JP2006324140A - Cathode electrode for fuel cell and fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cathode electrode for a fuel cell capable of lowering activation overvoltage and sufficiently durable to the long operation of the fuel cell and to provide fuel cell using it. <P>SOLUTION: The cathode electrode for the fuel cell contains a catalyst and oxygen transmitting resin represented by general formula (1). In the general formula (1), R<SP>1</SP>-R<SP>4</SP>independently represent a group selected from an alkyl group, a fluorine substituted alkyl group, and an alkylated silyl group, and n represents an integer of 100-10,000. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用のカソード電極及び燃料電池に関するものであり、カソードにおける活性化過電圧を低くすることが可能なカソード電極およびそれを用いた燃料電池に関する。   The present invention relates to a cathode electrode for a fuel cell and a fuel cell, and more particularly to a cathode electrode capable of reducing activation overvoltage at the cathode and a fuel cell using the cathode electrode.

燃料電池には様々な形式のものがあるが、特に最近では、作動温度が80℃〜100℃程度の高分子電解質型の燃料電池や、作動温度が150℃〜200℃程度のリン酸型の燃料電池が実用段階に入っている。これら固体高分子型またはリン酸型の燃料電池の基本構成は、アノード電極及びカソード電極と、これら電極間に挿入された電解質とから概略構成されている。アノード電極及びカソード電極は、触媒粉末とバインダ樹脂とが混合されてシート状に固化成形されてなる多孔質体である。カソード電極の一面側には電解質が接しており、他面側には酸素供給流路が設けられている。発電時のカソード電極には、酸素供給流路から酸素が供給されるとともに電解質側から水素イオンが供給され、更に電極自体には外部回路を経た電子が供給される。そして触媒表面において、水素イオンと電子とにより酸素が還元されて水が形成される。   There are various types of fuel cells. Recently, a polymer electrolyte type fuel cell having an operating temperature of about 80 ° C. to 100 ° C., or a phosphoric acid type having an operating temperature of about 150 ° C. to 200 ° C. Fuel cells are in practical use. The basic structure of these solid polymer type or phosphoric acid type fuel cells is roughly composed of an anode electrode and a cathode electrode, and an electrolyte inserted between these electrodes. The anode electrode and the cathode electrode are porous bodies formed by mixing catalyst powder and a binder resin and solidifying and forming into a sheet shape. An electrolyte is in contact with one side of the cathode electrode, and an oxygen supply channel is provided on the other side. At the time of power generation, oxygen is supplied from the oxygen supply channel to the cathode electrode and hydrogen ions are supplied from the electrolyte side, and electrons from an external circuit are supplied to the electrode itself. On the catalyst surface, oxygen is reduced by hydrogen ions and electrons to form water.

ところで、カソード電極における酸素の還元反応は活性化過電圧が比較的高いために、還元反応自体の反応速度がアノード電極における水素の酸化反応に比べて遅くなっている。このため、燃料電池の出力電圧もこの活性化過電圧の影響によって低くなるという問題がある。活性化過電圧を低減するには、触媒表面における酸素濃度を向上させる必要がある。   By the way, since the activation overvoltage is relatively high in the oxygen reduction reaction at the cathode electrode, the reaction rate of the reduction reaction itself is slower than the hydrogen oxidation reaction at the anode electrode. For this reason, there is a problem that the output voltage of the fuel cell is also lowered due to the effect of the activation overvoltage. In order to reduce the activation overvoltage, it is necessary to improve the oxygen concentration on the catalyst surface.

触媒表面における酸素濃度を向上させるには、カソード電極自体の多孔質性を高めて触媒表面により多くの酸素を供給する方法がある。しかしこの方法では、電極の多孔質化によって水分も保持しやすくなり、触媒表面が水で覆われて酸素の還元反応が却って進まなくなるおそれがある。   In order to improve the oxygen concentration on the catalyst surface, there is a method of increasing the porosity of the cathode electrode itself and supplying more oxygen to the catalyst surface. However, in this method, moisture is easily retained by making the electrode porous, and the catalyst surface may be covered with water, and the oxygen reduction reaction may not proceed.

