JP2006172865A - Electrode for fuel cell, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池用電極及び燃料電池に関する。 The present invention relates to an electrode for a fuel cell and a fuel cell.
燃料電池は、負極および正極と、これらの間に設けられた電解質から構成され、負極には燃料が、正極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。 A fuel cell is composed of a negative electrode and a positive electrode, and an electrolyte provided between them, and a fuel is supplied to the negative electrode and an oxidant is supplied to the positive electrode to generate electricity by an electrochemical reaction.
これらの正極及び負極は、少なくとも電解質に接する部分に、触媒が担持されることが多い。 In many of these positive electrodes and negative electrodes, a catalyst is supported on at least a portion in contact with the electrolyte.
また、電極としては、通常、カーボンブラックが用いられる。しかし、カーボンブラックは、電気抵抗が大きく、また触媒担持量も大きくなく、出力が小さいという課題がある。 Also, carbon black is usually used as the electrode. However, carbon black has a problem that electric resistance is large, catalyst loading is not large, and output is small.
この解決策として、特許文献1には、カーボンナノファイバーなどのナノカーボンの使用が検討されている。
しかし、カーボンナノファイバーなどのナノカーボンを使用しても、出力向上幅が小さかった。 However, even if nanocarbon such as carbon nanofiber was used, the output improvement width was small.
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高出力を得られる燃料電池用電極及び燃料電池を提供することにある。 This invention is made | formed in view of said situation, The objective is to provide the electrode for fuel cells and fuel cell which can obtain high output.
本発明の上記目的は、
(請求項1)表面にカーボンが固着されているカーボン繊維を電子伝導体として含有することを特徴とする燃料電池用電極。
The above object of the present invention is to
(Claim 1) An electrode for a fuel cell comprising carbon fiber having carbon adhered to the surface as an electron conductor.
(請求項2)前記電子伝導体は、触媒を担持していることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用電極。 (Claim 2) The fuel cell electrode according to claim 1, wherein the electron conductor carries a catalyst.
(請求項3)前記電子伝導体の比表面積が50〜1000m2/gであることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池用電極。 (3) The fuel cell electrode according to (1) or (2), wherein the electron conductor has a specific surface area of 50 to 1000 m 2 / g.
(請求項4)前記カーボンは、カーボン繊維の表面に有機高分子を付着後、焼成することにより固着されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池用電極。 (Claim 4) The carbon is fixed by firing after attaching an organic polymer to the surface of the carbon fiber, according to any one of claims 1 to 3. electrode.
(請求項5)負極及び正極の少なくとも一方が、請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池用電極を用いたことを特徴とする燃料電池。
によって達成される。
(Claim 5) At least one of the negative electrode and the positive electrode uses the fuel cell electrode according to any one of claims 1 to 4.
Achieved by:
即ち本発明者は、表面にカーボンを固着させることにより、比表面積を増加させたカーボン繊維を電子伝導体として燃料電池用電極に用いることで、カーボン繊維同志の接触面積の増加による電子伝導性の向上やカーボン繊維自体の触媒担持量の増加により、燃料電池の出力が向上すると考え、本発明に至った。 That is, the present inventor uses carbon fibers whose specific surface area is increased by fixing carbon to the surface as an electron conductor for an electrode for a fuel cell, thereby increasing the electron conductivity due to an increase in the contact area between the carbon fibers. As a result of improvement and an increase in the amount of catalyst supported on the carbon fiber itself, the output of the fuel cell is considered to be improved, and the present invention has been achieved.
本発明に係わる燃料電池用電極は、電子伝導体の比表面積が大きく、燃料電池に用いた際に高出力を得られる。 The fuel cell electrode according to the present invention has a large specific surface area of the electron conductor, and can provide a high output when used in a fuel cell.
本発明は、表面にカーボンが固着されているカーボン繊維を電子伝導体として含有する電極を燃料電池の負極及び正極の少なくとも一方の電極に用いることに特徴がある。 The present invention is characterized in that an electrode containing a carbon fiber having carbon adhered to its surface as an electron conductor is used as at least one of a negative electrode and a positive electrode of a fuel cell.
