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公開番号2025136138
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-19
出願番号2024034358
出願日2024-03-06
発明の名称固体高分子形燃料電池の触媒担体用炭素材料、固体高分子形燃料電池用触媒層、及び燃料電池
出願人日本製鉄株式会社,日鉄ケミカル&マテリアル株式会社
代理人弁理士法人太陽国際特許事務所
主分類H01M 4/96 20060101AFI20250911BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】発電性能と共に、更に耐久性に優れた固体高分子形燃料電池の触媒担体用炭素材料、並びに、それを利用した固体高分子形燃料電池用触媒層及び燃料電池を提供することである。
【解決手段】下記要件(A1)及び(B1)を満たす、多孔質賦活カーボンブラックからなる固体高分子形燃料電池の触媒担体用炭素材料、並びに、それを利用した固体高分子形燃料電池用触媒層及び燃料電池。
(A1)前記多孔質賦活カーボンブラックを2000℃で1時間の熱処理した後のBET比表面積S1_finと、前記熱処理前のBET比表面積S_iniと、の比(S1_fin/S_ini)が、0.9以上である。
(B1) 前記熱処理前のBET比表面積S_iniが、600m²/g以上である。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
下記要件（Ａ１）及び（Ｂ１）を満たす、多孔質賦活カーボンブラックからなる固体高分子形燃料電池の触媒担体用炭素材料。
（Ａ１）前記多孔質賦活カーボンブラックを２０００℃で１時間の熱処理した後のＢＥＴ比表面積Ｓ１
ｆｉｎ
と、前記熱処理前のＢＥＴ比表面積Ｓ
ｉｎｉ
と、の比（Ｓ１
ｆｉｎ
／Ｓ
ｉｎｉ
）が、０．９以上である。
（Ｂ１）前記熱処理前のＢＥＴ比表面積Ｓ
ｉｎｉ
が、６００ｍ
２
／ｇ以上である。
続きを表示（約 510 文字）【請求項２】
前記要件（Ａ１）に代えて要件（Ａ２）を満たす請求項１に記載の固体高分子形燃料電池の触媒担体用炭素材料。
（Ａ２）前記多孔質賦活カーボンブラックを２２００℃で１時間の熱処理した後のＢＥＴ比表面積Ｓ２
ｆｉｎ
と、前記熱処理前のＢＥＴ比表面積Ｓ
ｉｎｉ
と、の比（Ｓ２
ｆｉｎ
／Ｓ
ｉｎｉ
）が、０．８以上である。
【請求項３】
前記要件（Ｂ１）に代えて下記要件（Ｂ２）を満たす請求項１に記載の固体高分子形燃料電池の触媒担体用炭素材料。
（Ｂ２）前記熱処理前のＢＥＴ比表面積Ｓ
ｉｎｉ
が、７００ｍ
２
／ｇ以上である。
【請求項４】
請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の固体高分子形燃料電池の触媒担体用炭素材料を含む固体高分子形燃料電池用触媒層。
【請求項５】
請求項４に記載の固体高分子形燃料電池用触媒層を含む燃料電池。
【請求項６】
前記固体高分子形燃料電池用触媒層は、カソード側の触媒層である請求項５に記載の燃料電池。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、固体高分子形燃料電池の触媒担体用炭素材料、固体高分子形燃料電池用触媒層、及び燃料電池に関する。
続きを表示（約 1,800 文字）【背景技術】
【０００２】
燃料電池の一種である固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に配置される一対の触媒層と、各触媒層の外側に配置されるガス拡散層と、各ガス拡散層の外側に配置されるセパレータとを備える。一対の触媒層のうち、一方の触媒層は固体高分子形燃料電池のアノードとなり、他方の触媒層は固体高分子形燃料電池のカソードとなる。なお、通常の固体高分子形燃料電池では、所望の出力を得るために、上記構成要素を有する単位セルが複数個スタックされている。
【０００３】
アノード側のセパレータには、水素等の燃料ガスが導入される。アノード側のガス拡散層は、燃料を拡散させた後、アノードに導入する。アノードは、触媒成分と、燃料電池用触媒を担持する触媒担体と、プロトン伝導性を有する電解質材料とを含む。以下、燃料電池内の発電反応（後述する酸化反応または還元反応）を促進する触媒成分を「燃料電池用触媒」とも称する。触媒担体は、多孔質炭素材料で構成されることが多い。燃料電池用触媒上では、燃料ガスの酸化反応が起こり、プロトンと電子が生成される。例えば、燃料ガスが水素ガスとなる場合、以下の酸化反応が起こる。
Ｈ
２
→２Ｈ
＋
＋２ｅ
－
（Ｅ
０
＝０Ｖ）
【０００４】
この酸化反応で生じたプロトンは、アノード内の電解質材料、及び固体高分子電解質膜を通ってカソードに導入される。また、電子は、触媒担体、ガス拡散層、及びセパレータを通って外部回路に導入される。この電子は、外部回路で仕事をした後、カソード側のセパレータに導入される。そして、この電子は、カソード側のセパレータ、カソード側のガス拡散層を通ってカソードに導入される。
【０００５】
固体高分子形電解質膜は、プロトン伝導性を有する電解質材料で構成されている。固体高分子電解質膜は、上記酸化反応で生成したプロトンをカソードに導入する。
【０００６】
カソード側のセパレータには、酸素ガス又は空気等の酸化性ガスが導入される。カソード側のガス拡散層は、酸化性ガスを拡散させた後、カソードに導入する。カソードは、燃料電池用触媒と、燃料電池用触媒を担持する触媒担体と、プロトン伝導性を有する電解質材料とを含む。触媒担体は、多孔質炭素材料で構成されることが多い。燃料電池用触媒上では、酸化性ガスの還元反応が起こり、水が生成される。例えば、酸化性ガスが酸素ガスあるいは空気となる場合、以下の還元反応が起こる。
Ｏ
２
＋４Ｈ
＋
＋４ｅ
－
→２Ｈ
２
Ｏ（Ｅ
０
＝１．２３Ｖ）
【０００７】
還元反応で生じた水は、未反応の酸化性ガスとともに燃料電池の外部に排出される。このように、固体高分子形燃料電池では、燃料ガスの酸化反応に伴って生成する自由エネルギー差（電位差）を利用して発電する。言い換えれば、酸化反応で生じた自由エネルギーを電子が外部回路で行う仕事に変換するものである。
【０００８】
ところで、固体高分子形燃料電池の触媒担体に適用される多孔質炭素材料について、検討され、様々な提案がされている。
【０００９】
例えば、特許文献１には、「メソ孔とこのメソ孔の外郭を構成する炭素質壁とを備えた多孔質炭素であって、上記炭素質壁には層状構造を成す部分が存在することを特徴とする多孔質炭素。」が提案されている。
また、特許文献２には、「カーボンブラックの表面積を増加する方法であって、第１ＢＥＴ窒素表面積よりも大きい第２ＢＥＴ窒素表面積を有するカーボンブラック生成物を生成するのに効果的な条件下で、流動床にて該第１ＢＥＴ窒素表面積を有するカーボンブラック出発材料と酸化剤とを接触させることを含む、方法。」が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
特開２０１２－１８８３０９号公報
特開２０１７－０５２９６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
（【００１１】以降は省略されています）

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