォルサム（Waltham）のキャボット社（Cabot Corp.）から「バルカンＸＣ−７２（VULCAN XC-72）」と取引表記されたカーボンブラック）の水性分散が、７．６センチメートルブレード装備のロート（Roth）ミキサーを４，５００ｒｐｍで使用して高剪断攪拌下で調製された。別の容器中で、５％ＰＴＦＥ分散の更なるバッチが調製され、カーボンブラック分散が次に５％ＰＴＦＥ分散に攪拌しながら添加された。
【００３１】
得られた混合物は、真空下で濾過されて、水、ＰＴＦＥ、及びカーボンブラックのおよそ２０％固体混合物である保持液を得た。ペースト状混合物は次に、およそ３．５重量％の界面活性剤（コネティカット州ダンベリー（Danbury）のユニオンカーバイド社（Union Carbide Corp.）から「トリトンＸ−１００（TRITON X-100）」と取引表記されている）により処理され、その後イソプロピルアルコールを、イソプロピルアルコールとペースト状混合物との重量比率が１．２：１となるように添加された。希釈された混合物は、８０ｒｐｍのアンカーブレード、７０００ｒｐｍの分散攪拌機（dispersator）、及び５０００ｒｐｍのローター−ステーター乳化装置を有する３枚ブレードのベルサミキサー（VersaMixer）を使用して、１０℃で５０分間、高剪断で再び攪拌された。
【００３２】
得られた分散体は次に、乾燥したガス拡散層上に、ノッチバーコーターを使用しておよそ０．０５０ミリメートルの湿潤厚さでコーティングされた。この分散体は次に、２３℃で一晩乾燥されてイソプロピルアルコールを除去し、次いでオーブン中で３８０℃で１０分間乾燥された。これは、約０．０２５ミリメートルの厚さ及び約２５ｇ／ｍ２の坪量（カーボンブラック＋ＰＴＦＥ）を有する予備コーティングされたガス拡散層を生成した。予備コーティングされたガス拡散層は次に、乾燥後１平方センチメートル当たり白金の０．４ミリグラム（＋触媒ナノ粒子中に残留するいずれかの鉄）を生成する量で担持触媒を含有する触媒インクによりハンドコーティングされた（即ち、はけ塗りされた）。コーティングされたガス拡散層は次に、真空オーブン中で１１０℃で３０分間乾燥されて、触媒コーティングされたガス拡散層を形成した。
【００３３】
４．ＰＥＭ及びＭＥＡの調製
実施例１のＭＥＡのＰＥＭは、上述の１０％ＰＦＳＡ溶液の水性分散を、最終的な乾燥したフィルムがおよそ２５マイクロメートルの厚さであるような装填により、ポリ塩化ビニル下塗りポリエチレンテレフタレートの裏材（ミネソタ州セントポール（St. Paul）の３Ｍ社（3M Corporation））上にノッチコーティングすることにより調製された。キャストフィルムは、最初に乾燥オーブンに５０℃〜６０℃で通され（３〜４分の滞留時間により）、次いで空気衝突オーブン中で１３０℃で４分間乾燥されて、溶媒の残りを除去してＰＦＳＡフィルムをアニールした。乾燥したフィルムは次に、その後の使用のために裏材から剥離された。
【００３４】
ＰＥＭは次に、上記のようにして形成された触媒コーティングされたガス拡散層（カソード部分）と、第２の触媒コーティングされたガス拡散層（アノード部分との間に挟まれたが、その場合第２の触媒コーティングされたガス拡散層は、標準的な白金−ルテニウム／カーボンブラック触媒を含有した。ガス拡散層は、触媒コーティングがＰＥＭに面するように配向された。テフロン（登録商標）（TEFLON）コーティングされたガラス繊維のガスケットがまた各側に設置された。触媒コーティングされたガス拡散層は、表面積がＰＥＭより小さく、各々が、それぞれのガスケットのウィンドウの中に適合した。ガスケットの厚みの高さは、触媒コーティングされたガス拡散層の高さの７０％であり、ＭＥＡアセンブリ全体が押し付けられたとき、触媒コーティングされたガス拡散層の３０％の圧縮が可能であった。ＭＥＡアセンブリは、カーバー・プレス（Carver Press）（インディアナ州ウォバシュ（Wabash）のフレッド・カーバー社（Fred Carver Co.））の中で２．８メガパスカル（即ち、０．２０トン／インチ２）の圧力及び１３０℃の温度で１０分間押し付けられた。ポリイミドシートは、次に剥離されて、アノード触媒層として担持触媒を含有する、実施例１の完成した５層のＭＥＡを残した。