そこで、触媒粉末を固化成形させるバインダ樹脂に酸素透過性に優れたポリジメチルシロキサンを用い、触媒表面への酸素供給量を増大させて活性化過電圧を低減させる方法が開示されている(特許文献1)。
特開2002−289202号公報
Thus, a method is disclosed in which polydimethylsiloxane having excellent oxygen permeability is used as the binder resin for solidifying and molding the catalyst powder, and the activation overvoltage is reduced by increasing the amount of oxygen supplied to the catalyst surface (Patent Document 1). ).
JP 2002-289202 A

しかし、ポリジメチルシロキサンは酸素透過性に優れるものの、熱安定性及び耐酸化性が低いという問題がある。従って、カソード電極にポリジメチルシロキサンが添加された燃料電池においては、運転時間の長期化に伴って、ポリジメチルシロキサンの酸素透過性が徐々に低下して出力電圧が次第に低減するといった問題があった。   However, although polydimethylsiloxane is excellent in oxygen permeability, it has a problem of low thermal stability and oxidation resistance. Accordingly, in the fuel cell in which polydimethylsiloxane is added to the cathode electrode, there is a problem in that the oxygen permeability of the polydimethylsiloxane gradually decreases and the output voltage gradually decreases as the operation time becomes longer. .

上記事情に鑑みて本発明者らが鋭意研究した結果、酸素透過性に優れるともに、耐熱性及び耐酸化性に優れた酸素透過性材料を発見し、これにより本発明が完成された。
従って本発明は、活性化過電圧を低くできるとともに燃料電池の長期運転にも十分耐えうる燃料電池用のカソード電極およびそれを用いた燃料電池を提供することを目的とする。
As a result of intensive studies by the present inventors in view of the above circumstances, an oxygen permeable material having excellent oxygen permeability and excellent heat resistance and oxidation resistance was discovered, thereby completing the present invention.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a cathode electrode for a fuel cell that can reduce the activation overvoltage and sufficiently withstand long-term operation of the fuel cell, and a fuel cell using the same.

上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池用のカソード電極は、触媒と、下記一般式(1)で表される酸素透過性樹脂とが含まれてなることを特徴とする。

Figure 2006324140
ただし、上記一般式(1)において、R〜Rは独立して、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アルキル化シリル基から選択されたものを表し、nは100以上10000以下の整数を表す。
また本発明の燃料電池用のカソード電極においては、上記酸素透過性樹脂の酸素透過係数PO2が1×10−11[cm(標準状態)・cm/cm・s・Pa]以上であることが好ましい。
また本発明の燃料電池用のカソード電極においては、前記酸素透過性樹脂がポリ(1−トリメチルシリルプロピン)であることが好ましい。
次に本発明の燃料電池は、先のいずれかに記載の燃料電池用のカソード電極を備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention employs the following configuration.
The cathode electrode for a fuel cell according to the present invention is characterized by containing a catalyst and an oxygen-permeable resin represented by the following general formula (1).
Figure 2006324140
However, in the above general formula (1), R 1 ~R 4 are independently an alkyl group, fluorine-substituted alkyl group, those selected from alkylated silyl group, n is an integer of 100 to 10,000 .
In the cathode electrode for the fuel cell of the present invention, the oxygen permeable coefficient P O2 of the oxygen permeable resin is 1 × 10 −11 [cm 3 (standard state) · cm / cm 2 · s · Pa] or more. It is preferable.
In the cathode electrode for a fuel cell of the present invention, the oxygen permeable resin is preferably poly (1-trimethylsilylpropyne).
Next, a fuel cell according to the present invention is characterized by including the cathode electrode for a fuel cell as described above.

上記一般式(1)に表される酸素透過性樹脂は、酸素透過性に優れるとともに、200℃程度の高温にも耐えることができ、かつ耐酸化性にも優れるものである。このような性質を備えた材料をカソード電極に用いることによって、カソード電極中の触媒表面における酸素濃度を高めて活性化過電圧を低減させることが可能になる。また、長期に渡って80℃〜200℃の高温で連続運転される燃料電池の電極として用いられた場合でも、酸素透過能力が低下することなく出力電圧を高く維持させることが可能になる。   The oxygen permeable resin represented by the general formula (1) is excellent in oxygen permeability, can withstand a high temperature of about 200 ° C., and has excellent oxidation resistance. By using a material having such properties for the cathode electrode, it becomes possible to increase the oxygen concentration on the catalyst surface in the cathode electrode and reduce the activation overvoltage. Moreover, even when used as an electrode of a fuel cell that is continuously operated at a high temperature of 80 ° C. to 200 ° C. for a long period of time, it is possible to maintain a high output voltage without reducing the oxygen permeation capability.