本発明の燃料電池に採用できる燃料としては、水素ガス、メタノール、エタノール、1−プロパノール、ジメチルエーテル、アンモニア等が挙げられるが、メタノールが好ましい。 Examples of the fuel that can be used in the fuel cell of the present invention include hydrogen gas, methanol, ethanol, 1-propanol, dimethyl ether, ammonia, and the like, and methanol is preferable.
直接メタノール燃料電池は、燃料としてのメタノール水溶液を改質して水素ガスを取り出すこと無く、液体のまま直接供給することによって発電できるという特徴を有するため、燃料をガス化又は改質して供給する従来からの固体高分子型燃料電池と比べて、発電システムとしての構造をシンプルにでき、小型化、軽量化が容易で、分散型電源、ポータブル電源としての用途が注目されている。 The direct methanol fuel cell has a feature that it can generate electric power by directly supplying a liquid as it is without taking out hydrogen gas by reforming an aqueous methanol solution as a fuel. Therefore, the fuel is gasified or reformed and supplied. Compared to conventional polymer electrolyte fuel cells, the structure as a power generation system can be simplified, and the size and weight can be easily reduced, and the use as a distributed power source and a portable power source has attracted attention.
この様な直接メタノール燃料電池は、電解質膜にプロトン導電性固体高分子膜を用い、この電解質膜を介して、拡散層となる多孔性カーボンペーパー上に触媒層を塗布してなる、負極と正極を接合し、負極側には燃料としてのメタノール水溶液を供給するための流路溝を有する負極側セパレータが設けられ、正極側には酸化剤ガスとしての空気を供給するための流路溝を有する正極側セパレータが設けられた構造を取り、負極にメタノール水溶液を供給し、正極に空気を供給すると、負極ではメタノールと水との酸化反応によって炭酸ガスが生成すると共に水素イオンと電子が放出され(CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-)、正極では電解質膜を通過してきた前記水素イオンと空気との還元反応によって水が生成して(6H++(3/2)O2+6e-→3H2O)、負極と正極を繋ぐ外部回路に電気エネルギーを得ることができる。従って、直接メタノール燃料電池の全反応は、メタノールと酸素から水と二酸化炭素が生成する反応である。 Such a direct methanol fuel cell uses a proton conductive solid polymer membrane as an electrolyte membrane, and a catalyst layer is applied to porous carbon paper serving as a diffusion layer through the electrolyte membrane, and a negative electrode and a positive electrode The negative electrode side separator having a flow channel for supplying a methanol aqueous solution as a fuel is provided on the negative electrode side, and the flow channel groove for supplying air as an oxidant gas is provided on the positive electrode side. When a positive electrode side separator is provided, a methanol aqueous solution is supplied to the negative electrode, and air is supplied to the positive electrode, carbon dioxide gas is generated in the negative electrode by the oxidation reaction of methanol and water, and hydrogen ions and electrons are released ( CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e -), a positive electrode was produced water by reduction reaction with the hydrogen ions and the air having passed through the electrolyte membrane (6H + + 3/2) O 2 + 6e - → 3H 2 O), it is possible to obtain electrical energy to an external circuit connecting the anode and the cathode. Therefore, the total reaction of the direct methanol fuel cell is a reaction in which water and carbon dioxide are generated from methanol and oxygen.
プロトン導電性を有する固体高分子電解質膜としては、スルホン化ポリイミド系高分子電解質膜、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系高分子電解質膜、複合材料等公知のものを採用することができる。 As the solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity, known ones such as a sulfonated polyimide polymer electrolyte membrane, a fluorine polymer electrolyte membrane, a hydrocarbon polymer electrolyte membrane, and a composite material can be employed.
例えば炭化水素系高分子電解質材料としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化エンジニアリングプラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレン等のスルホアルキル化エンジニアリングプラスチック系電解質等が有る。なお、これらの電解質材料のスルホン酸当量としては0.5〜2.0ミリ当量/g乾燥樹脂程度、好ましくは0.7〜1.6ミリ当量/g乾燥樹脂である。スルホン酸当量が0.5ミリ当量/g乾燥樹脂より小さい場合はイオン伝導抵抗が大きくなり、2.0ミリ当量/g乾燥樹脂より大きい場合には水に溶解しやすくなる。 For example, as the hydrocarbon polymer electrolyte material, sulfonated engineering plastic electrolytes such as sulfonated polyetherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene, Examples include sulfoalkylated engineering plastic electrolytes such as sulfoalkylated polyetheretherketone, sulfoalkylated polyethersulfone, sulfoalkylated polyetherethersulfone, sulfoalkylated polysulfone, sulfoalkylated polysulfide, and sulfoalkylated polyphenylene. The sulfonic acid equivalent of these electrolyte materials is about 0.5 to 2.0 meq / g dry resin, preferably 0.7 to 1.6 meq / g dry resin. When the sulfonic acid equivalent is less than 0.5 meq / g dry resin, the ionic conduction resistance is increased, and when it is greater than 2.0 meq / g dry resin, it is easily dissolved in water.
