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JP7795285B2 - Carrier material and its manufacturing method - Google Patents
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JP7795285B2 - Carrier material and its manufacturing method - Google Patents

Carrier material and its manufacturing method

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Description

本願は、2024年6月27日に提出された出願番号が202410874263.9である中国特許出願及び2023年9月28日に提出された出願番号が202311295382.0である中国特許出願の優先権を主張しており、その内容の全ては、引用により本願に組み込まれる。 This application claims priority to Chinese patent application No. 202410874263.9 filed on June 27, 2024, and Chinese patent application No. 202311295382.0 filed on September 28, 2023, the entire contents of which are incorporated herein by reference.

本願は、燃料電池の技術分野に関し、特に、キャリア材料及びその製造方法に関する。 This application relates to the technical field of fuel cells, and in particular to carrier materials and methods for manufacturing the same.

膜電極は、燃料電池中のコアコンポーネントであり、膜電極中の触媒は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。ガス、エレクトロン、プロトンの三成分は、触媒表面で電気化学反応を起こして水を生成し、接続されたロードデバイスにエネルギーを供給する。膜電極には、触媒を担持するキャリア材料が設けられており、そのキャリア材料は、触媒を担持するとともに、電気化学反応のためにプロトン、反応ガス及び水の連続伝送チャネルを提供する。 Membrane electrodes are the core component in fuel cells, and the catalyst in the membrane electrode can convert chemical energy into electrical energy. The three components - gas, electrons, and protons - undergo an electrochemical reaction on the catalyst surface to produce water, which supplies energy to the connected load device. The membrane electrode is provided with a carrier material that supports the catalyst, and the carrier material provides continuous transmission channels for protons, reactant gases, and water for the electrochemical reaction.

キャリア材料の微細粒子は、多くの場合、キャリア材料が大きい比表面積を有するように多孔質構造として構成されており、これによって、触媒中の貴金属粒子により多くの付着サイトが提供されるとともに、触媒反応のための反応場所が提供される。 The fine particles of the carrier material are often configured as a porous structure so that the carrier material has a large specific surface area, which provides more attachment sites for the precious metal particles in the catalyst and also provides reaction sites for the catalytic reaction.

本願の実施例は、既存の膜電極における物質移動抵抗が大きいという課題を解決するために、キャリア材料及びその製造方法を提供する。 The embodiments of this application provide a carrier material and a method for manufacturing the same to solve the problem of high mass transfer resistance in existing membrane electrodes.

本願の実施例は、
キャリア材料の製造方法であって、
テンプレート剤を金属塩混合溶液中に分散させて特定の濃度の第1生成物を得るステップと、
第1生成物を低温真空乾燥して第2生成物を得るステップと、
有機炭素源を第2生成物と混合させて第3生成物を得るステップと、
真空又は不活性ガスの条件下で第3生成物に対して1回目の熱処理を行って第4生成物を得るステップと、
第4生成物を酸洗い液で洗浄し、乾燥させて第5生成物を得るステップと、
第5生成物に対して2回目の熱処理を行ってキャリア材料を得るステップと、を含み、
キャリア材料の微細粒子は、複数のポアと複数のキャビティを有するように構成され、ポアは、微細粒子の外部と連通し、キャビティは、微細粒子の外部と隔離され、
キャリア材料の質量とポアの総体積の比をポア特性値として定義し、キャリア材料の質量とキャビティの総体積の比をキャビティ特性値として定義する場合、キャリア材料のポア特性値は、キャリア材料のキャビティ特性値よりも小さい、
キャリア材料の製造方法を提供するように実現される。
The present application is directed to
1. A method for producing a carrier material, comprising:
Dispersing a template agent in a metal salt mixture solution to obtain a first product at a specific concentration;
low-temperature vacuum drying the first product to obtain a second product;
mixing an organic carbon source with the second product to obtain a third product;
performing a first heat treatment on the third product under vacuum or inert gas conditions to obtain a fourth product;
washing the fourth product with an acid pickling solution and drying to obtain a fifth product;
and performing a second heat treatment on the fifth product to obtain a carrier material;
The fine particles of the carrier material are configured to have a plurality of pores and a plurality of cavities, the pores being in communication with the exterior of the fine particles, and the cavities being isolated from the exterior of the fine particles;
When the ratio of the mass of the carrier material to the total volume of the pores is defined as the pore characteristic value, and the ratio of the mass of the carrier material to the total volume of the cavities is defined as the cavity characteristic value, the pore characteristic value of the carrier material is smaller than the cavity characteristic value of the carrier material;
It is realized to provide a method for manufacturing a carrier material.

本願の上記実施例によって提供されるキャリア材料の製造方法により、上記したキャリア材料の製造方法によって製造されたキャリア材料をさらに提供する。 The carrier material manufacturing method provided by the above-mentioned embodiment of the present application further provides a carrier material manufactured by the above-mentioned carrier material manufacturing method.

それに応じて、本願の実施例は、前述のキャリア材料を含む燃料電池の膜電極をさらに提供する。 Accordingly, embodiments of the present application further provide a membrane electrode for a fuel cell comprising the aforementioned carrier material.

本願の実施例における技術案をより明確に説明するために、以下において、実施例の説明に用いられる図面を簡単に説明し、当然ながら、以下の説明における図面は本願の実施例の一部に過ぎず、本分野の技術者であれば、創造的な労力を要することなく、これらの図面から他の図面が得られる。 In order to more clearly explain the technical solutions in the embodiments of the present application, the following provides a brief description of the drawings used in the description of the embodiments. Naturally, the drawings in the following description are only a part of the embodiments of the present application, and those skilled in the art can derive other drawings from these drawings without any creative effort.

本願の実施例によって提供される燃料電池の構造模式図である。1 is a structural schematic diagram of a fuel cell provided by an embodiment of the present application; 本願の実施例によって提供されるキャリア材料の製造方法の主なステップの模式図である。1 is a schematic diagram of the main steps of the method for manufacturing a carrier material provided by an embodiment of the present application. 本願の実施例によって提供される触媒層の微細構造の模式図である。1 is a schematic diagram of the microstructure of a catalyst layer provided by an example of the present application. 本願の実施例によって提供されるキャリア材料が触媒粒子と結合される時の構造模式図である。1 is a structural schematic diagram of the carrier material provided by the embodiment of the present application when combined with catalyst particles; 本願の実施例によって提供される触媒層の製造方法の主なステップの模式図である。1 is a schematic diagram of the main steps of a method for manufacturing a catalyst layer provided by an embodiment of the present application. EIS試験の等価回路の構造模式図である。FIG. 1 is a structural schematic diagram of an equivalent circuit for an EIS test. 本願の実施例によって提供されるキャリア材料のポア特性値と物質輸送インピーダンスの規則の模式図である。1 is a schematic diagram of the pore characteristic values and mass transport impedance rules of carrier materials provided by examples of the present application; 本願の実施例によって提供されるキャリア材料のキャビティ特性値とECSA保持率の規則の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of the rules for the cavity characteristic value and ECSA retention rate of the carrier material provided by the examples of the present application.

以下において、本願の実施例における図面を参照しながら、本願の実施例における技術案を明確で完全に説明し、当然ながら、説明される実施例は本願の実施例の一部に過ぎず、全ての実施例ではない。本願における実施例に基づき、本分野の技術者が創造的な労力を要することなく得た他の全ての実施例は、本願の保護範囲に属するものとする。なお、理解すべきこととして、ここで説明される発明を実施するための形態は、本願を説明及び解釈するためにのみ使用されており、本願を制限するためのものではない。 Hereinafter, the technical solutions in the embodiments of the present application will be clearly and completely described with reference to the drawings in the embodiments of the present application. Of course, the described embodiments are only a portion of the embodiments of the present application, and do not represent all of the embodiments. All other embodiments that can be obtained by those skilled in the art based on the embodiments of the present application without requiring creative effort shall fall within the scope of protection of the present application. It should be understood that the embodiments for implementing the invention described herein are used only to explain and interpret the present application, and are not intended to limit the present application.

別段の定義がない限り、本文で使用される全ての技術用語及び科学用語は、本発明の技術分野に属する技術者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。本文では、本発明の明細書において使用される用語は、具体的な実施例を説明することのみを目的としており、本発明を制限することを意図するものではない。本文で使用される用語「及び/又は」は、列挙された1つ又は複数の関連項目の任意の組み合わせ及び全ての組み合わせを含む。 Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. The terminology used herein in the present specification is for the purpose of describing specific embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. As used herein, the term "and/or" includes any and all combinations of one or more of the associated listed items.

本願では、特に断りのない限り、使用される方位を示す用語、例えば「上」と「下」は、通常、装置の実際使用又は作業状態における上と下、具体的には、図面における図示の方向を指し、「内」と「外」は、装置の輪郭に対する位置である。なお、本願の説明において、「含む」という用語は、「含むが、これ(ら)に限定されない」ことを意味する。第1、第2、第3などの用語は、単に記号として使用されており、必ずしも数字を要求したり、順序を決めたりするものではない。 Unless otherwise specified, in this application, directional terms used, such as "up" and "down," generally refer to the up and down of the device in its actual use or working state, specifically the directions shown in the drawings, and "inside" and "outside" refer to positions relative to the outline of the device. In addition, in this description, the term "including" means "including, but not limited to." Terms such as first, second, and third are used merely as symbols and do not necessarily require a number or determine an order.

本願では、「及び/又は」は関連対象の関連関係を記述するためのものであり、3つの関係が存在可能であることを示し、例えば、A及び/又はBは、Aのみが存在すること、AとBが同時に存在すること、及びBのみが存在することの3つの場合を示すことができる。ここで、A、Bは、単数でも複数でも構わない。 In this application, "and/or" is used to describe a related relationship between related objects and indicates that three relationships can exist. For example, A and/or B can indicate three cases: A only exists, A and B both exist, or B only exists. Here, A and B can be singular or plural.

本願では、「少なくとも1つ」は、1つ又は複数を意味し、「複数」は、2つ又は2つ以上を意味する。「1種又は複数種」、「以下の少なくとも1項(つ)」又はそれらと類似した表現は、これらの項の任意の組み合わせを指し、1項(個)又は複数項(個)の任意の組み合わせを含む。例えば、「a、b、又はcのうちの少なくとも1項(つ)」、又は、「a、b、及びcのうちの少なくとも1項(つ)」は、いずれもa、b、c、a-b(即ちaとb)、a-c、b-c、又はa-b-cを指すことができ、ここで、a、b、cは、それぞれ、単数であってもよく、複数であってもよい。 As used herein, "at least one" means one or more, and "multiple" means two or more. "One or more," "at least one of the following," or similar expressions, refer to any combination of these terms, including any combination of one or more terms. For example, "at least one of a, b, or c" or "at least one of a, b, and c" can refer to a, b, c, a-b (i.e., a and b), a-c, bc, or a-bc, where a, b, and c may each be singular or plural.

