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公開番号
2025125708
公報種別
公開特許公報(A)
公開日
2025-08-28
出願番号
2024021810
出願日
2024-02-16
発明の名称
カーボン担体材料
出願人
株式会社キャタラー
代理人
個人
,
個人
主分類
B01J
32/00 20060101AFI20250821BHJP(物理的または化学的方法または装置一般)
要約
【課題】耐久性と発電効率が高いレベルで両立したカーボン担体材料を提供する。
【解決手段】ここに開示されるカーボン担体材料1は、複数の炭素粒子10を含む材料である。かかるカーボン担体材料1は、大径粒子10Lの割合が70個数%以上であり、大径粒子10Lの内部に、細孔径が10nm以下の内部細孔12が形成されている。また、ここに開示されるカーボン担体材料1において、複数の炭素粒子10は、平均太さが70nm以上150nm以下の架橋部20を介して接合されており、複数の炭素粒子10と架橋部20に囲まれた領域に外部細孔30が形成されている。かかる構成のカーボン担体材料によると、耐久性と発電効率を高いレベルで両立することができる。
【選択図】図1
特許請求の範囲
【請求項1】
複数の炭素粒子を含むカーボン担体材料であって、
表面SEM観察に基づいた個数基準の粒度分布において、円相当径が100nm以上の大径粒子の割合が70個数%以上であり、
前記大径粒子の内部に、細孔径が10nm以下の内部細孔が形成されており、
前記複数の炭素粒子は、平均太さが70nm以上150nm以下の架橋部を介して接合されており、
前記複数の炭素粒子と前記架橋部に囲まれた領域に外部細孔が形成されている、カーボン担体材料。
続きを表示(約 330 文字)
【請求項2】
表面SEM観察に基づいた前記外部細孔の平均細孔径が10nm以上150nm以下である、請求項1に記載のカーボン担体材料。
【請求項3】
窒素吸着法に基づいた細孔径が2nm以上10nm以下であるメソ細孔の容積が0.18ml/g以上0.5ml/g以下である、請求項1または2に記載のカーボン担体材料。
【請求項4】
水銀圧入法に基づいた細孔径が10nm以上150nm以下であるマクロ細孔の容積が0.5ml/g以上1.4ml/g以下である、請求項1または2に記載のカーボン担体材料。
【請求項5】
4kNの荷重をかけたときの嵩密度が0.6g/ml以下である、請求項1または2に記載のカーボン担体材料。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
ここに開示される技術は、燃料電池用のカーボン担体材料に関する
続きを表示(約 2,700 文字)
【背景技術】
【0002】
近年、大気汚染などの環境問題に対応するため、燃料電池に関する研究が進められている。この種の燃料電池は、電解質を挟んでアノードとカソードを対向させた積層構造を有している。そして、アノードとカソードは、電線などの導電部材によって電気的に接続されている。かかる構成の燃料電池では、水素ガスなどの燃料ガスがアノードに供給される。このアノードにおいて、燃料ガス中の水素(H
2
)が水素イオン(H
+
)と電子(e
-
)に分解される。そして、電解質を介して水素イオン(H
+
)がカソードに伝わると共に、導電部材を通じて電子(e
-
)がカソードに移動する。一方、カソードには、空気などの酸素含有ガスが供給される。そして、カソードでは、水素イオン(H
+
)と電子(e
-
)と酸素(O
2
)とが反応して水(H
2
O)が生成される。
【0003】
上記構成の燃料電池の電極(アノード、カソード)には、カーボン担体材料に触媒金属を担持させた電極材料が用いられる。この燃料電池用のカーボン担体材料の一例として、内部に微小な細孔を有する炭素粒子を含む担体材料(メソ多孔カーボン)が挙げられる。このメソ多孔カーボンは、非常に広い比表面積を有しているため、電極における反応効率の向上に貢献することができる。
【0004】