イオン導電体としては、電解質膜に用いられる様なイオン導電性を有する電解質であれば特に制限は無く、例えば、フッ素系電解質材料、部分フッ素系電解質材料、炭化水素系電解質材料等が挙げられる。 The ionic conductor is not particularly limited as long as it is an electrolyte having an ionic conductivity as used in an electrolyte membrane, and examples thereof include a fluorine-based electrolyte material, a partial fluorine-based electrolyte material, and a hydrocarbon-based electrolyte material.
フッ素系電解質材料としては従来から公知の重合体が広く採用され、例えば
一般式 CF2=CF−(OCF2CFX)m−Oq−(CF2)n−A
(式中、m=0〜3、n=0〜12、q=0又は1、X=F又はCF3、A=スルホン酸型官能基)で表されるフロロビニル化合物とテトラフロロエチレン、ヘキサフロロプロピレン、クロロトリフロロエチレン又はパーフロロアルキルビニルエーテルの如きパーフロロオレフィンとの共重合体が挙げられる。フロロビニル化合物の好ましい例としては、例えば、CF2=CFO(CF2)aSO2F、CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)aSO2F、CF2=CF(CF2)bSO2F、CF2=CF(OCF2CF(CF3))cO(CF2)2SO2F(ここに、a=1〜8、b=0〜8、c=1〜5の整数)が挙げられる。
As the fluorine-based electrolyte material, conventionally known polymers are widely used. For example, the general formula CF 2 = CF- (OCF 2 CFX) m-Oq- (CF 2 ) n-A
(Wherein, m = 0 to 3, n = 0 to 12, q = 0 or 1, X = F or CF 3 , A = sulfonic acid type functional group), tetrafluoroethylene, hexafluoro And copolymers with perfluoroolefins such as propylene, chlorotrifluoroethylene or perfluoroalkyl vinyl ether. Preferable examples of the fluorovinyl compound include, for example, CF 2 ═CFO (CF 2 ) aSO 2 F, CF 2 ═CFOCF 2 CF (CF 3 ) O (CF 2 ) aSO 2 F, CF 2 ═CF (CF 2 ) bSO 2 F, CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3 )) cO (CF 2 ) 2 SO 2 F (where a = 1 to 8, b = 0 to 8, c = 1 to 5) Can be mentioned.
表面処理する前のカーボン繊維は、公知のものを使用できるが、繊維径が50〜200nmの範囲にあり、アスペクト比が10〜200の範囲にあるカーボン繊維が特に好ましい。このようなカーボン繊維は、気相法炭素繊維”VGCFまたはVGNF(いずれも昭和電工製)”シリーズが使用できる。 As the carbon fibers before the surface treatment, known fibers can be used, but carbon fibers having a fiber diameter in the range of 50 to 200 nm and an aspect ratio in the range of 10 to 200 are particularly preferable. As such carbon fiber, a vapor grown carbon fiber “VGCF or VGNF (both manufactured by Showa Denko)” series can be used.
このカーボン繊維の表面に有機高分子を付着後、焼成することにより、カーボン繊維の表面にカーボンを固着させて比表面積を増加させた電子伝導体とする。後述の実施例で例を示す。 After the organic polymer is attached to the surface of the carbon fiber, it is baked to fix the carbon to the surface of the carbon fiber to obtain an electronic conductor having an increased specific surface area. Examples are given in the examples below.
表面処理後の電子伝導体の比表面積は、50〜1000m2/gが好ましい。比表面積が1000m2/gより大きくなると、電極内において、燃料電池の反応物質及び生成物質が移動しにくくなるため、反応効率が低下する。 The specific surface area of the electron conductor after the surface treatment is preferably 50 to 1000 m 2 / g. When the specific surface area is larger than 1000 m 2 / g, the reaction efficiency and the generated substance of the fuel cell are difficult to move in the electrode, so that the reaction efficiency is lowered.