本願の様々な実施例は、範囲の形で存在し得るが、理解すべきこととして、範囲の形での説明は便宜及び簡略化のためだけであり、本願の範囲に対する厳密な制限として理解されるべきではないので、記載された範囲の説明は、全ての可能なサブ範囲及びその範囲内の単一の数値を具体的に開示していると考えるべきである。例えば、1から6までの範囲の説明は、1から3、1から4、1から5、2から4、2から6、3から6などのサブ範囲、及び、1、2、3、4、5、6などの前記範囲内の単一の数字を具体的に開示していると考えるべきであり、これは範囲にかかわらず適用される。なお、本文で数値範囲が示される場合は常に、示された範囲内に引用された任意の数字(分数又は整数)を含むことを意味する。 While various embodiments of the present application may be presented in range format, it should be understood that the description in range format is for convenience and brevity only and should not be construed as an inexact limitation on the scope of the present application; therefore, any description of a range as set forth should be considered to specifically disclose all possible subranges and single numerical values within that range. For example, a description of a range of 1 to 6 should be considered to specifically disclose subranges such as 1 to 3, 1 to 4, 1 to 5, 2 to 4, 2 to 6, 3 to 6, etc., as well as single numerical values within that range such as 1, 2, 3, 4, 5, 6, etc., and this applies regardless of the range. Furthermore, whenever a numerical range is presented herein, it is meant to include any numbers (fractional or integer) recited within the stated range.

図1に示すように、本願の燃料電池は、2つの極板100及びそれらの間に設けられている膜電極を含む。膜電極は、プロトン膜300、触媒層400及び拡散層200を含む。本願の燃料電池における触媒層400以外の各部分の機能、構成及び製造方法は、本分野における一般的な技術者がよく知っている通常の方案であり、本願の改良の焦点でもないので、ここでは説明を省略する。 As shown in FIG. 1, the fuel cell of the present application includes two electrode plates 100 and a membrane electrode disposed between them. The membrane electrode includes a proton membrane 300, a catalyst layer 400, and a diffusion layer 200. The functions, structures, and manufacturing methods of each part of the fuel cell of the present application, other than the catalyst layer 400, are conventional solutions well known to those of ordinary skill in the art and are not the focus of the present application's improvements, so will not be described here.

本願の技術案は、以下のとおりである。
第1形態において、図2に示すように、本願の実施例は、以下の主なステップを含むキャリア材料の製造方法を提供する。
S110において、テンプレート剤を金属塩混合溶液中に分散させて特定の濃度の第1生成物を得る。
The technical solution of the present application is as follows:
In a first aspect, as shown in FIG. 2, an embodiment of the present application provides a method for manufacturing a carrier material, which comprises the following main steps:
In S110, the template agent is dispersed in a metal salt mixed solution to obtain a first product with a specific concentration.

具体的には、テンプレート剤は、カーボン量子ドット、ナノ酸化アルミニウム、ナノ酸化ケイ素、ナノ酸化マグネシウム、ナノ酸化カルシウム、ナノ炭酸カルシウムのうちの1種又は2種以上の混合物を含む。 Specifically, the template agent includes one or a mixture of two or more of carbon quantum dots, nano-aluminum oxide, nano-silicon oxide, nano-magnesium oxide, nano-calcium oxide, and nano-calcium carbonate.

金属塩混合溶液における金属塩は、硝酸鉄、硝酸クロム、硝酸コバルト、硝酸ニッケル、硝酸亜鉛、硝酸マグネシウム、塩化鉄、塩化コバルト、塩化ニッケル、塩化亜鉛、塩化マグネシウム、硫酸鉄、硫酸鉄、硫酸鉄、硫酸亜鉛、硫酸マグネシウムのうちの1種又は複数種を含む。 The metal salts in the metal salt mixture solution include one or more of the following: iron nitrate, chromium nitrate, cobalt nitrate, nickel nitrate, zinc nitrate, magnesium nitrate, iron chloride, cobalt chloride, nickel chloride, zinc chloride, magnesium chloride, iron sulfate, iron sulfate, iron sulfate, zinc sulfate, and magnesium sulfate.

金属塩混合溶液における混合溶媒は、イソプロピルアルコール、エチレングリコール、n-ブタノール、N-メチルピロリドン、エタノールのうちの1種又は複数種と蒸留水の混合物を含む。 The mixed solvent in the metal salt mixed solution includes a mixture of one or more of isopropyl alcohol, ethylene glycol, n-butanol, N-methylpyrrolidone, and ethanol with distilled water.

より具体的には、混合溶媒における蒸留水と有機溶媒の体積比は、1~20の範囲内の値である。 More specifically, the volume ratio of distilled water to organic solvent in the mixed solvent is within the range of 1 to 20.

テンプレート剤と金属塩混合溶液を、室温において密閉して均一に撹拌して第1生成物を得る。ステップS110は、特定の方式で配列されたテンプレート剤を得るとともに、金属塩をテンプレート剤上に均一に付着させる役割を果たす。 The template agent and metal salt mixture solution is sealed at room temperature and stirred uniformly to obtain a first product. Step S110 serves to obtain a template agent arranged in a specific manner and to uniformly attach the metal salt to the template agent.

ステップS110における金属塩混合溶液の溶液濃度は、10mg/mL~100mg/mLの範囲にあり、更なるオプションとして、濃度は、20mg/mL~50mg/mLの範囲にある。 The solution concentration of the metal salt mixture solution in step S110 is in the range of 10 mg/mL to 100 mg/mL, and as a further option, the concentration is in the range of 20 mg/mL to 50 mg/mL.

ステップS110における第1生成物の特定の濃度は、10wt.%~50wt.%の範囲にあり、更なるオプションとして、濃度は、20wt.%~40wt.%の範囲にある。 The specific concentration of the first product in step S110 is in the range of 10 wt. % to 50 wt. %, and as a further option, the concentration is in the range of 20 wt. % to 40 wt. %.

S120において、第1生成物を低温真空乾燥して第2生成物を得る。 In S120, the first product is vacuum dried at low temperature to obtain a second product.

具体的には、第2生成物はテンプレート剤金属塩混合物である。 Specifically, the second product is a template metal salt mixture.

低温真空乾燥の温度は-40℃~10℃の範囲にあり、更なるオプションとして、温度は-30℃~-10℃の範囲にある。 The temperature for low-temperature vacuum drying ranges from -40°C to 10°C, and as a further option, the temperature ranges from -30°C to -10°C.

S130において、有機炭素源を第2生成物と混合させて第3生成物を得る。 In S130, the organic carbon source is mixed with the second product to obtain a third product.

具体的には、有機炭素源は、アスファルト、糖、重油、脂肪酸、ポリビニルアルコール、ポリアミド、エポキシ樹脂、フェノリック樹脂、有機塩などの物質及びそれらの誘導体のうちの1種又は複数種を含む。 Specifically, the organic carbon source includes one or more of substances such as asphalt, sugar, heavy oil, fatty acid, polyvinyl alcohol, polyamide, epoxy resin, phenolic resin, organic salt, and derivatives thereof.

より具体的には、有機炭素源と第2生成物の質量比は0.1~3である。 More specifically, the mass ratio of the organic carbon source to the second product is 0.1 to 3.

ステップS130は、テンプレート剤の配列方式を破壊することなく、有機炭素源との混合を実現する役割を果たす。 Step S130 serves to achieve mixing with the organic carbon source without destroying the template agent's arrangement.

S140において、真空又は不活性ガスの条件下で第3生成物に対して1回目の熱処理を行って第4生成物を得る。 In S140, the third product is subjected to a first heat treatment under vacuum or inert gas conditions to obtain a fourth product.

具体的には、ステップS140における1回目の熱処理は、真空又は不活性ガスの条件下で行われ、不活性ガスは、アルゴンガス、窒素ガスのうちの1種又は2種を含む。 Specifically, the first heat treatment in step S140 is performed under vacuum or inert gas conditions, and the inert gas includes one or both of argon gas and nitrogen gas.

より具体的には、ステップS140における1回目の熱処理の昇温速度は1℃/min~20℃/minの範囲内の値であり、熱処理温度は200℃~1000℃の範囲内の値である。 More specifically, the temperature increase rate for the first heat treatment in step S140 is between 1°C/min and 20°C/min, and the heat treatment temperature is between 200°C and 1000°C.

更なるオプションとして、1回目の熱処理の昇温速度は5℃/min~10℃/minの範囲内の値であり、熱処理温度は500℃~700℃の範囲内の値である。 As a further option, the heating rate for the first heat treatment is between 5°C/min and 10°C/min, and the heat treatment temperature is between 500°C and 700°C.

ステップS140は、有機炭素源を炭化して、特定のポアやキャビティ構造を得ることができる役割を果たし、ここで、ポアは、テンプレート剤によるポア形成効果及び金属塩の触媒作用によるポア形成を含めて由来し、炭素源自体も収縮炭化プロセスにおいて、ポアやキャビティが形成される。第4生成物は、特定のポアやキャビティ構造を有する炭素粉末である。 Step S140 serves to carbonize the organic carbon source to obtain a specific pore or cavity structure, where the pores are derived from the pore-forming effect of the template agent and the catalytic action of the metal salt, and the carbon source itself also forms pores or cavities during the shrinkage carbonization process. The fourth product is a carbon powder with a specific pore or cavity structure.

ステップS140は、テンプレート剤と金属塩を協働させて、一定のポアやキャビティ構造を有する生成物を形成することができる役割を果たす。 Step S140 serves to allow the template agent and metal salt to work together to form a product with a specific pore or cavity structure.

S150において、第4生成物を酸洗い液で洗浄し、乾燥させて第5生成物を得る。 In S150, the fourth product is washed with pickling solution and dried to obtain a fifth product.

具体的には、酸洗い液は、塩酸、硝酸、過塩素酸、硫酸、酢酸、フッ酸のうちの1種又は複数種を含む。 Specifically, the pickling solution contains one or more of hydrochloric acid, nitric acid, perchloric acid, sulfuric acid, acetic acid, and hydrofluoric acid.

酸洗い液の物質量濃度は0.2mol/L~5mol/Lの範囲内の値であり、更なるオプションとして、酸洗い液の物質量濃度は0.5mol/L~2mol/Lの範囲内の値である。 The concentration of the substance mass of the pickling solution is in the range of 0.2 mol/L to 5 mol/L, and as a further option, the concentration of the substance mass of the pickling solution is in the range of 0.5 mol/L to 2 mol/L.

ステップS150は、大部分の金属塩とテンプレート剤を除去することを目的としている。 Step S150 aims to remove most of the metal salts and template agent.

S160において、第5生成物に対して2回目の熱処理を行ってキャリア材料を得る。 In S160, the fifth product is subjected to a second heat treatment to obtain a carrier material.