また、上記一般式(1)に表される酸素透過性樹脂の中でも酸素透過係数PO2が1×10−11[cm(標準状態)・cm/cm・s・Pa]以上のものを用いることによって、触媒表面における酸素濃度をより増加させて活性化過電圧を低減させることができる。 Among the oxygen permeable resins represented by the general formula (1), those having an oxygen permeability coefficient PO 2 of 1 × 10 −11 [cm 3 (standard state) · cm / cm 2 · s · Pa] or more. By using it, the oxygen concentration on the catalyst surface can be further increased and the activation overvoltage can be reduced.

本発明の燃料電池用のカソード電極によれば、活性化過電圧を低くできるとともに燃料電池の長期運転にも十分耐えうる燃料電池用のカソード電極およびそれを用いた燃料電池を提供できる。   According to the cathode electrode for a fuel cell of the present invention, it is possible to provide a cathode electrode for a fuel cell that can reduce the activation overvoltage and can sufficiently withstand long-term operation of the fuel cell, and a fuel cell using the same.

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
本実施形態の燃料電池は、図1に示すように、本発明に係るカソード電極2およびアノード電極3と、カソード電極2およびアノード電極3の間に挟持された電解質4と、カソード電極2の外側に配置された酸化剤流路5aを有する酸化剤配流板5と、アノード電極3の外側に配置された燃料流路6aを有する燃料配流板6とから構成され、80℃〜200℃の温度で作動するものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the fuel cell of this embodiment includes a cathode electrode 2 and an anode electrode 3 according to the present invention, an electrolyte 4 sandwiched between the cathode electrode 2 and the anode electrode 3, and an outer side of the cathode electrode 2. The oxidant distribution plate 5 having the oxidant flow path 5a disposed on the anode electrode 3 and the fuel flow distribution plate 6 having the fuel flow path 6a disposed outside the anode electrode 3 are formed at a temperature of 80 ° C. to 200 ° C. It works.

酸化剤配流板5および燃料配流板6は導電性を有する金属等から構成されており、カソード電極2およびアノード電極3にそれぞれ接合することで、集電体として機能するとともに、カソード電極2およびアノード電極3に対して、酸素および燃料を供給する。すなわち、アノード電極3には、燃料配流板6の燃料流路6aを介して燃料である水素が供給され、またカソード電極2には、酸化剤配流板5の酸化剤流路5aを介して酸化剤としての酸素が供給される。なお、燃料として供給される水素は、炭化水素若しくはアルコールの改質により発生させた水素でも良く、また、酸化剤として供給される酸素は、空気に含まれる状態で供給されても良い。   The oxidant distribution plate 5 and the fuel distribution plate 6 are made of a conductive metal or the like, and function as a current collector by being joined to the cathode electrode 2 and the anode electrode 3, respectively. Oxygen and fuel are supplied to the electrode 3. That is, hydrogen, which is fuel, is supplied to the anode electrode 3 through the fuel flow path 6 a of the fuel flow distribution plate 6, and the cathode electrode 2 is oxidized through the oxidant flow path 5 a of the oxidant flow distribution plate 5. Oxygen as an agent is supplied. Note that hydrogen supplied as fuel may be hydrogen generated by reforming hydrocarbons or alcohols, and oxygen supplied as oxidant may be supplied in a state of being contained in air.

この燃料電池においては、アノード電極3側で水素が酸化されてプロトン(水素イオン)が生じ、この水素イオンが電解質4を伝導してカソード電極2に到達する。また、アノード電極3での水素が酸化に伴ってアノード電極3から外部回路に電子が流れ、この電子がカソード電極に流れ込む。そしてカソード電極2において、水素イオンと酸素と電子とが電気化学的に反応し、酸素が還元されて水が生成するとともに、電気エネルギーが発生する。   In this fuel cell, hydrogen is oxidized on the anode electrode 3 side to generate protons (hydrogen ions), which are conducted through the electrolyte 4 and reach the cathode electrode 2. Further, as hydrogen at the anode electrode 3 is oxidized, electrons flow from the anode electrode 3 to the external circuit, and the electrons flow into the cathode electrode. In the cathode electrode 2, hydrogen ions, oxygen and electrons react electrochemically, oxygen is reduced to produce water, and electric energy is generated.