有機高分子としては、ポリアクリルニトリル系、フェノール系、フラン系、ジビニルベンゼン系、不飽和ポリエステル系、ポリイミド系、ジアリルフタレーと系、ビニルエステル系、ポリウレタン系、メラミン系、ユリア系等が挙げられる。 Examples of organic polymers include polyacrylonitrile, phenol, furan, divinylbenzene, unsaturated polyester, polyimide, diallyl phthalate and system, vinyl ester, polyurethane, melamine, and urea. It is done.
カーボン繊維とカーボンの量比は、カーボン:カーボン繊維が1:10から1:5000が好ましい。より好ましくは、1:100から1:5000である。 The amount ratio of carbon fiber to carbon is preferably 1:10 to 1: 5000 of carbon: carbon fiber. More preferably, it is 1: 100 to 1: 5000.
カーボン繊維に有機高分子を付着させる方法としては、モノマーで処理した後、重合する方法が好ましい。 As a method of attaching the organic polymer to the carbon fiber, a method of polymerizing after treating with a monomer is preferable.
焼成の雰囲気は、非酸化雰囲気が好ましく、焼成の温度は、800〜1600℃が好ましい。 The firing atmosphere is preferably a non-oxidizing atmosphere, and the firing temperature is preferably 800 to 1600 ° C.
ここで、繊維径は、繊維長の方向に対して略垂直な方向の面において、カーボン繊維の短径を観察し、短径に対し垂直方向の長さを測定し繊維径と定義する。電子顕微鏡観察で測定できる。 Here, the fiber diameter is defined as the fiber diameter by observing the short diameter of the carbon fiber on the surface in the direction substantially perpendicular to the fiber length direction and measuring the length in the direction perpendicular to the short diameter. It can be measured with an electron microscope.
また、比表面積は、BET法で測定できる。 The specific surface area can be measured by the BET method.
本発明の電子伝導体の比抵抗は、10-1Ωcm以下が好ましい。 The specific resistance of the electron conductor of the present invention is preferably 10 -1 Ωcm or less.
また、本発明における電極は、このような表面処理されたカーボン繊維を含有していればよく、カーボン粒子と混合させてもよい。 Moreover, the electrode in this invention should just contain the carbon fiber by which such surface treatment was carried out, and may mix with a carbon particle.
カーボン粒子としては、活性炭、カーボンブラック、グラファイト及びそれらの混合物を好ましく採用することができる。 As the carbon particles, activated carbon, carbon black, graphite and a mixture thereof can be preferably used.
例えばカーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等が挙げられ、Denka BLACK(電気化学工業社製)、Valcan XC−72(キャボット社製)、Black Pearl 2000(同前)、Ketjen Black EC300J(ケェチェンブラック・インターナショナル社製)等市販のものを採用することができる。 Examples of carbon black include acetylene black, ketjen black, furnace black, lamp black, and thermal black. Denka BLACK (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.), Valcan XC-72 (manufactured by Cabot Corporation), Black Pearl 2000 ( The same as before), commercially available products such as Ketjen Black EC300J (manufactured by Ketjenblack International Co., Ltd.) can be used.
担持する貴金属触媒としては、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、金、銀、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マガジン、バナジウム、ランタン、ジルコニウム、チタン、マグネシウム又はこれらの多元合金を用いることができ、白金及び白金ルテニウム合金から選ばれる少なくとも1つであることが好ましい。金属触媒径としては、10nm以下が好ましく、5nm以下がより好ましい。 As the noble metal catalyst to be supported, platinum, ruthenium, rhodium, palladium, iridium, gold, silver, iron, cobalt, nickel, chromium, tungsten, magazine, vanadium, lanthanum, zirconium, titanium, magnesium or a multicomponent alloy thereof should be used. Preferably, it is at least one selected from platinum and platinum ruthenium alloys. The metal catalyst diameter is preferably 10 nm or less, and more preferably 5 nm or less.