S160は、一部のポアが黒鉛化プロセス中に閉じてキャビティを形成し、一部のキャビティに残った金属塩が炭素と反応してポア構造を形成するとともに、金属が、異なる程度の黒鉛化触媒機能を発揮して材料の黒鉛化程度を高めることを目的としている。 The purpose of S160 is for some pores to close and form cavities during the graphitization process, and for metal salts remaining in some of the cavities to react with carbon to form a pore structure, while the metals exert varying degrees of graphitization catalytic function to enhance the degree of graphitization of the material.

具体的には、ステップS160は、主に以下のステップを含む。
S161において、第5生成物を不活性雰囲気で高温熱処理して中間生成物を得る。
Specifically, step S160 mainly includes the following steps.
In S161, the fifth product is subjected to a high-temperature heat treatment in an inert atmosphere to obtain an intermediate product.

具体的には、不活性雰囲気ガスは、アルゴンガス、窒素ガスのうちの1種又は2種を含む。 Specifically, the inert atmosphere gas contains one or both of argon gas and nitrogen gas.

ステップS161における高温熱処理の昇温速度は1℃/min~20℃/minの範囲内の値であり、熱処理温度は1000℃~2600℃の範囲内の値である。 The temperature rise rate for the high-temperature heat treatment in step S161 is between 1°C/min and 20°C/min, and the heat treatment temperature is between 1000°C and 2600°C.

更なるオプションとして、高温熱処理の昇温速度は5℃/min~10℃/minの範囲内の値であり、熱処理温度は1400℃~1900℃の範囲内の値である。 As a further option, the heating rate of the high-temperature heat treatment is in the range of 5°C/min to 10°C/min, and the heat treatment temperature is in the range of 1400°C to 1900°C.

S162において、中間生成物を冷却処理する。 In S162, the intermediate product is cooled.

具体的には、冷却処理は、常温まで自然冷却するように行われる。 Specifically, the cooling process is carried out by allowing the material to cool naturally to room temperature.

S163において、冷却処理後の中間生成物を酸化性雰囲気で中温熱処理して、冷却後、キャリア材料を得る。 In S163, the intermediate product after the cooling treatment is subjected to a medium-temperature heat treatment in an oxidizing atmosphere, and after cooling, a carrier material is obtained.

具体的には、酸化性雰囲気ガスは、二酸化炭素、酸素を含む酸化雰囲気(空気、水蒸気、酸素ガス、オゾンなど)、アンモニアのうちの1種又は複数種を含む。 Specifically, the oxidizing atmosphere gas includes one or more of carbon dioxide, an oxidizing atmosphere containing oxygen (air, water vapor, oxygen gas, ozone, etc.), and ammonia.

ステップS163における中温熱処理の昇温速度は1℃/min~20℃/minの範囲内の値であり、熱処理温度は150℃~500℃の範囲内の値である。 The temperature rise rate for the medium-temperature heat treatment in step S163 is between 1°C/min and 20°C/min, and the heat treatment temperature is between 150°C and 500°C.

更なるオプションとして、中温熱処理の昇温速度は1℃/min~15℃/minの範囲内の値であり、熱処理温度は200℃~400℃の範囲内の値である。 As a further option, the temperature ramp rate for the medium-temperature heat treatment is between 1°C/min and 15°C/min, and the heat treatment temperature is between 200°C and 400°C.

以上のステップS160の熱処理方案を採用して、キャリア材料410のポア特性値とキャビティ特性値を制御する。 The above heat treatment method of step S160 is adopted to control the pore characteristic value and cavity characteristic value of the carrier material 410.

そのうち、高温熱処理によって、炭素材料の結晶化度が高まり、結晶化度が高まるほど耐食性が向上し、比表面積が小さくなり、炭素材料は、高温状態において構造の再構成という変化が発生し、表面の黒鉛状微結晶層は、このプロセスにおいて重合して再配列し、ポア構造(ポア径、ポア容積など)は、このプロセスにおいて変化し、ポアの一部は、キャビティになる。それとともに、高温により、一部の金属塩が放出され、新しいポアやキャビティ構造が形成される。 High-temperature heat treatment increases the crystallinity of carbon materials; the higher the crystallinity, the better the corrosion resistance and the smaller the specific surface area. At high temperatures, carbon materials undergo a structural restructuring, with the graphite microcrystalline layer on the surface polymerizing and rearranging during this process, and the pore structure (pore diameter, pore volume, etc.) changing during this process, with some of the pores becoming cavities. At the same time, the high temperature releases some of the metal salts, forming new pore and cavity structures.

中温熱処理は、材料に対して酸化変性処理を行うものであり、この工程により、材料の固定炭素含有量が低下し、酸素、水素、窒素(合成条件による)の元素含有量が増加し、対応する基の含有量が高まることで、貴金属粒子が付着しやすくなる。また、ポア構造の連通性が高まり、一部のキャビティ構造がポア構造に変換されるようにする。 Medium-temperature heat treatment is an oxidation modification process performed on materials. This process reduces the material's fixed carbon content and increases the elemental content of oxygen, hydrogen, and nitrogen (depending on the synthesis conditions). This increases the content of the corresponding groups, making it easier for precious metal particles to adhere. It also increases the interconnectivity of the pore structure, converting some of the cavity structure into a pore structure.

第2形態において、図3と図4に示すように、本願の実施例は、キャリア材料410を提供し、当該キャリア材料410は、主に触媒層400における触媒粒子420(貴金属粒子、例えば、Ptナノ粒子)にキャリアを提供するものであり、当該キャリア材料410は、粉体材料である。 In a second aspect, as shown in Figures 3 and 4, an embodiment of the present application provides a carrier material 410, which primarily provides a carrier for catalyst particles 420 (noble metal particles, e.g., Pt nanoparticles) in the catalyst layer 400, and the carrier material 410 is a powder material.

具体的には、本願のキャリア材料410の微細粒子は、複数のポアと複数のキャビティを有するように構成され、ポアは、微細粒子の外部と連通し、キャビティは、微細粒子の外部と隔離され、キャリア材料410の質量とポアの総体積の比をポア特性値として定義し、キャリア材料410の質量とキャビティの総体積の比をキャビティ特性値として定義する場合、キャリア材料410のポア特性値は、キャリア材料410のキャビティ特性値よりも小さい。 Specifically, the fine particles of the carrier material 410 of the present application are configured to have multiple pores and multiple cavities, the pores are connected to the outside of the fine particles, and the cavities are isolated from the outside of the fine particles. If the ratio of the mass of the carrier material 410 to the total volume of the pores is defined as the pore characteristic value, and the ratio of the mass of the carrier material 410 to the total volume of the cavities is defined as the cavity characteristic value, the pore characteristic value of the carrier material 410 is smaller than the cavity characteristic value of the carrier material 410.

オプションの方案として、キャリア材料410は、少なくとも炭素材料からなる。 As an optional solution, the carrier material 410 comprises at least a carbon material.

炭素材料の物質移動能力は、ポアの大きさと種類に関係し、通常は、ポア径が2nm以上である時に、物質移動プロセスにおいて外部と空間が連通することができ、継続的かつ安定的な反応がより容易に発生し、また、生成された水を適時に排出して、反応の継続的な進行を確保でき、これらの空間はポアと呼ばれ、相互接続ポア、通過ポア、及びブラインドポアを含む。これらのポアの表面積は、ガス吸着法により検出・分析できる。 The mass transfer capacity of carbon materials is related to the size and type of pores. Typically, when the pore diameter is 2 nm or larger, the space can communicate with the outside during the mass transfer process, making it easier for continuous and stable reactions to occur. Furthermore, the water produced can be discharged in a timely manner, ensuring the continuous progress of the reaction. These spaces are called pores, and include interconnected pores, through pores, and blind pores. The surface area of these pores can be detected and analyzed using gas adsorption methods.

これらのポアの他、キャリア材料410の微細粒子内にいくつかの密閉空間がさらに存在する場合があり、これらのポアは、ポア径が小さい(≦2nm)か、または外表面と連通していないため、流体の浸透が不可能となり、これらの空間はガス吸着法と水銀圧入法などの測定方法では有効的に測定できず、作業条件下において継続的かつ安定的な電気化学反応の発生場所として利用することは困難である。 In addition to these pores, there may be several enclosed spaces within the fine particles of the carrier material 410. These pores have small diameters (≦2 nm) or are not connected to the outer surface, making them impermeable to fluids. These spaces cannot be effectively measured using measurement methods such as gas adsorption and mercury porosimetry, making them difficult to use as locations for continuous and stable electrochemical reactions under working conditions.

したがって、本願のキャリア材料の微細粒子におけるポアは、ポア径が2nm以下である場合、流体が入りにくくなっているので、ポア径が2nm以下であるポアも、本願において定義されたキャビティとして分類できる。即ち、本願に記載されている「キャリア材料410の微細粒子の外部と隔離される」とは、液体が有効的に流入できないことを基準とするものであり、即ち、本願に記載されている「キャリア材料410の微細粒子の外部と隔離される」「キャビティ」とは、キャリア材料410の微細粒子の外部と完全に連通していない密閉空間だけでなく、キャリア材料410の微細粒子の外部と連通しているが、ポア径が2nm以下であるポア(非密閉空間)も含む。 Therefore, pores in the microparticles of the carrier material of the present application have a pore diameter of 2 nm or less, which makes it difficult for fluids to enter. Therefore, pores with a pore diameter of 2 nm or less can also be classified as cavities as defined in the present application. In other words, the phrase "isolated from the outside of the microparticles of the carrier material 410" used in the present application is based on the criterion that liquids cannot effectively flow into them. In other words, the "cavity" used in the present application, "isolated from the outside of the microparticles of the carrier material 410," includes not only a sealed space that is completely disconnected from the outside of the microparticles of the carrier material 410, but also pores (non-sealed spaces) that are connected to the outside of the microparticles of the carrier material 410 but have a pore diameter of 2 nm or less.

炭素材料が大きいポア特性値を有することによって、高電流密度の作業条件下において、物質移動能力を大きく改善し、物質移動抵抗を低下させ、適切なポア構造によって、触媒のフラッディングやガス拡散ポアチャネルの詰まりなどの現象を遅らせ、また、キャビティ特性値の高いキャリア材料410は、起動時と停止時などの作業条件においてより高いキャリア材料410の耐久性を示す。 The carbon material's large pore characteristic value significantly improves mass transfer capacity and reduces mass transfer resistance under high current density operating conditions, and the appropriate pore structure delays phenomena such as catalyst flooding and clogging of gas diffusion pore channels. Furthermore, carrier materials 410 with high cavity characteristic values exhibit higher carrier material 410 durability under operating conditions such as start-up and shutdown.

このようなポアとキャビティが最適化された多孔質炭素材料は、同様に、リチウム電池、ナトリウムイオン電池、薬物送達などの、物質移動・電荷移動プロセスに関する他の分野に使用され得る。 Such porous carbon materials with optimized pores and cavities can also be used in other areas related to mass and charge transport processes, such as lithium batteries, sodium ion batteries, and drug delivery.