電解質4は、プロトン伝導性を有するものであって、80℃〜100℃で作動する固体高分子電解質または150℃〜200℃で作動するリン酸型電解質を用いることが好ましい。また本発明においては、100℃〜150℃の間で作動する電解質を使用しても良い。
固体高分子電解質の材質としては例えば、パーフルオロカーボンスルフォン酸型イオン交換膜や、炭化水素型高分子電解質膜が好ましい。
また、リン酸型電解質の材質としては例えば、塩基性ポリマーに、リン酸、ポリリン酸、ホスホン酸、硫酸のうちのいずれか一種以上の酸が含浸されてなるものが好ましい。前記酸のうちリン酸は、85%のオルソリン酸水溶液に含浸するのが望ましく、塩基性ポリマーの一官能基あたり200〜1000モル%程度のドープ量に設定することが望ましい。塩基性ポリマーがリン酸等を保持することにより、リン酸等の水素イオンが一部解離し、この水素イオンによって電解質膜4にイオン伝導性が付与される。リン酸を保持する塩基性ポリマーとしては、ポリベンズイミダゾール、ポリ(ピリジン)、ポリ(ピリミジン)、ポリイミダゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリキリノン、ポリキノキサリン、ポリリアジアゾール、ポリ(テトラザビレン)、ポリオキサゾール、ポリビニルピリジン、ポリビニルイミザゾール、これらの誘導体、のうちのいずれか一種または二種以上からなるものである。特に、塩基性ポリマーとして、下記[化2]に示すポリベンズイミダゾールを用いることが好ましい。なお、塩基性ポリマーの平均分子量は1000〜100000が好ましい。更にリン酸型電解質として、多孔質炭化ケイ素体にリン酸を含浸させたものを用いても良い。
The electrolyte 4 has proton conductivity and is preferably a solid polymer electrolyte that operates at 80 ° C. to 100 ° C. or a phosphoric acid electrolyte that operates at 150 ° C. to 200 ° C. In the present invention, an electrolyte that operates between 100 ° C. and 150 ° C. may be used.
As a material of the solid polymer electrolyte, for example, a perfluorocarbon sulfonic acid type ion exchange membrane or a hydrocarbon type polymer electrolyte membrane is preferable.
Moreover, as a material of the phosphoric acid electrolyte, for example, a material obtained by impregnating a basic polymer with one or more acids of phosphoric acid, polyphosphoric acid, phosphonic acid, and sulfuric acid is preferable. Among the acids, phosphoric acid is preferably impregnated in an 85% orthophosphoric acid aqueous solution, and is preferably set to a doping amount of about 200 to 1000 mol% per one functional group of the basic polymer. When the basic polymer holds phosphoric acid or the like, hydrogen ions such as phosphoric acid are partially dissociated, and ion conductivity is imparted to the electrolyte membrane 4 by the hydrogen ions. Examples of basic polymers that retain phosphoric acid include polybenzimidazole, poly (pyridine), poly (pyrimidine), polyimidazole, polybenzothiazole, polybenzoxazole, polyoxadiazole, polyxylone, polyquinoxaline, and polyriadiazole. , Poly (tetrazabilene), polyoxazole, polyvinyl pyridine, polyvinyl imidazole, and derivatives thereof, or one or more thereof. In particular, it is preferable to use polybenzimidazole represented by the following [Chemical Formula 2] as the basic polymer. The average molecular weight of the basic polymer is preferably 1000 to 100,000. Further, a phosphoric acid electrolyte obtained by impregnating a porous silicon carbide body with phosphoric acid may be used.

Figure 2006324140
Figure 2006324140

次に、本発明に係るカソード電極2は、多孔質性の触媒層2aと、この触媒層2aを保持する多孔質カーボンシート(カーボン多孔質体)2bから概略構成されている。触媒層2aは、白金、白金と他の貴金属(例えばルテニウム)との合金または白金と卑金属(例えばコバルト)との合金のいずれかを活性炭に坦持させてなる電極触媒(触媒)と、下記一般式(2)で表される酸素透過性樹脂とが少なくとも含有されて構成されている。この触媒層2aにおいては、酸素透過性樹脂が膜状の形態ではなく、酸素透過性樹脂が触媒中に分散された形態にあることが望ましい。なお、下記一般式(2)において、R〜Rは独立して、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アルキル化シリル基から選択されたものを表し、nは100以上10000以下の整数を表す。 Next, the cathode electrode 2 according to the present invention is roughly composed of a porous catalyst layer 2a and a porous carbon sheet (carbon porous body) 2b holding the catalyst layer 2a. The catalyst layer 2a is composed of an electrode catalyst (catalyst) in which any one of platinum, an alloy of platinum and other noble metal (for example, ruthenium) or an alloy of platinum and a base metal (for example, cobalt) is supported on activated carbon, and the following general The oxygen permeable resin represented by the formula (2) is contained at least. In the catalyst layer 2a, it is desirable that the oxygen permeable resin is not in the form of a film but in a form in which the oxygen permeable resin is dispersed in the catalyst. In the following general formula (2), R 1 to R 4 independently represent an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, or an alkylated silyl group, and n represents an integer of 100 or more and 10,000 or less. .

