(57)【要約】【課題】触媒担体としてのカーボンブラックの高純度化を図った固体高分子形燃料電池用電極触媒を提供する。【解決手段】カーボンブラックからなる担体に白金もしくは白金合金を担持した固体高分子形燃料電池用電極触媒において、前記担体は、不活性ガス中もしくは真空中において、温度2000〜2200℃で加熱処理したものとする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンブラックからなる担体に白金もしくは白金合金を担持した固体高分子形燃料電池用電極触媒において、前記担体は、不活性ガス中もしくは真空中において、温度2000〜2200℃で加熱処理したものとすることを特徴とする固体高分子形燃料電池用電極触媒。
【請求項２】
前記カーボンブラックは、加熱処理前においてその比表面積が200ｍ2/ｇ以上のファーネス系ブラックとすることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用電極触媒。
【請求項３】
前記加熱処理は、その処理時間を２時間以上とし、カーボンブラック内の不純物金属を蒸発除去する処理とすることを特徴とする請求項１または２に記載の固体高分子形燃料電池用電極触媒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンブラックからなる担体に白金もしくは白金合金を担持した固体高分子形燃料電池用電極触媒に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池発電装置は単セルを多数積層した電池スタツクと、それに反応ガス（水素を含有する燃料ガスおよび酸素を含有する酸化剤ガス）を必要量供給するためのガス供給装置、および制御装置を基本として構成される。
【０００３】
固体高分子形燃料電池用のセルは、電解質膜を挟んで燃料層触媒層と空気極触媒層及びガス拡散層とガス流路を施したセハ゜レータが配されている。この電解質膜を挟んで形成される触媒層には白金もしは合金金属がカーボンブラック表面に高分散に担持されている（例えば、特許文献１および２参照）。
【０００４】
固体高分子形燃料電池では、このカーボンブラックに石油精製品等から製造されるファーネスフ゛ラックで比表面積が200ｍ2/ｇ以上あるものが一般的に使用されている。このオイルファーネス系等のカーボンには、アセチレンブラックや黒鉛化カーボンと異なり、Ｚｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｓ，Ｃｌ，Ｋ，Ｐｂ，Ｎａ，Ａｌ，Ｃａ，Ｎｉなど多数の不純物が数十ｐｐｍ〜数％オータ゛ーで含まれている場合が多い。
【０００５】
タイプが異なるりん酸形燃料電池では200℃りん酸中での運転により、この不純物の影響から電極の濡れの変化による著しい特性低下を起こすため、不純物の少ない比表面積が200ｍ2以下のファネスブラックもしくはアセチレンブラックを使用しているが、固体高分子形燃料電池は運転温度が低く電解質による不純物の溶質や酸化物の生成による影響も考えられないことから、上記のような白金の高分散化による特性向上が図れる高比表面積カーボンブラックを使用している。
【特許文献１】特開２００２−３０５０００号公報
【特許文献２】特開２００３−１５７８５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、固体高分子形燃料電池は100℃以下の運転温度であるため、不純物の存在による電極濡れ性の変化や電解質への溶解析出がなく、電極の濡れ性の変化に問題はないと考えられる。しかしながら、これらの不純物は微量ではあるが空気極での酸化により酸化物を生成する可能性と金属粒子単独の移動が起きることは当然の現象と考えられる。したがって初期的にどんなに微量であっても、カーボン純度を上げておく方が、電気化学反応の安定性や更には長期運転の場合に、発電装置部品の一つとして有効であり、品質向上の観点から重要なことである。
【０００７】
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、触媒担体としてのカーボンブラックの高純度化を図った固体高分子形燃料電池用電極触媒を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題は、以下により達成される。即ち、カーボンブラックからなる担体に白金もしくは白金合金を担持した固体高分子形燃料電池用電極触媒において、前記担体は、不活性ガス中もしくは真空中において、温度2000〜2200℃で加熱処理したものとすることを特徴とする（請求項１）。