貴金属触媒を本発明のカーボン繊維に担持させるには、例えばカーボン繊維分散液に白金やルテニウム塩を加え、ヒドラジン等を用いて還元し、濾過、乾燥することで得られる。又、更に熱処理を行っても良い。カーボン繊維の真比重は、1.0〜2.1g/cm3が好ましい。 The noble metal catalyst can be supported on the carbon fiber of the present invention by, for example, adding platinum or a ruthenium salt to the carbon fiber dispersion, reducing it with hydrazine, etc., filtering and drying. Further, heat treatment may be performed. The true specific gravity of the carbon fiber is preferably 1.0 to 2.1 g / cm 3 .
固体高分子電解質膜と本発明の電子伝導体を含有する電極とを接合して製造する方法としては、例えば、表面処理されたカーボン繊維に担持させた白金触媒粉をポリテトラフロロエチレン懸濁液と混合し、拡散層となる前記カーボンペーパーに塗布し、熱処理して触媒層を形成後、電解質膜と同一の電解質溶液を触媒層に塗布し、電解質膜とホットプレスして一体化する方法が有る。この他、触媒層のペーストと拡散層のペーストを電解質膜へ塗布する方法等が有るが、これらに限定されない。 As a method for producing a solid polymer electrolyte membrane and an electrode containing the electron conductor of the present invention by joining, for example, a platinum catalyst powder supported on a surface-treated carbon fiber is dispersed in a polytetrafluoroethylene suspension. And then apply to the carbon paper to be a diffusion layer, heat-treat to form a catalyst layer, then apply the same electrolyte solution as the electrolyte membrane to the catalyst layer, and hot press and integrate with the electrolyte membrane Yes. In addition, there is a method of applying the catalyst layer paste and the diffusion layer paste to the electrolyte membrane, but the method is not limited thereto.
以上の様にして作製した電解質膜と電極との接合体の外側に、燃料流路と酸化剤流路を形成する溝が形成された燃料配流板(セパレータ)と、酸化剤配流板(セパレータ)とを廃したものを単セルとし、この単セルを複数個、冷却板等を介して積層することにより、燃料電池が構成される。また、セパレータの前記接合体との接触面に集電層なる電極を設けてもよい。 A fuel distribution plate (separator) in which a groove for forming a fuel flow path and an oxidant flow path is formed outside the joined body of the electrolyte membrane and the electrode manufactured as described above, and an oxidant flow distribution plate (separator) A fuel cell is constructed by stacking a plurality of single cells via a cooling plate or the like. Moreover, you may provide the electrode used as a current collection layer in the contact surface with the said conjugate | zygote of a separator.
本発明の電子伝導体は、少なくとも燃料電池用電極の一部を構成すればよく、拡散層、触媒層、集電層の少なくとも1層に本発明の電子伝導体を用いることにより効果が得られる。 The electronic conductor of the present invention may constitute at least a part of an electrode for a fuel cell, and an effect can be obtained by using the electronic conductor of the present invention in at least one of a diffusion layer, a catalyst layer, and a current collecting layer. .
以下、実施例により本発明の燃料電池について更に詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the fuel cell of the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.
〔カーボン繊維の処理1〕
気相法炭素繊維VGCF(昭和電工)10g、アニリン0.02g、H2SO40.5モル/リットルを含む水溶液1リットル中に過硫酸化アンモニウム0.5モルを投入し、強撹拌下で5時間撹拌して重合を行った。得られた懸濁液を濾過した後、イオン交換水にて吸引濾過、洗浄し、固相分を乾燥してポリアニリン処理VGCF粉末を得た。得られた粉末を窒素雰囲気中、3℃/分の昇温速度で800℃まで加熱し、800℃で1時間焼成処理した。得られたポリアニリン処理VGCFの比表面積は230m2/gであった。
[Carbon fiber treatment 1]
Vapor grown carbon fiber VGCF (Showa Denko) 10 g, aniline 0.02 g, H 2 SO 4 0.5 mol / liter of aqueous solution containing 1 mol of ammonium persulfate 0.5 mol, under strong stirring The polymerization was carried out with stirring for 5 hours. The obtained suspension was filtered, suction filtered and washed with ion exchange water, and the solid phase was dried to obtain a polyaniline-treated VGCF powder. The obtained powder was heated to 800 ° C. at a temperature rising rate of 3 ° C./min in a nitrogen atmosphere and baked at 800 ° C. for 1 hour. The specific surface area of the obtained polyaniline-treated VGCF was 230 m 2 / g.