Figure 2006324140
Figure 2006324140

また、上記一般式(2)において、R〜Rは独立して、炭素数が1〜5のアルキル基、炭素数が1〜5のフッ素置換アルキル基、トリメチル化シリル基から選択されたものであることがより好ましく、R〜Rは独立して炭素数が1〜3のアルキル基であることが更に好ましく、R〜Rが全てメチル基であるポリ(1−トリメチルシリルプロピン)であることが特に好ましい。 In the general formula (2), R 1 to R 4 are independently selected from an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, a fluorine-substituted alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and a trimethylated silyl group. More preferably, R 1 to R 4 are independently independently an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, and R 1 to R 4 are all methyl groups. Pin) is particularly preferable.

上記一般式(2)に示す酸素透過性樹脂は、ポリアセチレンの水素が上記のR基とR〜R置換のシリル基とに置換されてなる樹脂である。この酸素透過性樹脂は、ポリアセチレン構造の主鎖を有するために分子鎖の剛直性が高く、このため主鎖同士の間隔が一般のガラス状高分子よりも広がっている。更にこの酸素透過性樹脂は、広がった主鎖の間に運動性の大きなR〜R置換のシリル基が存在している。このような分子構造を備えた酸素透過性樹脂は、従来のポリジメチルシロキサン等と比較して10倍以上の酸素透過性を有する。また主鎖を構成するポリアセチレン鎖は耐熱性および耐酸化性に優れていることから、本発明に係る酸素透過性樹脂は燃料電池の電極構成材料として好適である。特に本発明に係る酸素透過性樹脂は200℃以上の酸化性雰囲気においても分解することがなく、燃料電池の電極構成材料として好適に用いることができる。
なお、本発明に係る酸素透過性樹脂として好ましい酸素透過係数PO2は5×10−11[cm(標準状態)・cm/cm・s・Pa]以上であり、より好ましくは1×10−10[cm(標準状態)・cm/cm・s・Pa]以上である。酸素透過性樹脂として最も好ましいポリ(1−トリメチルシリルプロピン)の酸素透過性係数PO2は1×10−10〜1×10−9[cm(標準状態)・cm/cm・s・Pa]程度になる。酸素透過性係数PO2が1×10−11[cm(標準状態)・cm/cm・s・Pa]以上の樹脂を用いることで、カソード電極2における活性化過電圧を低減させることができる。
The oxygen permeable resin represented by the general formula (2) is a resin in which hydrogen of polyacetylene is substituted with the R 1 group and the R 2 to R 4 substituted silyl group. Since this oxygen-permeable resin has a main chain of a polyacetylene structure, the molecular chain has high rigidity, so that the distance between the main chains is wider than that of a general glassy polymer. Further, in this oxygen permeable resin, R 2 to R 4 substituted silyl groups having high mobility exist between the extended main chains. The oxygen permeable resin having such a molecular structure has an oxygen permeability of 10 times or more compared to conventional polydimethylsiloxane and the like. In addition, since the polyacetylene chain constituting the main chain is excellent in heat resistance and oxidation resistance, the oxygen-permeable resin according to the present invention is suitable as an electrode constituent material of a fuel cell. In particular, the oxygen-permeable resin according to the present invention is not decomposed even in an oxidizing atmosphere of 200 ° C. or higher, and can be suitably used as an electrode constituent material of a fuel cell.
The oxygen permeability coefficient P O2 that is preferable as the oxygen permeable resin according to the present invention is 5 × 10 −11 [cm 3 (standard state) · cm / cm 2 · s · Pa] or more, and more preferably 1 × 10 9. -10 [cm 3 (standard state) · cm / cm 2 · s · Pa] or more. The oxygen permeability coefficient P O2 of poly (1-trimethylsilylpropyne) most preferable as the oxygen permeable resin is 1 × 10 −10 to 1 × 10 −9 [cm 3 (standard state) · cm / cm 2 · s · Pa. ] By using a resin having an oxygen permeability coefficient P O2 of 1 × 10 −11 [cm 3 (standard state) · cm / cm 2 · s · Pa] or more, activation overvoltage in the cathode electrode 2 can be reduced. .