いくつかの実施例では、キャリア材料410のポア特性値とキャビティ特性値の比は0.005~0.045の範囲内の値である。 In some embodiments, the ratio of the pore characteristic value to the cavity characteristic value of the carrier material 410 is in the range of 0.005 to 0.045.

いくつかの実施例では、キャリア材料410のポア特性値とキャビティ特性値の比は0.0102~0.0163の範囲内の値であり、より具体的に、0.014~0.015、又は0.0145~0.0148の範囲内の値である。 In some embodiments, the ratio of the pore characteristic value to the cavity characteristic value of the carrier material 410 is a value in the range of 0.0102 to 0.0163, more specifically, a value in the range of 0.014 to 0.015, or 0.0145 to 0.0148.

いくつかの実施例では、キャリア材料410のポア特性値とキャビティ特性値の比は0.0232~0.0384の範囲内の値であり、より具体的に、0.020~0.030、又は0.025~0.028の範囲内の値である。 In some embodiments, the ratio of the pore characteristic value to the cavity characteristic value of the carrier material 410 is a value in the range of 0.0232 to 0.0384, or more specifically, a value in the range of 0.020 to 0.030, or 0.025 to 0.028.

いくつかの実施例では、キャリア材料410のポア特性値とキャビティ特性値の比は0.0090~0.0180の範囲内の値であり、より具体的に、0.012~0.013、又は0.0125~0.0129の範囲内の値である。 In some embodiments, the ratio of the pore characteristic value to the cavity characteristic value of the carrier material 410 is a value in the range of 0.0090 to 0.0180, more specifically, a value in the range of 0.012 to 0.013, or 0.0125 to 0.0129.

いくつかの実施例では、キャリア材料410のポア特性値は0.250g/cm~0.450g/cmの範囲内の値であってもよい。 In some embodiments, the carrier material 410 may have a pore characteristic value ranging from 0.250 g/cm 3 to 0.450 g/cm 3 .

いくつかの実施例では、キャリア材料410のポア特性値は0.260g/cm~0.350g/cmの範囲内の値であってもよい。 In some embodiments, the carrier material 410 may have a pore characteristic value ranging from 0.260 g/cm 3 to 0.350 g/cm 3 .

いくつかの実施例では、キャリア材料410のキャビティ特性値は10.00g/cm~50.00g/cmの範囲内の値であってもよい。 In some embodiments, the carrier material 410 may have a cavity characteristic value in the range of 10.00 g/cm 3 to 50.00 g/cm 3 .

いくつかの実施例では、キャリア材料410のキャビティ特性値は20.00g/cm~40.00g/cmの範囲内の値であってもよい。 In some embodiments, the carrier material 410 may have a cavity characteristic value in the range of 20.00 g/cm 3 to 40.00 g/cm 3 .

いくつかの実施例では、キャリア材料410のポア特性値は0.256g/cm~0.298g/cmの範囲内の値であってもよく、それとともに、キャリア材料410のキャビティ特性値は18.306g/cm~24.902g/cmの範囲内の値であってもよい。 In some embodiments, the pore characteristic value of the carrier material 410 may be a value in the range of 0.256 g/cm 3 to 0.298 g/cm 3 , and simultaneously the cavity characteristic value of the carrier material 410 may be a value in the range of 18.306 g/cm 3 to 24.902 g/cm 3 .

いくつかの実施例では、キャリア材料410のポア特性値は0.375g/cm~0.418g/cmの範囲内の値であってもよく、それとともに、キャリア材料410のキャビティ特性値は10.897g/cm~16.105g/cmの範囲内の値であってもよい。 In some embodiments, the pore characteristic value of the carrier material 410 may be a value in the range of 0.375 g/cm 3 to 0.418 g/cm 3 , and simultaneously the cavity characteristic value of the carrier material 410 may be a value in the range of 10.897 g/cm 3 to 16.105 g/cm 3 .

いくつかの実施例では、キャリア材料410のポア特性値は0.260g/cm~0.350g/cmの範囲内の値であってもよく、それとともに、キャリア材料410のキャビティ特性値は19.306g/cm~30.026g/cmの範囲内の値であってもよい。 In some embodiments, the pore characteristic value of the carrier material 410 may be a value in the range of 0.260 g/cm 3 to 0.350 g/cm 3 , and simultaneously the cavity characteristic value of the carrier material 410 may be a value in the range of 19.306 g/cm 3 to 30.026 g/cm 3 .

いくつかの実施例では、キャリア材料410のポア特性値は0.284、0.319又は0.399であってもよい。 In some embodiments, the carrier material 410 may have a pore characteristic value of 0.284, 0.319, or 0.399.

いくつかの実施例では、キャリア材料410のキャビティ特性値は14.298、19.306又は24.902であってもよい。 In some embodiments, the cavity characteristic value of the carrier material 410 may be 14.298, 19.306, or 24.902.

いくつかの実施例では、キャリア材料410の比表面積は400m/g~1500m/gの範囲内の値であってもよい。更なるオプションとして、キャリア材料410の比表面積は500m/g~1100m/gの範囲内の値であってもよい。 In some embodiments, the specific surface area of the carrier material 410 may be in the range of 400 m 2 /g to 1500 m 2 /g. As a further option, the specific surface area of the carrier material 410 may be in the range of 500 m 2 /g to 1100 m 2 /g.

いくつかの実施例では、キャリア材料410の粒子径は100nm~2μmの範囲内の値であってもよい。更なるオプションとして、キャリア材料410の粒子径は200nm~800nmの範囲内の値であってもよい。 In some embodiments, the particle size of the carrier material 410 may be in the range of 100 nm to 2 μm. As a further option, the particle size of the carrier material 410 may be in the range of 200 nm to 800 nm.

いくつかの実施例では、キャリア材料410のコンパクション密度は0.05g/mL~0.80g/mLの範囲内の値であってもよい。更なるオプションとして、キャリア材料410のコンパクション密度は0.10g/mL~0.50g/mLの範囲内の値であってもよい。 In some embodiments, the compaction density of the carrier material 410 may be a value in the range of 0.05 g/mL to 0.80 g/mL. As a further option, the compaction density of the carrier material 410 may be a value in the range of 0.10 g/mL to 0.50 g/mL.

いくつかの実施例では、キャリア材料410の導電率は6.4S/cm~26.5S/cmの範囲内の値であってもよい。 In some embodiments, the conductivity of the carrier material 410 may be in the range of 6.4 S/cm to 26.5 S/cm.

いくつかの実施例では、キャリア材料410の固定炭素含有量は84.5%~97.2%の範囲内の値であってもよい。 In some embodiments, the fixed carbon content of the carrier material 410 may be in the range of 84.5% to 97.2%.

炭素材料における物質移動反応の発生に寄与するポアの構造特性を定量的に表現するために、本願では、ポア特性値
を、キャリア材料において物質移動反応が安定的に発生できるポアの含有量を表すことができる特性値として設定し、キャビティ特性値
を、キャリア材料において物質移動反応が安定的に発生できないキャビティの含有量を表すことができる特性値として設定し、それらの導出式は、以下のとおりである。
式1において、
は、理想的な単結晶黒鉛の理論真密度(2.266g/cmである)を指し、
は、理想的な単結晶黒鉛の質量を指し、
は、質量が
である理想的な単結晶黒鉛の体積を示す。
式2において、
は、キャリア材料の真密度を指し、
は、キャリア材料の質量を指し、
は、質量が
である理想的な単結晶黒鉛の体積を指し、VIrは、質量が
であるキャリア材料のキャビティ体積を示す。
式3において、
は、キャリア材料のコンパクション密度を指し、
は、キャリア材料の質量を指し、
は、質量が
である理想的な単結晶黒鉛の体積を指し、
は、質量が
であるキャリア材料のポア体積を指し、
は、質量が
であるキャリア材料のキャビティ体積を示す。
In order to quantitatively express the structural characteristics of pores that contribute to the occurrence of mass transfer reactions in carbon materials, in this application, pore characteristic values are used.
is set as a characteristic value that can represent the content of pores in which the mass transfer reaction can occur stably in the carrier material, and the cavity characteristic value
are set as characteristic values that can represent the content of cavities in which the mass transfer reaction cannot occur stably in the carrier material, and the derivation formulas thereof are as follows:
In Formula 1,
refers to the theoretical true density of ideal single crystal graphite (which is 2.266 g/ cm3 ),
refers to the mass of ideal single crystal graphite,
is the mass
shows the volume of ideal single crystal graphite.
In Equation 2,
refers to the true density of the carrier material;
refers to the mass of the carrier material;
is the mass
V refers to the volume of ideal single crystal graphite with a mass of
, where σ is the cavity volume of the carrier material.
In Equation 3,
refers to the compaction density of the carrier material;
refers to the mass of the carrier material;
is the mass
refers to the volume of ideal single crystal graphite,
is the mass
refers to the pore volume of the carrier material,
is the mass
, where σ is the cavity volume of the carrier material.

そのうち、特定のポア構造のキャリア材料については、式4、5に示すとおりである。
Among them, the carrier materials with specific pore structures are as shown in Formulas 4 and 5.

したがって、特性値としてポア特性値
、キャビティ特性値
は、式6、7に示すとおりである。
Therefore, the pore characteristic value is
, cavity characteristic value
is as shown in Equations 6 and 7.

以上では本願におけるポア特性値とキャビティ特性値の計算式が説明されているので、キャリア材料の真密度を示す
、キャリア材料のコンパクション密度を示す
、及び理想的な単結晶黒鉛の理論真密度
によって、本願におけるポア特性値とキャビティ特性値を算出することができる。
The calculation formulas for the pore characteristic value and cavity characteristic value in this application have been explained above, so the true density of the carrier material is shown below.
, denotes the compaction density of the carrier material
, and the theoretical true density of ideal single crystal graphite
The pore characteristic value and cavity characteristic value in the present application can be calculated by the above.

第3形態において、図5に示すように、本願の実施例は、以下のステップを含む、上記キャリア材料により触媒層を製造する方法を提供する。
S210において、一定量の貴金属前駆体を取って有機溶媒に溶解させ、激しく撹拌しながら一定量のキャリア材料410を加え、密閉して均一に撹拌してから乾燥させて第6生成物を得る。
In a third aspect, as shown in FIG. 5, an embodiment of the present application provides a method for manufacturing a catalyst layer using the above carrier material, including the following steps:
In S210, a certain amount of precious metal precursor is taken and dissolved in an organic solvent, and a certain amount of carrier material 410 is added thereto under vigorous stirring, and the mixture is sealed and stirred uniformly, and then dried to obtain a sixth product.

具体的には、S210における有機溶媒は、エタノール、イソプロピルアルコール、エチレングリコール、n-ブタノールのうちの1種又は複数種を含む。 Specifically, the organic solvent in S210 includes one or more of ethanol, isopropyl alcohol, ethylene glycol, and n-butanol.