【００３５】
実施例２
実施例２のＭＥＡは、担持触媒が、塩化鉄六水和物の０．３６グラム（１．３ミリモル）、ヘキサクロロ白金酸溶液の１．０グラム（２．２ミリモル）、及びエチレングリコールの２００グラムを初めに組み合わせることにより調製されたことを除いて、実施例１について上述の手順に従って調製された。組み合わされた構成成分は次に２５０ミリリットルのフラスコの中で１５分間混合されて、当初の、約２：１の白金対鉄（Ｐｔ−Ｆｅ）モル比を含有したグリコール混合物を形成した。
【００３６】
実施例３
実施例３のＭＥＡは、予備コーティングされたガス拡散層が、１平方センチメートル当たり白金の０．２４ミリグラム（＋触媒ナノ粒子中に残留するいずれかの鉄）を生成する量で担持触媒を含有する触媒インクによりハンドコーティングされた（即ち、はけ塗りされた）ことを除いて、実施例２について上述の手順に従って調製された。そのため、実施例３のＭＥＡのアノード触媒層は、実施例２のＭＥＡのアノード触媒層と比べて担持触媒のより少量を含有した。
【００３７】
比較例Ａ
比較例ＡのＭＥＡは、担持触媒の触媒ナノ粒子から鉄が除去されないことを除いて、実施例２の手順と同様の次の手順に従って調製された。担持触媒は、当初、塩化鉄六水和物の０．３６グラム（１．３ミリモル）、ヘキサクロロ白金酸溶液の１．０グラム（２．２ミリモル）、及びエチレングリコールの２００グラムを組み合わせることにより調製された。組み合わされた構成成分は、次に２５０ミリリットルのフラスコの中で１５分間混合されて、約２：１の初期白金対鉄（Ｐｔ−Ｆｅ）モル比を含有したグリコール混合物を形成した。
【００３８】
１５分間の混合期間後、グリコール混合物が連続攪拌される間に、水酸化ナトリウム溶液（エチレングリコール中２．５重量％の水酸化ナトリウム）の４８．０グラムが滴下方式で添加された。これは、グリコール混合物のｐＨを上げ、ｐＨが１０〜１１に達したときにグリコール混合物は不透明な白色になり、次いでｐＨが１１〜１２に達したときに透明な黄色になった。結果として生じた混合物は、次に室温で２時間攪拌され、次いで油浴中、１９０℃で３〜５時間、窒素パージと共に加熱された。結果として生じたコロイド懸濁液は、沈殿物が存在せず、透明な暗褐色を示した。
【００３９】
小さい広口瓶が次に、カーボンブラック担持粒子（マサチューセッツ州ウォルサム（Waltham）のキャボット社（Cabot Corp.）から「バルカンＸＣ−７２（VULCAN XC-72）」と取引表記されたカーボンブラック）の０．９５グラム及びエチレングリコールの２５グラムにより充填された。担持粒子混合物は次に、３０，０００ｒｐｍで２分間、機械的ホモジナイザー（ニューヨーク州ガーディナー（Gardiner）のビルティス社（VirTis Company）から「ハンディシアー（HANDISHEAR）」と取引表記されたホモジナイザー）により剪断された。剪断された担持粒子混合物は次に、コロイド懸濁液の２４２．０グラムを含有する別の広口瓶の中に移された。組み合わされたコロイド懸濁液は次に、機械的ホモジナイザーにより更に２０秒間剪断された。
【００４０】