〔カーボン繊維の処理2〕
処理1に対し、アニリン量を0.05gとした以外は同様に処理した。得られたポリアニリン処理VGCFの比表面積は500m2/gであった。
[Carbon fiber treatment 2]
The same treatment as in treatment 1 was performed except that the amount of aniline was changed to 0.05 g. The specific surface area of the obtained polyaniline-treated VGCF was 500 m 2 / g.
〔カーボン繊維の処理3〕
処理1に対し、アニリン量を0.1gとした以外は同様に処理した。得られたポリアニリン処理VGCFの比表面積は900m2/gであった。
[Treatment of carbon fiber 3]
The same treatment as in treatment 1 was performed except that the amount of aniline was changed to 0.1 g. The specific surface area of the obtained polyaniline-treated VGCF was 900 m 2 / g.
〔触媒担持カーボン繊維の作製1〕
上記処理1〜処理3で得られたポリアニリン処理VGCFに対して、各々、以下の方法で、触媒を担持させた。
[Preparation of catalyst-supported carbon fiber 1]
Catalysts were loaded on the polyaniline-treated VGCF obtained in the above treatments 1 to 3 by the following methods.
得られたポリアニリン処理VGCF粉末を1g、純水50gを混合する。次いで、白金として0.6gの塩化白金酸水溶液及びルテニウムとして0.6gの塩化ルテニウムを添加して、60℃に昇温する。温度が一定になった後に、2mol/lの水酸化ナトリウム溶液でpH10に調整して、3質量%ヒドラジン溶液を滴下して還元を行う。還元終了後にガラスフィルターで濾過洗浄し、乾燥することで白金ルテニウム担持ポリアニリン処理VGCFを得た。このポリアニリン処理VGCFの白金担持量は40質量%であった。 1 g of the obtained polyaniline-treated VGCF powder and 50 g of pure water are mixed. Next, 0.6 g of a chloroplatinic acid aqueous solution as platinum and 0.6 g of ruthenium chloride as ruthenium are added, and the temperature is raised to 60 ° C. After the temperature becomes constant, the pH is adjusted to 10 with a 2 mol / l sodium hydroxide solution, and a 3% by mass hydrazine solution is added dropwise for reduction. After completion of the reduction, it was filtered and washed with a glass filter and dried to obtain a platinum ruthenium-supported polyaniline-treated VGCF. The amount of platinum supported on this polyaniline-treated VGCF was 40% by mass.
〔触媒担持カーボン繊維の作製2〕
VGCF粉末を1g、純水50gを混合する。次いで、白金として0.6gの塩化白金酸水溶液及びルテニウムとして0.6gの塩化ルテニウムを添加して、60℃に昇温する。温度が一定になった後に、2mol/lの水酸化ナトリウム溶液でpH10に調整して、3質量%ヒドラジン溶液を滴下して還元を行う。還元終了後にガラスフィルターで濾過洗浄し、乾燥することで白金ルテニウム担持VGCFを得た。このVGCFの白金担持量は10質量%であった。
[Production of catalyst-supported carbon fiber 2]
1 g of VGCF powder and 50 g of pure water are mixed. Next, 0.6 g of a chloroplatinic acid aqueous solution as platinum and 0.6 g of ruthenium chloride as ruthenium are added, and the temperature is raised to 60 ° C. After the temperature becomes constant, the pH is adjusted to 10 with a 2 mol / l sodium hydroxide solution, and a 3% by mass hydrazine solution is added dropwise for reduction. After completion of the reduction, the filter was washed with a glass filter and dried to obtain platinum ruthenium-supported VGCF. The platinum loading of this VGCF was 10% by mass.
(電極用ペーストの作製)
(負極用ペースト1の作製)
白金ルテニウム担持ポリアニリン処理VGCF粉末(比表面積は230m2/g)、蒸留水、5質量%のナフィオン溶液(アルドリッチ社製)をVGCF:ナフィオン質量比が4:1、固形分として10質量%となるように混合し、超音波で均一に分散させて、負極用ペースト1を作製した。
(Preparation of electrode paste)
(Preparation of negative electrode paste 1)
Platinum ruthenium-supported polyaniline-treated VGCF powder (specific surface area is 230 m 2 / g), distilled water, 5% by mass Nafion solution (manufactured by Aldrich) is VGCF: Nafion mass ratio is 4: 1, and the solid content is 10% by mass. The negative electrode paste 1 was prepared by uniformly mixing with ultrasonic waves.