ステップS210における貴金属前駆体は、塩化白金酸、塩化白金酸カリウム、テトラクロリド白金(II)酸カリウム、二塩化白金、四塩化白金、塩化テトラアンミン白金(II)一水和物、ビス(アセチルアセトナト)白金のうちの1種又は複数種を含む。 The precious metal precursor in step S210 includes one or more of chloroplatinic acid, potassium chloroplatinate, potassium tetrachloroplatinate(II), platinum dichloride, platinum tetrachloride, tetraammineplatinum(II) chloride monohydrate, and bis(acetylacetonato)platinum.

ステップS210における貴金属前駆体の物質量濃度は0.1mol/L~5mol/Lの範囲にあり、更なるオプションとして、1mol/L~2mol/Lの範囲にある。 The mass concentration of the precious metal precursor in step S210 is in the range of 0.1 mol/L to 5 mol/L, and as a further option, in the range of 1 mol/L to 2 mol/L.

S210における激しい撹拌の回転数は300~1000rpm/minである。 The rotation speed for vigorous stirring in S210 is 300 to 1000 rpm/min.

S220において、第6生成物を取り、特定の濃度のHと不活性ガスの混合ガス雰囲気で加熱還元を行って、特定の貴金属含有量を有する炭素粉末(第7生成物)を得る。 In S220, the sixth product is taken and subjected to heating and reduction in a mixed gas atmosphere of H2 and an inert gas at a specific concentration to obtain a carbon powder (seventh product) having a specific precious metal content.

具体的には、S220における特定の濃度のHは、HとAr又はHとNの任意の比率の混合ガスであってもよい。 Specifically, the specific concentration of H2 in S220 may be a mixed gas of H2 and Ar or H2 and N2 in any ratio.

ステップS220における加熱還元の昇温速度は1℃/min~20℃/minの範囲内の値であり、更なるオプションとして、5℃/min~10℃/minの範囲内の値であり、加熱還元の温度は200℃~900℃の範囲であり、更なるオプションとして、300℃~400℃の範囲内の値である。 The heating rate of the thermal reduction in step S220 is between 1°C/min and 20°C/min, and optionally between 5°C/min and 10°C/min, and the thermal reduction temperature is between 200°C and 900°C, and optionally between 300°C and 400°C.

S230において、一定量の第7生成物を取り、酸洗い液で洗浄し、乾燥させて白金含有触媒を得る。 In S230, a certain amount of the seventh product is taken, washed with pickling solution, and dried to obtain a platinum-containing catalyst.

具体的には、S230における酸洗い液は、硝酸、過塩素酸、酢酸のうちの1種又は複数種を含む。 Specifically, the pickling solution in S230 contains one or more of nitric acid, perchloric acid, and acetic acid.

S230における酸洗い液の物質量濃度は0.2mol/L~5mol/Lの範囲にあり、更なるオプションとして、0.5mol/L~2mol/Lの範囲にある。 The substance concentration of the pickling solution in S230 is in the range of 0.2 mol/L to 5 mol/L, and as a further option, in the range of 0.5 mol/L to 2 mol/L.

理解可能なこととして、燃料電池の触媒層400の物質移動能力は、炭素材料のポアの大きさ、種類と関係し、物質移動プロセスにおいて、外部と連通している空洞とポアチャネルでは、反応が継続的かつ安定的に起こり、また、生成された水を適時に排出して、反応の継続的な進行を確保できる。高温処理が行われた有機バイオマス前駆体は熱により分解炭化され、テンプレート剤の作用で対応するポア構造を形成し、金属塩の触媒作用で、表面の黒鉛状微結晶層の分子が重合して再配列し、規則性と秩序度が向上し続け、黒鉛化する傾向があり、最終的にはある程度に黒鉛化された多孔質炭素構造が形成される。 It can be understood that the mass transfer capacity of the catalyst layer 400 of a fuel cell is related to the size and type of pores in the carbon material. During the mass transfer process, the reaction occurs continuously and stably in the cavities and pore channels that are connected to the outside, and the generated water can be discharged in a timely manner to ensure the continuous progress of the reaction. The organic biomass precursor that has been treated at high temperatures is thermally decomposed and carbonized, and the corresponding pore structure is formed under the action of the template agent. Under the catalytic action of the metal salt, the molecules of the graphitic microcrystalline layer on the surface polymerize and rearrange, continuously improving the degree of regularity and order, tending to graphitize, and finally forming a porous carbon structure that has been graphitized to a certain extent.

具体的には、ポア特性値
を、キャリア材料において物質移動反応が安定的に発生できるポアの含有量を表すことができる特性値とし、ポア特性値
が小さいほど、キャリア材料の、物質移動反応が安定的に発生できる能力は強くなり、触媒層400の反応により生成された水は排出されやすくなり、さらに、反応発生場所のフラッディングによって酸素の入り込みが抑えられるリスクを低下させる。
Specifically, the pore characteristic value
is a characteristic value that can represent the content of pores in the carrier material where a mass transfer reaction can occur stably, and the pore characteristic value
The smaller the value, the stronger the carrier material's ability to stably generate mass transfer reactions, the easier it is to discharge water produced by reactions in the catalyst layer 400, and the lower the risk of flooding the reaction site, which will prevent oxygen from entering.

これらのポアの他、キャリア材料410には、外表面と連通していない、流体の浸透が不可能なキャビティがいくつか存在しており、これらのキャビティは、電気化学反応の初期段階においては触媒層400の性能に直接影響を与えず、ガス吸着法による検出・分析もできないが、起動時と停止時などの高電位作業条件においては、これらのキャビティの存在は、キャリア材料の腐食を悪化させる。 In addition to these pores, the carrier material 410 contains several cavities that are not connected to the outer surface and are impermeable to fluids. These cavities do not directly affect the performance of the catalyst layer 400 in the early stages of the electrochemical reaction, and cannot be detected or analyzed by gas adsorption methods. However, under high-potential operating conditions such as during start-up and shutdown, the presence of these cavities exacerbates corrosion of the carrier material.

具体的には、キャビティ特性値
を、当該構造を表現できる特性パラメーターとして、外表面と連通していない、流体の浸透が不可能なキャビティの状況を評価するために使用し、キャビティ特性値
が大きいほど、キャビティ構造は少なくなり、黒鉛化度の高い耐食性成分はそれに応じて多くなり、起動時と停止時などの高電位作業条件においてキャリア材料の耐食性は強くなる。
Specifically, the cavity characteristic value
is used as a characteristic parameter that can express the structure in question to evaluate the state of a cavity that is not connected to the outer surface and cannot be penetrated by a fluid, and the cavity characteristic value
The larger the value, the fewer the cavity structure, and the more corrosion-resistant components with a high degree of graphitization, and the stronger the corrosion resistance of the carrier material under high-potential working conditions such as start-up and shutdown.

第4形態において、上記したキャリア材料の、燃料電池の膜電極への使用により、膜電極は、優れた物質移動能力を有する。 In a fourth aspect, by using the above-mentioned carrier material in a membrane electrode of a fuel cell, the membrane electrode has excellent mass transfer capabilities.

本願は、ポア特性値とキャビティ特性値を制御することで、キャリア材料からなる膜電極の物質移動抵抗を改善する、キャリア材料及びその製造方法を提供するという有利な効果を有する。 The present application has the advantageous effect of providing a carrier material and a manufacturing method thereof that improves the mass transfer resistance of a membrane electrode made of the carrier material by controlling the pore characteristic values and cavity characteristic values.

以下において、具体的な実施例を参照しながら本願の技術案をさらに説明する。 The technical solution of this application will be further explained below with reference to specific examples.

実施例1
(1)カーボン量子ドットを取って10mg/mL硝酸鉄のイソプロピルアルコール混合溶液に分散させ、室温において密閉して撹拌し、10wt.%のテンプレート剤混合液(第1生成物)を得た。ここで、硝酸鉄のイソプロピルアルコール混合溶液における水とイソプロピルアルコールの体積比の値は、0.5であった。
Example 1
(1) Carbon quantum dots were dispersed in a 10 mg/mL solution of iron nitrate in isopropyl alcohol, and the mixture was stirred in a sealed container at room temperature to obtain a 10 wt. % template agent mixture (Product 1). The volume ratio of water to isopropyl alcohol in the iron nitrate in isopropyl alcohol mixture was 0.5.

(2)第1生成物を取り、-40℃で低温真空乾燥を行ってテンプレート剤金属塩混合物(第2生成物)を得た。 (2) The first product was collected and dried in a vacuum at low temperature of -40°C to obtain a template metal salt mixture (second product).

(3)第2生成物に重油を加え、室温において密閉して撹拌し、第3生成物を得た。ここで、重油と第2生成物の質量比の値は、0.1であった。 (3) Heavy oil was added to the second product, and the mixture was stirred in a sealed container at room temperature to obtain a third product. Here, the mass ratio of heavy oil to the second product was 0.1.

(4)HF-Kejing製のKSL-1700Lボックス炉を採用し、窒素条件下で、第3生成物に対して1回目の熱処理を行い、1回目の熱処理の昇温速度を1℃/minとし、温度を200℃とし、冷却させ、取り出して第4生成物を得た。 (4) Using an HF-Kejing KSL-1700L box furnace, the third product was subjected to a first heat treatment under nitrogen conditions. The heating rate for the first heat treatment was 1°C/min, the temperature was raised to 200°C, the product was cooled, and the product was removed to obtain the fourth product.

(5)第4生成物を0.2mol/L塩酸溶液に入れて酸洗い、精製を行い、ろ過及び乾燥を行って炭素粉末(第5生成物)を得た。 (5) The fourth product was placed in a 0.2 mol/L hydrochloric acid solution for acid washing and purification, followed by filtration and drying to obtain carbon powder (fifth product).

(6)第5生成物に対してアルゴン雰囲気で2回目の熱処理(高温熱処理)を行い、設備としてFULLAD製の黒鉛化炉を採用し、高温熱処理の昇温速度を10℃/minとし、温度を1600℃とし、常温まで自然冷却させ、そして二酸化炭素雰囲気で中温熱処理を行い、中温熱処理の昇温速度を10℃/minとし、温度を200℃とし、冷却させてキャリア材料を得、本実施例のキャリア材料をC1として定義した。 (6) The fifth product was subjected to a second heat treatment (high-temperature heat treatment) in an argon atmosphere using a FULLAD graphitization furnace. The temperature increase rate for the high-temperature heat treatment was 10°C/min, the temperature was 1600°C, and the product was allowed to cool naturally to room temperature. Then, a medium-temperature heat treatment was performed in a carbon dioxide atmosphere, the temperature increase rate for the medium-temperature heat treatment was 10°C/min, the temperature was 200°C, and the product was allowed to cool to obtain a carrier material. This carrier material in this example was defined as C1.

(7)キャリア材料を500rpm/minの回転数で1mol/L塩化白金酸のエタノール溶液に入れ、密閉して均一に撹拌し、乾燥させて第6生成物を得た。 (7) The carrier material was placed in a 1 mol/L ethanol solution of chloroplatinic acid at a rotation speed of 500 rpm/min, sealed, stirred uniformly, and dried to obtain Product 6.