剪断後、組み合わされたコロイド懸濁液は次に一晩攪拌されて、コロイド懸濁液の触媒ナノ粒子が担持粒子上に付着できるようにした。しかしながら、鉄の安定性が変更されていないため、触媒ナノ粒子から鉄は浸出しなかった。攪拌後、脱イオン水の２００ミリリットルが、次に、組み合わされたコロイド懸濁液に添加され、組み合わされたコロイド懸濁液は濾過されて、多量の脱イオン水により洗浄された。結果として生じた湿潤触媒濾塊は次に、真空下１１０℃で一晩乾燥された。結果として生じた担持触媒の組成は、添加された、塩化鉄六水和物、ヘキサクロロ白金酸溶液、及びカーボンブラックの量に基づいて約３０重量％の白金を含むと見積もられた。
【００４１】
比較例Ａの触媒インク、ガス拡散層、ＰＥＭ、及びＭＥＡを調製するための残りの工程が次に、実施例１について上述の手順に従って実行された。
【００４２】
ＭＥＡ性能測定
実施例１〜３及び比較例ＡのＭＥＡは、次の手順に従って、動電位性能について各々定量的に測定された。所与のＭＥＡが、試験電池ステーション（ニューメキシコ州アルバカーキ（Albuquerque）の燃料電池技術社（Fuel Cell Technologies, Inc.））に取り付けられたが、これは、ガス流量、圧力、及び湿度を制御するために、別個のアノードガスハンドリングシステム及びカソードガスハンドリングシステムと共に可変の電子負荷を含んでいた。電子負荷及びガス流量はコンピュータ制御された。
【００４３】
燃料電池分極曲線が、次の試験パラメータ：面積５０平方センチメートルの電極、７０℃の電池温度、及び０ｐｓｉｇのアノードガス圧力（ゲージ）、及びアノード水素流速、８００立方センチメートル／分（標準状態換算）、７０℃のアノード加湿温度、０ｐｓｉｇのカソードガス圧力（ゲージ）、１，８００立方センチメートル／分（標準状態換算）のカソード空気流速、及び７０℃のカソード加湿温度のもとで得られた。カソードガスは、全空気流出量の２％と共に、４５％水素、３３％窒素、２２％ＣＯ２、及び５０ｐｐｍＣＯを含有する改質燃料であった。アノードガス流及びカソードガス流の加湿は、一定温度に維持された散布瓶にガスを通すことにより提供された。燃料電池は、ガス及び空気流下７０℃で動作条件に提供された。試験プロトコルは、動作の１２時間後に開始され、その時点で試験パラメータが測定された。表１は、実施例１〜３及び比較例ＡのＭＥＡについての動電位分極走査を提供する。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
表１のデータは、本発明の方法に従って形成された担持触媒の卓越した触媒活性を示している。実施例２と比較例Ａとの間の結果の比較は、実施例２の触媒ナノ粒子からの鉄の除去が、実施例２のＭＥＡに使用された担持触媒の触媒活性を増加することを示している。上述のように、これは、付着した触媒ナノ粒子中の白金の増加した表面積のためであると考えられている。更に、実施例１及び３の結果は、より低いＰｔ−Ｆｅ比（１：１）及びより低い触媒装填（０．２４ｍｇ／ｃｍ２）もまた、良好な触媒活性を提供することを示している。
【００４６】
図３は、実施例１〜３及び比較例ＡのＭＥＡについての動電位分極曲線を表すグラフであり、その中で水素は改質ガスの代わりに使用された。実施例２と比較例Ａとの間の結果の差違は、改質ガスの使用に関してより大きいものの、図３に示されたデータはまた、本発明の担持触媒の良好な触媒活性を明らかにしている。
【００４７】
好ましい実施形態を参照しながら本発明を記載してきたが、当業者は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細の変更を行ってもよいことを認識するであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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