(負極用ペースト2の作製)
白金ルテニウム担持ポリアニリン処理VGCF粉末(比表面積は230m2/g)、蒸留水、20質量%のナフィオン溶液(アルドリッチ社製)をVGCF:ナフィオン質量比が4:1、固形分として30質量%となるように混合し、超音波で均一に分散させて、負極用ペースト2を作製した。
(Preparation of negative electrode paste 2)
Platinum ruthenium-supported polyaniline-treated VGCF powder (specific surface area is 230 m 2 / g), distilled water, 20% by mass Nafion solution (manufactured by Aldrich), VGCF: Nafion mass ratio is 4: 1, solid content is 30% by mass Thus, the mixture was uniformly dispersed with ultrasonic waves to prepare a negative electrode paste 2.
(負極用ペースト3の作製)
触媒として白金を50%担持した白金ルテニウム担持カーボンとした以外は、負極用ペースト1の作製と同様にして負極用ペースト3を作製した。
(Preparation of negative electrode paste 3)
A negative electrode paste 3 was prepared in the same manner as the negative electrode paste 1 except that platinum ruthenium-supported carbon supporting 50% platinum was used as a catalyst.
(負極用ペースト4の作製)
白金ルテニウム担持VGCF粉末、蒸留水、60質量%のテフロン(登録商標)分散液、20質量%のナフィオン溶液(アルドリッチ社製)をVGCF:ナフィオン質量比が2:1、固形分として10質量%となるように混合し、超音波で均一に分散させて、負極用ペースト4を作製した。
(Preparation of negative electrode paste 4)
Platinum ruthenium-supported VGCF powder, distilled water, 60% by mass of Teflon (registered trademark) dispersion, 20% by mass of Nafion solution (manufactured by Aldrich), VGCF: Nafion mass ratio of 2: 1, and 10% by mass as solid content The negative electrode paste 4 was prepared by uniformly mixing with ultrasonic waves and uniformly dispersing with ultrasonic waves.
(負極用ペースト5の作製)
白金ルテニウム担持ポリアニリン処理VGCF粉末(比表面積は500m2/g)、蒸留水、60質量%のテフロン(登録商標)分散液、20質量%のナフィオン溶液(アルドリッチ社製)をVGCF:ナフィオン質量比が2:1、固形分として10質量%となるように混合し、超音波で均一に分散させて、負極用ペースト5を作製した。
(Preparation of negative electrode paste 5)
Platinum ruthenium-supported polyaniline-treated VGCF powder (specific surface area is 500 m 2 / g), distilled water, 60% by mass Teflon (registered trademark) dispersion, 20% by mass Nafion solution (manufactured by Aldrich), VGCF: Nafion mass ratio The mixture was mixed so as to have a solid content of 2: 1 and 10% by mass, and dispersed uniformly with ultrasonic waves to prepare a paste 5 for negative electrode.
(負極用ペースト6の作製)
白金ルテニウム担持ポリアニリン処理VGCF粉末(比表面積は900m2/g)、蒸留水、60質量%のテフロン(登録商標)分散液、20質量%のナフィオン溶液(アルドリッチ社製)をVGCF:ナフィオン質量比が2:1、固形分として10質量%となるように混合し、超音波で均一に分散させて、負極用ペースト6を作製した。
(Preparation of negative electrode paste 6)
Platinum ruthenium-supported polyaniline-treated VGCF powder (specific surface area is 900 m 2 / g), distilled water, 60% by mass Teflon (registered trademark) dispersion, 20% by mass Nafion solution (manufactured by Aldrich), VGCF: Nafion mass ratio The mixture was mixed so as to have a solid content of 2: 1 and 10% by mass, and was uniformly dispersed with ultrasonic waves to prepare a negative electrode paste 6.
(正極用ペーストの作製)
負極用ペースト1の作製において、白金ルテニウム担持ポリアニリン処理VGCF粉末を40%白金担持カーボンに変更した以外は同様の操作を行い、正極用ペーストを作製した。
(Preparation of positive electrode paste)
A positive electrode paste was prepared in the same manner as in the preparation of the negative electrode paste 1 except that the platinum ruthenium-supported polyaniline-treated VGCF powder was changed to 40% platinum-supported carbon.