(8)第6生成物をH(20%Ar)ガス雰囲気で加熱還元して第7生成物を得た。設備としてBONA製のチューブ炉を採用し、加熱還元の昇温速度を5℃/minとし、温度を200℃とした。 (8) The sixth product was heated and reduced in a H2 (20% Ar) gas atmosphere to obtain a seventh product. A BONA tube furnace was used, and the heating rate for the thermal reduction was set to 5°C/min, and the temperature was set to 200°C.

(9)第7生成物を1mol/L塩酸溶液に入れて酸洗い、精製を行い、ろ過及び乾燥を行って白金含有触媒を得、本実施例の白金含有触媒をC1-catとして定義した。 (9) The seventh product was placed in a 1 mol/L hydrochloric acid solution, washed with acid, purified, filtered, and dried to obtain a platinum-containing catalyst. This platinum-containing catalyst was defined as C1-cat in this example.

実施例2~10
実施例2~10は、(1)で得られたテンプレート剤混合液(第1生成物)の質量濃度において実施例1と異なる。
表1は、実施例2~10におけるテンプレート剤混合液(第1生成物)の質量濃度を示す。
Examples 2 to 10
Examples 2 to 10 differ from Example 1 in the mass concentration of the template agent mixture (first product) obtained in (1).
Table 1 shows the mass concentrations of the template agent mixtures (first products) in Examples 2 to 10.

実施例11~19
実施例11~19は、(1)における硝酸鉄のイソプロピルアルコール混合溶液の濃度において実施例1と異なる。
表2は、硝酸鉄のイソプロピルアルコール混合溶液の濃度を示す。
Examples 11 to 19
Examples 11 to 19 differ from Example 1 in the concentration of the iron nitrate isopropyl alcohol mixed solution in (1).
Table 2 shows the concentrations of iron nitrate in isopropyl alcohol solutions.

以下において、本願の試験方法を説明する。 The test method used in this application is described below.

1)炭素材料の比表面積の試験方法:
一定した低温で、ASAP2460マイクロメリティックス比表面積試験機を採用して、異なる相対圧力での固体表面におけるガス吸着量を測定した後、ブルナウアー・エメット・テラー吸着理論及びその式(BET式)に基づいて試料の単分子層の吸着量を求めて、材料の比表面積SAを算出した。
1) Test method for specific surface area of carbon material:
At a constant low temperature, an ASAP2460 Micromeritics specific surface area tester was used to measure the gas adsorption amount on the solid surface at different relative pressures, and then the adsorption amount of the monolayer of the sample was calculated based on the Brunauer-Emmett-Teller adsorption theory and its formula (BET formula), and the specific surface area SA of the material was calculated.

2)ポア特性値とキャビティ特性値の試験方法:
キャリア材料をランダムに取り、Pentapyctm5200e真密度試験機によって
を測定し、GeoPyc-1365マイクロメリティックスタップ密度試験機によって
を測定し(圧力は膜電極製造圧力と同じく1MPaである)、式6、7及び理想的な単結晶黒鉛の理論真密度
(2.266g/cmである)により、炭素材料のポア特性値
、キャビティ特性値
を得た。
2) Test method for pore and cavity characteristics:
Carrier materials were randomly selected and measured using a Pentapyc™ 5200E true density tester.
was measured by a GeoPyc-1365 Micromeritics tap density tester.
(The pressure is 1 MPa, which is the same as the pressure used in the production of membrane electrodes.)
(2.266 g/ cm³ ) is the pore characteristic value of the carbon material.
, cavity characteristic value
obtained.

3)キャリア材料の粒度の試験方法:
Malvern3000レーザー粒度計によって、キャリア材料の粒度の試験を行った。粒子によって各方向に発生する散乱光の強度分布は粒子のサイズに依存しており、大きい粒子は散乱角が小さく、小さい粒子は散乱角が大きいため、レーザー回折の散乱光の強度分布を利用して粒子の粒子径分布を得た。
3) Test method for particle size of carrier material:
The particle size of the carrier material was tested using a Malvern 3000 laser particle sizer. The intensity distribution of scattered light generated in each direction by particles depends on the particle size, with larger particles having a smaller scattering angle and smaller particles having a larger scattering angle, so the particle size distribution of the particles was obtained using the intensity distribution of scattered light from laser diffraction.

4)触媒における白金含有量の試験方法:
一定量の触媒サンプルを王水に入れることで溶かし、ろ過及び定容を行い、ICPスペクトロメーターによって元素含有量ICP-Ptの試験を行った。
4) Test method for platinum content in catalyst:
A certain amount of catalyst sample was dissolved in aqua regia, filtered and volumized, and tested for elemental content ICP-Pt by ICP spectrometer.

5)触媒の電気化学的活性面積及び保持率の試験方法:
キャリア材料により製造された触媒の性能について三電極システムによって試験を行い、一定量の触媒を量り取って5%Nafion溶液、脱イオン水、及びイソプロピルアルコールを順番に加えた。超音波でスラリーを均一に混合した。電極表面の触媒担持量を20ug/cm~50ug/cmとするように、分散されたスラリーを取ってそれぞれディスク電極の表面に均一に加え、乾燥させた後、作用電極とした。作用電極、参照電極、及びカウンター電極を電解セルに配置し、三電極系を構成する。ここで、参照電極は、RHE可逆水素電極であり、カウンター電極は、大面積Ptシートであり、電解質は、飽和0.1M HClO溶液である。
5) Test method for electrochemically active area and retention rate of catalyst:
The performance of the catalysts prepared using the carrier materials was tested using a three-electrode system. A certain amount of catalyst was weighed out and sequentially added with 5% Nafion solution, deionized water, and isopropyl alcohol. The slurry was uniformly mixed using ultrasound. The dispersed slurry was then uniformly applied to the surface of a disk electrode to achieve a catalyst loading of 20 μg/ cm2 to 50 μg/ cm2 . After drying, the working electrode was formed. The working electrode, reference electrode, and counter electrode were placed in an electrolytic cell to form a three-electrode system. Here, the reference electrode was a RHE reversible hydrogen electrode, the counter electrode was a large-area Pt sheet, and the electrolyte was a saturated 0.1 M HClO4 solution.

サイクリックボルタンメトリー曲線の試験を行った。まず20mV/sの走査速度で触媒を活性化し、水素脱離ピーク面積が増加しなくなった後、20mV/sの速度で10回走査し、電位走査範囲は1.0V~1.5VvsRHEとした。安定した後のサイクリックボルタンメトリー曲線を取り出し、その水素脱離ピーク(0.05V~0.4VvsRHE)を積分して、面積Sを得、式8により電気化学的活性面積ECSAを計算した。
式8において、
は、電気化学的活性面積を指し、単位が平方メートル/グラム(m/g)であり、
は、水素脱離領域の積分面積を指し、単位がアンペア*ボルト(A*V)であり、
は、平滑なPt表面の吸着水素の酸化吸着電荷定数を指し、0.21ミリクーロン/平方センチメートル(0.21mC/cm)であり、
は、走査速度を指し、単位がミリボルト/秒(mV/s)であり、
は、電極におけるPtの質量を指し、単位がグラム(g)である。
A cyclic voltammetry curve test was conducted. First, the catalyst was activated at a scan rate of 20 mV/s. After the hydrogen desorption peak area stopped increasing, the catalyst was scanned 10 times at a scan rate of 20 mV/s, with the potential scan range being 1.0 V to 1.5 V vs. RHE. After stabilization, the cyclic voltammetry curve was taken, and the hydrogen desorption peak (0.05 V to 0.4 V vs. RHE) was integrated to obtain the area S, from which the electrochemically active area ECSA was calculated using Equation 8.
In Equation 8,
refers to the electrochemically active area, in square meters per gram (m/g);
refers to the integrated area of the hydrogen desorption region, and has units of amperes*volts (A*V);
refers to the oxidation adsorption charge constant of adsorbed hydrogen on a smooth Pt surface, which is 0.21 millicoulombs per square centimeter (0.21 mC/cm 2 );
refers to the scan rate, in millivolts per second (mV/s),
refers to the mass of Pt in the electrode, in grams (g).

1.0V~1.5VvsRHEの範囲内において10000Cycles循環し、作用電極のサイクリックボルタンメトリー試験の前後の電気化学的活性面積の保持率を記録した。 The test was cycled 10,000 times within the range of 1.0 V to 1.5 V vs. RHE, and the retention of the electrochemically active area of the working electrode before and after the cyclic voltammetry test was recorded.

6)触媒層の物質輸送インピーダンスの試験方法:
電池テストベンチによって、触媒層が炭素材料により製造される単電池の性能の試験を行い、使用された膜電極の陽極の触媒担持量は0.2mg/cmであり、陰極の触媒担持量は0.4mg/cmであった。十分な活性化の後、インピーダンス試験が、電池作動温度80℃、湿度100RH%、電池背圧150kPa/150kPaの条件下で行われ、電流が2A/cmに達するように負荷を入れて、電流制御モードで10%の外乱電流を印加し、周波数は10000Hz~0.5Hzとした。
6) Test method for mass transport impedance of catalyst layer:
A battery test bench was used to test the performance of a single cell whose catalyst layer was made of carbon material. The catalyst loading of the anode of the membrane electrode used was 0.2 mg/ cm² , and the catalyst loading of the cathode was 0.4 mg/ cm² . After sufficient activation, an impedance test was performed under the conditions of a battery operating temperature of 80°C, humidity of 100 RH%, and battery back pressure of 150 kPa/150 kPa. A load was applied so that the current reached 2 A/ cm² , and a 10% disturbance current was applied in current control mode, with a frequency of 10,000 Hz to 0.5 Hz.

図6に示すように、EIS試験で得られたナイキストプロットは、図6に示す等価回路によってフィットされ、物質輸送インピーダンスが、有限のWarburgインピーダンス要素によって表される。 As shown in Figure 6, the Nyquist plot obtained from the EIS test was fitted by the equivalent circuit shown in Figure 6, in which the mass transport impedance is represented by a finite Warburg impedance element.

SA、固定炭素、導電率、ポア特性値、キャビティ特性値、理想的な密度、真密度、及びコンパクション密度の検出結果を表3に示す。 The detection results for SA, fixed carbon, conductivity, pore characteristic value, cavity characteristic value, ideal density, true density, and compaction density are shown in Table 3.

ICP-Pt、ECSA、ECSA保持率、及び物質輸送インピーダンスの検出結果を表4に示す。
The results of the detection of ICP-Pt, ECSA, ECSA retention, and mass transport impedance are shown in Table 4.