特許文献1(特開2021-84852号)には、メソ多孔カーボンに関する技術が開示されている。具体的には、特許文献1には、鋳型となるメソ多孔シリカを準備する第1工程と、メソ多孔シリカのメソ細孔内にカーボンを析出させ、メソ多孔シリカ/カーボン複合体を作製する第2工程と、複合体からメソ多孔シリカを除去する第3工程とを備えた、メソ多孔カーボンの製造方法が開示されている。そして、この製造方法では、複数の一次粒子が連結した連珠構造を備えるメソ多孔シリカを鋳型として使用する。この結果、製造後のメソ多孔カーボンは、鋳型(メソ多孔シリカ)と同様の連珠構造を有する。この連珠構造のメソ多孔カーボンは、空気極触媒層(電極)内に適量の空隙を確保できるため、フラッディングを抑制できると特許文献1に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開2021-84852号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、一般的な燃料電池は、アノードと電解質とカソードの積層方向に沿って拘束される。これによって、各層の界面に隙間が生じることを防止できる。しかしながら、このときの拘束圧によって担体材料の構造が破壊されると、電極内の空隙が塞がれるため、発電性能が大きく低下する。また、発電中のカソードは、水に曝されるため、炭素の酸化によって担体材料の強度が除々に低下する。特に、メソ多孔カーボンは、比表面積が大きいため、酸化による強度低下が進行しやすい。これらの観点から、近年では、長期間の発電を継続した場合でも、優れた発電性能を維持できる耐久性に優れたカーボン担体材料が求められている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明者らは、上述の課題を解決するために、従来のカーボン担体材料(メソ多孔カーボン)の耐久性が低くなる原因について検討した結果、以下の知見を得た。上述の通り、従来の担体材料は、電極内の空隙を確保するため、複数の一次粒子(炭素粒子)が連結した連珠構造を構築している。しかし、この連珠構造は、複数の炭素粒子が点で接合しているため、当該接合部分の強度が低くなりやすい。そして、酸化によって接合部分の強度がさらに低下すると、当該接合部分を起点とした構造破壊が容易に生じる。かかる知見に基づいて、本発明者らは、一定以上の太さ(典型的には70nm以上)を有する強固な梁状の連結部(架橋部)を介して複数の炭素粒子を接合できれば、高い耐久性を有する担体材料を実現できると考えた。また、かかる構造の担体材料では、架橋部と炭素粒子とによって囲まれた外部細孔が形成されるため、十分な比表面積を確保し、好適な発電効率を発揮することもできる。そして、本発明者らは、かかる知見に基づいて種々の実験と検討を行った結果、以下の構成のカーボン担体材料を実現するに至った。
【0008】
ここに開示されるカーボン担体材料(1)は、複数の炭素粒子を含む材料である。かかるカーボン担体材料は、表面SEM観察に基づいた個数基準の粒度分布において、円相当径が100nm以上の大径粒子の割合が70個数%以上であり、大径粒子の内部に、細孔径が10nm以下の内部細孔が形成されている。また、ここに開示されるカーボン担体材料において、複数の炭素粒子は、平均太さが70nm以上150nm以下の架橋部を介して接合されており、複数の炭素粒子と架橋部に囲まれた領域に外部細孔が形成されている。
【0009】
まず、ここに開示されるカーボン担体材料は、100nm以上の大径粒子を多く含んでいる。これによって、炭素粒子同士の接合部分の数を少なくできる。そして、この担体材料では、炭素粒子同士の接合部分に、平均太さが70nm以上の梁状の連結部(架橋部)が形成されている。これらの構成によって、優れた耐久性を有する担体材料を実現できる。また、この担体材料では、大径粒子の内部に10nm以下の内部細孔が形成されている。さらに、架橋部の太さを150nm以下に制限することによって、十分な大きさの外部細孔を形成している。これらの構成によって、多量の触媒金属を担持でき、かつ、作用対象の流体(燃料ガス、酸素含有ガスなど)の流路を十分に確保できる。この結果、上記構成の担体材料は、優れた発電効率を有する燃料電池の構築に貢献できる。以上の通り、ここに開示されるカーボン担体材料によると、耐久性と発電効率を高いレベルで両立することができる。
【0010】
ここに開示されるカーボン担体材料(2)では、上記(1)に記載のカーボン担体材料において、表面SEM観察に基づいた外部細孔の平均細孔径が10nm以上150nm以下である。これによって、耐久性と発電効率をさらに高いレベルで両立できる。
(【0011】以降は省略されています)
この特許をJ-PlatPat(特許庁公式サイト)で参照する
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