【０００９】
また、前記請求項１の電極触媒において、前記カーボンブラックは、加熱処理前においてその比表面積が200ｍ2/ｇ以上のファーネス系ブラックとすることを特徴とする（請求項２）。
【００１０】
さらに、前記請求項１または２に記載の電極触媒において、前記加熱処理は、その処理時間を２時間以上とし、カーボンブラック内の不純物金属を蒸発除去する処理とすることを特徴とする（請求項３）。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、不純物を含むカーボンブラックのカーボン純度を高めることができ、しかも比表面積は若干減少するが白金の高分散化には問題ないレベルであるため、高純度な白金高分散化触媒を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、この発明の実施形態に関して、表１および図１に基いて説明する。表１はカーボン熱処理条件と不純残存物量，比表面積，結晶格子間隔，白金結晶子径の関係を示す実験結果である。図１は、ファーネスブラックと黒鉛化カーボンの結晶構造概念図であり、ａ）はオイルファーネスブラックの場合、ｂ）は黒鉛化カーボンの場合を示す。
【００１３】
【表１】
2005216571.tif 000002
なお、表１において、不純残存物量は、不純物量の代表値としてのＺｎの値を示す。また、使用したカーボンブラックは、キャボット社の商品名バルカンＸＣ−72である。
【００１４】
カーボン中に残存する不純物金属を除去し、カーボンの焼失を防止するためには不活性ガス中もしくは真空状態で２０００度以上の温度で熱処理することにより蒸発除去が可能であり、表１に示すように、概ね2000℃以上で不純物を低濃度まで除去できることが分かる。
【００１５】
しかしながら、2400℃以上になると図１に示す概念図のようにカーボン結晶格子がランダムな構造から整列して規則正しい格子間隔に再配置する黒鉛化構造になるため、表１に示すように比表面積が大幅に低下してしまう。表中の結晶格子面間隔のテ゛ータはこの配列した結晶間の幅を示すもので、図１のような規則正しい配列により結晶格子間距離が狭まるものである。ここまで熱処理してしまうと、耐食性は向上しても比表面積が低下して、白金の高分散化が果たせなくなってしまう。
【００１６】
例として、これらのカーボンに白金を重量として10ｗｔ％担持した場合の白金結晶子径を同様に表１に示す。表１のテ゛ータから固体高分子形燃料電池用触媒として、比表面積が大きく、しかも不純物を無くすことができる好適なものを得るためには、不活性ガス中もしくは真空中で、温度範囲は2000〜2200℃で熱処理することが望ましい。上記によれば、比表面積が著しく減少しないため、白金をカーボンに担持した際、出来上がった白金結晶子径も従来のものと同等の触媒とすることができる。
【実施例】
【００１７】
高温ガス雰囲気炉をアルゴンガス及び塩素等のハロゲンガスの不活性雰囲気状態もしくは真空状態として、導入したガスは蒸発する不純物金属ガス回収装置で冷却して外部に漏らすことなく、再び不活性ガスを再利用できる炉を用いた。この高温ガスもしくは真空状態で、カーボン多孔質容器内に設置したカーボンブラック粒子（前記商品名バルカンＸＣ−72，比表面積254ｍ2/ｇ）を、2200℃で熱処理を行った。
【００１８】
炉の大きさにより昇温、降温時間は異なるが、約１週間から3週間は昇温、降温にかかるのが通常である。処理後の比表面積は166ｍ2/ｇで若干減少はしたが、白金を高分散に担持するには問題ないレベルである。降温後は多孔質カーボン容器内よりカーボンブラックを取り出し、白金担持装置で白金触媒を製作した。
【００１９】
この工程は純水中にカーボンブラックを所定量混合して、超音波分散機で分散処理し、塩化白金酸を白金金属の重量で10％になるように加えて混合後、蓚酸、蟻酸等の還元剤で白金金属微粒子に還元してカーボンブラック表面に担持させた。この触媒の白金結晶子径は3.5ｎｍで従来の熱処理前の3.2ｎｍと遜色ない高分散化触媒ができた。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】ファーネスブラックと黒鉛化カーボンの結晶構造概念図。
【符号の説明】
【００２１】
なし
【図１】
2005216571.tif 000003