実施例1~19と表3~4の検出結果からわかるように、キャリア材料のポアは、テンプレート剤によるポア形成及び金属塩の触媒作用によるポア形成を含めて由来し、本願の実施例では、主にテンプレート剤混合液の質量濃度及び金属塩混合溶液の濃度を変更し、この両者を協働させて、ポア形成/キャビティ形成に寄与しており、得られたキャリア材料のポア特性値は0.15~0.52g/cm、キャビティ特性値は約7~60g/cm、達成できるICP-Ptは46.2~49.2wt.%、ECSAは66.7~96.2g/cm、ECSA保持率は62.54~83.84%、物質輸送インピーダンスは0.553~1.131 2A/cm@Ω.cmである。所定の目標となるECSA保持率及び物質輸送インピーダンスに基づいて、本願に適したポア特性値とキャビティ特性値を選択することにより、ポア特性値とキャビティ特性値で膜電極の物質移動能力を表現することが実現される。 As can be seen from the detection results in Examples 1 to 19 and Tables 3 to 4, the pores in the carrier material are derived from both pore formation by the template agent and pore formation by the catalytic action of metal salts. In the examples of the present application, the mass concentration of the template agent mixture and the concentration of the metal salt mixture were mainly changed, and the two cooperated to contribute to pore/cavity formation. The resulting carrier materials had pore characteristic values of 0.15 to 0.52 g/cm 3 , cavity characteristic values of approximately 7 to 60 g/cm 3 , ICP-Pt of 46.2 to 49.2 wt. %, ECSA of 66.7 to 96.2 g/cm 3 , ECSA retention of 62.54 to 83.84%, and mass transport impedance of 0.553 to 1.131 2 A/cm 2 @ Ω cm 2 . By selecting pore characteristic values and cavity characteristic values suitable for this application based on the predetermined target ECSA retention rate and mass transport impedance, it is possible to express the mass transport capacity of the membrane electrode using the pore characteristic values and cavity characteristic values.

実施例6と実施例9及び表4の検出結果からわかるように、実施例6の比表面積は1459.56m2/g、ECSAは79.1m/g、ECSA保持率は62.54%、物質輸送インピーダンスは1.131Ω.cm@2A/cmであり、実施例9の比表面積は1502.91m2/g、ECSAは89.5m/g、ECSA保持率は83.84%、物質輸送インピーダンスは0.637Ω.cm@2A/cmであり、実施例6と実施例9は、近接している比表面積を有するキャリア材料であるが、ECSA保持率及び物質輸送インピーダンスに顕著な差があり、これは、キャリア材料からなる膜電極の物質移動に大きな差があることを示している。 As can be seen from the detection results of Examples 6 and 9 and Table 4, the specific surface area of Example 6 was 1459.56 m2/g, the ECSA was 79.1 m2 /g, the ECSA retention was 62.54%, and the mass transport impedance was 1.131 Ω.cm2 @ 2A/ cm2 , while the specific surface area of Example 9 was 1502.91 m2/g, the ECSA was 89.5 m2 /g, the ECSA retention was 83.84%, and the mass transport impedance was 0.637 Ω.cm2 @ 2A/ cm2. Although Examples 6 and 9 are carrier materials with similar specific surface areas, there are significant differences in the ECSA retention and mass transport impedance, which indicates a large difference in the mass transport of membrane electrodes made of the carrier materials.

同一の金属塩の条件下でテンプレート剤混合液の濃度を変えることで、製造されたキャリア材料がテンプレートへの金属塩のより均一な付着に寄与することにより、1回目の熱処理プロセスにおける炭素源との十分な接触が実現され、一定量のテンプレート剤が互いにつながっている、又は近接しているポア又はキャビティが形成される。テンプレート剤混合液の質量濃度が大きすぎると、テンプレートにおける金属塩の分散が十分に均一でなくなる可能性があり、その結果、上記のポア形成プロセスが実現できなくなる。金属塩がテンプレート剤を介さずに直接炭素源に作用すると、連通していない大量のマイクロポア及びキャビティが形成される。 By changing the concentration of the template agent mixture under the same metal salt conditions, the manufactured carrier material contributes to more uniform adhesion of the metal salt to the template, ensuring sufficient contact with the carbon source during the first heat treatment process and forming pores or cavities in which a certain amount of template agent is interconnected or adjacent to each other. If the mass concentration of the template agent mixture is too high, the metal salt may not be dispersed uniformly in the template, resulting in the above-mentioned pore formation process being unable to be achieved. If the metal salt acts directly on the carbon source without the aid of a template agent, a large number of disconnected micropores and cavities will be formed.

同じ濃度のテンプレート剤の条件下で金属塩混合溶液の濃度を変えることで、2回目の熱処理プロセスにおいて、金属塩は黒鉛化触媒作用を果たして、物質移動プロセスの安定性の向上に寄与し、また、残った金属塩は、さらにポア形成剤の作用を果たして、いくつかの微細なマイクロポアを連通してポアを形成し、キャビティ構造の割合を低下させ、キャビティ特性値を大きくし、これは黒鉛化程度の向上に寄与し、当該キャリア材料は、起動時と停止時などの高電位作業条件に使用されると、より強い耐食性を有するものになる。 By changing the concentration of the metal salt mixed solution under the same template agent concentration, the metal salt acts as a graphitization catalyst during the second heat treatment process, contributing to improving the stability of the mass transfer process. The remaining metal salt also acts as a pore-forming agent, connecting several fine micropores to form pores, reducing the proportion of cavity structures and increasing the cavity characteristic value, which contributes to improving the degree of graphitization. This carrier material has stronger corrosion resistance when used under high-voltage operating conditions such as start-up and shutdown.

実施例1~19、表4及び図7の検出結果からわかるように、本願により製造されたキャリア材料のポア特性値と物質輸送インピーダンスの間に一定の規則が存在し、ポア特性値の増加に従って、物質輸送インピーダンスもそれとともに増加する傾向があるが、変化過程においては突然変異値が存在するため、ポア特性値に対して更なるスクリーニングが行われ、ポア特性値が0.25~0.45g/cmの範囲にある場合、高い物質輸送インピーダンスを有するキャリア材料を得ることができ、膜電極の物質移動能力は良好である。一方、ポア特性値が0.45g/cmを超える場合、物質輸送インピーダンスは急激に上昇し、膜電極分極曲線における電流密度が迅速に低下してしまい、ひいては膜電極の電力密度が低下してしまう。ポア特性値が0.25g/cmより小さい場合、物質輸送インピーダンスの変化は十分に顕著ではない。 As can be seen from the detection results of Examples 1 to 19, Table 4, and Figure 7, there is a certain rule between the pore characteristic value and mass transport impedance of the carrier material produced by the present application. As the pore characteristic value increases, the mass transport impedance also tends to increase accordingly. However, due to the existence of variations in the change process, further screening of the pore characteristic value is performed. When the pore characteristic value is in the range of 0.25 to 0.45 g/ cm3 , a carrier material with high mass transport impedance can be obtained, and the mass transfer capacity of the membrane electrode is good. On the other hand, when the pore characteristic value exceeds 0.45 g/ cm3 , the mass transport impedance increases sharply, causing a rapid decrease in the current density in the membrane electrode polarization curve, which in turn reduces the power density of the membrane electrode. When the pore characteristic value is less than 0.25 g/ cm3 , the change in mass transport impedance is not significant enough.

実施例1~19、表4及び図8の検出結果からわかるように、本願により製造されたキャリア材料のキャビティ特性値とECSA保持率の間に一定の規則が存在し、キャビティ特性値の増加に従って、ECSA保持率はまず増加し、そして徐々に低下する傾向があるので、キャビティ特性値の好ましい範囲は、10~50g/cmである。 As can be seen from the detection results of Examples 1 to 19, Table 4 and FIG. 8, there is a certain rule between the cavity characteristic value and the ECSA retention rate of the carrier material produced according to the present invention. As the cavity characteristic value increases, the ECSA retention rate tends to increase first and then gradually decrease. Therefore, the preferred range of the cavity characteristic value is 10 to 50 g/ cm3 .

以上をまとめると、膜電極の物質移動能力は、炭素材料のポアの大きさ、種類と関係し、物質移動プロセスにおいて、外部と連通している空洞とポアチャネルでは、反応が継続的かつ安定的に起こり、また、生成された水を適時に排出して、反応の継続的な進行を確保できる。高温処理が行われた有機バイオマス前駆体は熱により分解炭化され、テンプレート剤の作用で対応するポア構造を形成し、金属塩の触媒作用で、表面の黒鉛状微結晶層の分子が重合して再配列し、規則性と秩序度が向上し続け、黒鉛化する傾向があり、最終的にはある程度に黒鉛化された多孔質炭素構造が形成され、膜電極は優れた物質移動能力を有するものになる。 In summary, the mass transfer capacity of a membrane electrode is related to the size and type of pores in the carbon material. During the mass transfer process, the reaction occurs continuously and stably in the cavities and pore channels that are connected to the outside, and the generated water can be discharged in a timely manner to ensure the continuous progress of the reaction. After high-temperature treatment, the organic biomass precursor is thermally decomposed and carbonized, and the corresponding pore structure is formed under the action of the template agent. Under the catalytic action of the metal salt, the molecules in the graphitic microcrystalline layer on the surface polymerize and rearrange, continuously improving their regularity and order, and tending to graphitize. Finally, a porous carbon structure with a certain degree of graphitization is formed, resulting in a membrane electrode with excellent mass transfer capacity.

以上は本願の実施例によって提供されるキャリア材料及びその製造方法を詳細に説明しており、本文では、本願の原理及び実施形態を説明するために具体例を使用したが、上記の実施例の説明は、本願の方法及びその主旨を理解するためにのみ使用されるものであり、また、本分野の技術者にとっては、本願の主旨により、発明を実施するための形態にも適用の範囲にも変更が生じる可能性があり、以上をまとめると、本明細書の内容は本願を制限するものとして理解されるべきではない。 The above provides a detailed description of the carrier material and its manufacturing method provided by the examples of the present application. While specific examples are used in the text to explain the principles and embodiments of the present application, the explanations of the above examples are intended to be used only to understand the method and gist of the present application. Furthermore, those skilled in the art will recognize that the gist of the present application may lead to changes in the mode for implementing the invention and the scope of application. In summary, the contents of this specification should not be construed as limiting the present application.