(電極の作製)
実施例1
撥水処理カーボンペーパーの表面に、負極用ペースト1を白金量が3.0mg/cm2となる様に均一に塗布し、窒素雰囲気下80℃で1時間乾燥し、負極を作製した。
(Production of electrodes)
Example 1
A negative electrode paste 1 was uniformly applied to the surface of the water-repellent treated carbon paper so that the amount of platinum was 3.0 mg / cm 2 and dried at 80 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere to prepare a negative electrode.
同様にして、カーボンペーパーの表面に、正極用ペーストを白金量が3.0mg/cm2となる様に均一に塗布し、正極を作製した。 Similarly, a positive electrode paste was uniformly applied to the surface of carbon paper so that the amount of platinum was 3.0 mg / cm 2, and a positive electrode was produced.
次いで、これらの正極及び負極で電解質膜ナフィオン112(デュポン社製)を挟み、ホットプレス処理を行い、実施例1の電解質膜と電極の接合体を作製した。 Next, an electrolyte membrane Nafion 112 (manufactured by DuPont) was sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, and a hot press treatment was performed to produce an electrolyte membrane-electrode assembly of Example 1.
実施例2
負極の作製において、負極用ペースト1に替えて負極用ペースト2を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例2の電解質膜と電極の接合体を作製した。
Example 2
In the production of the negative electrode, an electrolyte membrane / electrode assembly of Example 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode paste 2 was used instead of the negative electrode paste 1.
実施例3
負極の作製において、負極用ペースト1に替えて負極用ペースト5を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例3の電解質膜と電極の接合体を作製した。
Example 3
In the production of the negative electrode, an electrolyte membrane / electrode assembly of Example 3 was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode paste 5 was used instead of the negative electrode paste 1.
実施例4
負極の作製において、負極用ペースト1に替えて負極用ペースト6を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例4の電解質膜と電極の接合体を作製した。
Example 4
In the production of the negative electrode, an electrolyte membrane / electrode assembly of Example 4 was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode paste 6 was used instead of the negative electrode paste 1.
比較例1
負極の作製において、負極用ペースト1に替えて負極用ペースト3を用いた以外は実施例1と同様にして、比較例1の電解質膜と電極の接合体を作製した。
Comparative Example 1
In the production of the negative electrode, an electrolyte membrane / electrode assembly of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode paste 3 was used instead of the negative electrode paste 1.
比較例2
負極の作製において、負極用ペースト1に替えて負極用ペースト4を用いた以外は実施例1と同様にして、比較例2の電解質膜と電極の接合体を作製した。
Comparative Example 2
In the production of the negative electrode, an electrolyte membrane / electrode assembly of Comparative Example 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode paste 4 was used instead of the negative electrode paste 1.
〔電池評価と結果〕
以上で作製した実施例及び比較例の電解質膜と電極の接合体を用いて直接メタノール燃料電池の単電池を組み立て、温度25℃、大気圧下での燃料流速30ml/分、空気の流速100ml/分の条件で、負極側に2モルのメタノール水溶液を、正極側に空気を供給し、電流−電圧特性を測定した。
[Battery evaluation and results]
A unit cell of a direct methanol fuel cell was assembled using the assembly of the electrolyte membrane and electrode of the examples and comparative examples produced as described above, a fuel flow rate of 30 ml / min at a temperature of 25 ° C. and atmospheric pressure, and a flow rate of air of 100 ml / min. Under conditions of 2 minutes, a 2 mol aqueous methanol solution was supplied to the negative electrode side, and air was supplied to the positive electrode side, and current-voltage characteristics were measured.
結果を表1に示す The results are shown in Table 1.
これから明らかに、本発明の電解質膜と電極の接合体を用いた場合の電流−電圧特性が、比較例のそれよりも良好であることが解る。 Obviously, it can be seen that the current-voltage characteristics when the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention is used are better than those of the comparative example.
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JP2014154459A (en) * | 2013-02-13 | 2014-08-25 | Nippon Zeon Co Ltd | Conductive film, gas diffusion layer for fuel cell, catalyst layer for fuel cell, electrode for fuel cell, membrane electrode assembly for fuel cell, fuel cell, and method for manufacturing membrane electrode assembly for fuel cell |
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