100:極板
200:拡散層
300:プロトン膜
400:触媒層
410:キャリア材料
420:触媒粒子
100: Electrode plate 200: Diffusion layer 300: Proton membrane 400: Catalyst layer 410: Carrier material 420: Catalyst particles

Claims (12)

キャリア材料の製造方法であって、
テンプレート剤を金属塩混合溶液中に分散させて特定の濃度の第1生成物を得るステップと、
前記第1生成物を低温真空乾燥して第2生成物を得るステップと、
有機炭素源を前記第2生成物と混合させて第3生成物を得るステップと、
真空又は不活性ガスの条件下で前記第3生成物に対して1回目の熱処理を行って第4生成物を得るステップと、
前記第4生成物を酸洗い液で洗浄し、乾燥させて第5生成物を得るステップと、
前記第5生成物に対して2回目の熱処理を行って前記キャリア材料を得るステップと、を含み、
前記テンプレート剤は、カーボン量子ドット、ナノ酸化アルミニウム、ナノ酸化ケイ素、ナノ酸化マグネシウム、ナノ酸化カルシウム、ナノ炭酸カルシウムのうちの1種又は複数種を含み、
前記キャリア材料の微細粒子は、複数のポアと複数のキャビティを有するように構成され、前記ポアは、前記微細粒子の外部と連通し、前記キャビティは、前記微細粒子の外部と隔離され、
前記キャリア材料の質量と前記ポアの総体積の比をポア特性値として定義して、前記キャリア材料の質量と前記キャビティの総体積の比をキャビティ特性値として定義する場合、前記キャリア材料のポア特性値は、前記キャリア材料のキャビティ特性値よりも小さい、
キャリア材料の製造方法。
1. A method for producing a carrier material, comprising:
Dispersing a template agent in a metal salt mixture solution to obtain a first product at a specific concentration;
low-temperature vacuum drying the first product to obtain a second product;
mixing an organic carbon source with the second product to obtain a third product;
performing a first heat treatment on the third product under vacuum or inert gas conditions to obtain a fourth product;
washing the fourth product with an acid pickling solution and drying to obtain a fifth product;
and performing a second heat treatment on the fifth product to obtain the carrier material;
the template agent comprises one or more of carbon quantum dots, nano aluminum oxide, nano silicon oxide, nano magnesium oxide, nano calcium oxide, and nano calcium carbonate;
The fine particles of the carrier material are configured to have a plurality of pores and a plurality of cavities, the pores being in communication with the outside of the fine particles, and the cavities being isolated from the outside of the fine particles;
When the ratio of the mass of the carrier material to the total volume of the pores is defined as a pore characteristic value and the ratio of the mass of the carrier material to the total volume of the cavities is defined as a cavity characteristic value, the pore characteristic value of the carrier material is smaller than the cavity characteristic value of the carrier material.
A method for producing a carrier material.
前記キャリア材料のポア特性値は、0.250g/cm~0.450g/cmの範囲内の値を含み、及び/又は、前記キャリア材料のキャビティ特性値は、10.00g/cm~50.00g/cmの範囲内の値を含む、
請求項1に記載のキャリア材料の製造方法。
the pore characteristic value of the carrier material includes a value in the range of 0.250 g/cm 3 to 0.450 g/cm 3 and/or the cavity characteristic value of the carrier material includes a value in the range of 10.00 g/cm 3 to 50.00 g/cm 3 ;
A method for producing the carrier material of claim 1 .
記金属塩混合溶液における金属塩は、硝酸鉄、硝酸クロム、硝酸コバルト、硝酸ニッケル、硝酸亜鉛、硝酸マグネシウム、塩化鉄、塩化コバルト、塩化ニッケル、塩化亜鉛、塩化マグネシウム、硫酸鉄、硫酸鉄、硫酸鉄、硫酸亜鉛、硫酸マグネシウムのうちの1種又は複数種を含み、
前記金属塩混合溶液における混合溶媒は、イソプロピルアルコール、エチレングリコール、n-ブタノール、N-メチルピロリドン、エタノールのうちの1種又は複数種と蒸留水の混合物を含み、
前記金属塩混合溶液の溶液濃度は、10mg/mL~100mg/mLの範囲にあり、前記特定の濃度の第1生成物の濃度は、10wt.%~50wt.%の範囲にある、
請求項1に記載のキャリア材料の製造方法。
the metal salt in the metal salt mixed solution includes one or more of iron nitrate, chromium nitrate, cobalt nitrate, nickel nitrate, zinc nitrate, magnesium nitrate, iron chloride, cobalt chloride, nickel chloride, zinc chloride, magnesium chloride, iron sulfate, iron sulfate, iron sulfate, zinc sulfate, and magnesium sulfate;
The mixed solvent in the metal salt mixed solution includes a mixture of one or more of isopropyl alcohol, ethylene glycol, n-butanol, N-methylpyrrolidone, and ethanol with distilled water;
The solution concentration of the metal salt mixed solution is in the range of 10 mg/mL to 100 mg/mL, and the concentration of the first product of the specific concentration is in the range of 10 wt. % to 50 wt. %.
A method for producing the carrier material of claim 1 .
前記有機炭素源は、アスファルト、糖、重油、脂肪酸、ポリビニルアルコール、ポリアミド、エポキシ樹脂、フェノリック樹脂、有機塩及びそれらの誘導体のうちの1種又は複数種を含み、
前記有機炭素源を前記第2生成物と混合させて第3生成物を得る前記ステップでは、前記有機炭素源と前記第2生成物の質量比は0.1~3の範囲内の値を含む、
請求項1に記載のキャリア材料の製造方法。
the organic carbon source comprises one or more of asphalt, sugar, heavy oil, fatty acid, polyvinyl alcohol, polyamide, epoxy resin, phenolic resin, organic salt, and derivatives thereof;
In the step of mixing the organic carbon source with the second product to obtain a third product, the mass ratio of the organic carbon source to the second product comprises a value in the range of 0.1 to 3;
A method for producing the carrier material of claim 1 .
真空又は不活性ガスの条件下で前記第3生成物に対して1回目の熱処理を行って第4生成物を得る前記ステップでは、前記1回目の熱処理の昇温速度は1℃/min~20℃/minの範囲内の値を含み、熱処理温度は200℃~1000℃の範囲内の値を含む、
請求項1に記載のキャリア材料の製造方法。
In the step of performing a first heat treatment on the third product under vacuum or inert gas conditions to obtain a fourth product, the temperature rise rate of the first heat treatment includes a value within a range of 1°C/min to 20°C/min, and the heat treatment temperature includes a value within a range of 200°C to 1000°C.
A method for producing the carrier material of claim 1 .
前記酸洗い液は、塩酸、硝酸、過塩素酸、硫酸、酢酸、フッ酸のうちの1種又は複数種を含み、
前記酸洗い液の物質量濃度は0.2mol/L~5mol/Lの範囲内の値を含む、
請求項1に記載のキャリア材料の製造方法。
the pickling solution contains one or more of hydrochloric acid, nitric acid, perchloric acid, sulfuric acid, acetic acid, and hydrofluoric acid;
The substance concentration of the pickling solution includes a value in the range of 0.2 mol/L to 5 mol/L;
A method for producing the carrier material of claim 1 .
前記第5生成物に対して2回目の熱処理を行って前記キャリア材料を得る前記ステップは、
前記第5生成物を不活性雰囲気で高温熱処理して中間生成物を得るステップと、
前記中間生成物を冷却処理するステップと、
冷却処理した後の中間生成物を酸化性雰囲気で中温熱処理して前記キャリア材料を得るステップと、を含み、
前記高温熱処理の昇温速度は1℃/min~15℃/minの範囲内の値を含み、熱処理温度は1000℃~3000℃の範囲内の値を含み、前記中温熱処理の昇温速度は1℃/min~15℃/minの範囲内の値を含み、熱処理温度は100℃~600℃の範囲内の値を含む、
請求項1~6のいずれか一項に記載のキャリア材料の製造方法。
The step of subjecting the fifth product to a second heat treatment to obtain the carrier material includes:
heat-treating the fifth product at a high temperature in an inert atmosphere to obtain an intermediate product;
cooling the intermediate product;
and subjecting the cooled intermediate product to a medium-temperature heat treatment in an oxidizing atmosphere to obtain the carrier material.
The temperature rise rate of the high-temperature heat treatment includes a value in the range of 1°C/min to 15°C/min, and the heat treatment temperature includes a value in the range of 1000°C to 3000°C, and the temperature rise rate of the medium-temperature heat treatment includes a value in the range of 1°C/min to 15°C/min, and the heat treatment temperature includes a value in the range of 100°C to 600°C.
A method for producing the carrier material according to any one of claims 1 to 6.
キャリア材料であって、
前記キャリア材料の微細粒子は、複数のポアと複数のキャビティを有するように構成され、前記ポアは、前記微細粒子の外部と連通し、前記キャビティは、前記微細粒子の外部と隔離され、
前記キャリア材料の質量と前記ポアの総体積の比をポア特性値として定義し、
前記キャリア材料の質量と前記キャビティの総体積の比をキャビティ特性値として定義する場合、
前記キャリア材料のポア特性値は、前記キャリア材料のキャビティ特性値よりも小さい、
キャリア材料。
A carrier material comprising:
The fine particles of the carrier material are configured to have a plurality of pores and a plurality of cavities, the pores being in communication with the outside of the fine particles, and the cavities being isolated from the outside of the fine particles;
The ratio of the mass of the carrier material to the total volume of the pores is defined as a pore characteristic value;
When the ratio of the mass of the carrier material to the total volume of the cavity is defined as a cavity characteristic value,
The pore characteristic value of the carrier material is smaller than the cavity characteristic value of the carrier material.
Carrier material.
前記キャリア材料のポア特性値は、0.250g/cm~0.450g/cmの範囲内の値を含み、及び/又は、前記キャリア材料のキャビティ特性値は、10.00g/cm~50.00g/cmの範囲内の値を含む、
請求項8に記載のキャリア材料。
the pore characteristic value of the carrier material includes a value in the range of 0.250 g/cm 3 to 0.450 g/cm 3 and/or the cavity characteristic value of the carrier material includes a value in the range of 10.00 g/cm 3 to 50.00 g/cm 3 ;
The carrier material of claim 8.
前記キャリア材料の比表面積は400m/g~1500m/gの範囲内の値を含み、
及び/又は、
前記キャリア材料の粒子径は100nm~2μmの範囲内の値を含み、
及び/又は、
前記キャリア材料のコンパクション密度は0.05g/mL~0.80g/mLの範囲内の値を含み、
前記キャリア材料の導電率は6.4S/cm~26.5S/cmの範囲内の値を含み、
前記キャリア材料の固定炭素含有量は84.5%~97.2%の範囲内の値を含む、
請求項8に記載のキャリア材料。
the specific surface area of the carrier material comprises a value in the range of 400 m 2 /g to 1500 m 2 /g;
and/or
The particle size of the carrier material includes values in the range of 100 nm to 2 μm;
and/or
the compaction density of the carrier material comprises a value within the range of 0.05 g/mL to 0.80 g/mL;
the conductivity of the carrier material comprises values in the range of 6.4 S/cm to 26.5 S/cm;
the fixed carbon content of the carrier material includes values within the range of 84.5% to 97.2%;
The carrier material of claim 8.
請求項8~10のいずれか一項に記載のキャリア材料を含む、燃料電池。 A fuel cell comprising the carrier material described in any one of claims 8 to 10. 請求項8~10のいずれか一項に記載のキャリア材料の、燃料電池の膜電極への使用。 Use of the carrier material according to any one of claims 8 to 10 in a membrane electrode of a fuel cell.
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