また、上記一般式(2)に示す酸素透過性樹脂は、熱重量分析によって重量減少開始温度を測定した場合に、重量減少開始温度が200℃以上になり、優れた耐熱性を有する。特に、酸素透過性樹脂として最も好ましいポリ(1−トリメチルシリルプロピン)の重量減少開始温度は300℃以上であり、80℃〜200℃程度で作動する燃料電池の電極構成材料として好適な耐熱性を有している。   In addition, the oxygen-permeable resin represented by the general formula (2) has excellent heat resistance when the weight reduction start temperature is 200 ° C. or higher when the weight reduction start temperature is measured by thermogravimetric analysis. In particular, poly (1-trimethylsilylpropyne), the most preferred oxygen permeable resin, has a weight reduction starting temperature of 300 ° C. or higher, and has a heat resistance suitable as an electrode constituent material for a fuel cell operating at about 80 ° C. to 200 ° C. Have.

また、触媒に対する酸素透過性樹脂の配合率は、質量%で0.1%以上10%以下の範囲が好ましく、2%以上8%以下の範囲がより好ましい。配合率が0.1%以上であれば、触媒表面に十分な濃度の酸素を供給することができる。また配合率が10%以下であれば、カソード電極2自体の抵抗率が低く抑えられ、アノード電極の内部抵抗を低減できる。   Further, the blending ratio of the oxygen permeable resin to the catalyst is preferably in the range of 0.1% to 10% by mass%, and more preferably in the range of 2% to 8%. If the blending ratio is 0.1% or more, a sufficient concentration of oxygen can be supplied to the catalyst surface. If the blending ratio is 10% or less, the resistivity of the cathode electrode 2 itself can be kept low, and the internal resistance of the anode electrode can be reduced.

また、カソード電極2の触媒層2aには、触媒と酸素透過性樹脂に加えて、疎水性樹脂、リン酸等を保持可能な塩基性ポリマーまたはプロトン伝導性樹脂のいずれかを添加しても良い。また、疎水性樹脂と塩基性ポリマーを同時に添加しても良い。また、疎水性樹脂とプロトン伝導性樹脂を同時に添加しても良い。
疎水性樹脂としては例えば、ポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロエチレン共重合体、パーフルオロエチレン等といった疎水性および耐熱性に優れた樹脂を用いることができる。疎水性樹脂を添加することにより、発電反応に伴って生成した水によって触媒層2aが過剰に濡れるのを防止することができ、カソード電極2内部における酸素の拡散阻害を防止することができる。すなわち、カソード電極2内部の触媒表面において、気相(酸素)−液相(水)−固相(触媒)の三相界面が多く形成されて、カソード電極2の特性を向上させることができる。
また、塩基性ポリマーとしては、上記の電解質4に用いられる塩基性ポリマーを利用することができる。塩基性ポリマーの平均分子量は1000〜100000が好ましい。平均分子量が1000以下では触媒との密着性が悪く、また平均分子量が100000以上では、溶剤に溶けにくくなり触媒との混合が困難になるからである。塩基性ポリマーを添加することによって、電解質4から滲み出されたリン酸等をカソード電極2に保持させることができる。これにより、カソード電極2の触媒表面に水素イオンを効率よく輸送させることができ、酸素の還元反応の反応速度を高めることができる。
更に、プロトン伝導性樹脂としては、パーフルオロカーボンスルフォン酸型イオン交換樹脂などのフッ素系イオン交換樹脂を用いることができる。特にフッ素系イオン交換樹脂は酸素選択的溶解性を有しており、当該樹脂に溶解させた酸素を電極表面に効率よく輸送させることができる。これにより、カソード電極の触媒表面に水素イオンを効率よく輸送させることができ、酸素の還元反応の反応速度を高めることができ、活性化過電圧をより低くすることができる。
In addition to the catalyst and the oxygen permeable resin, the catalyst layer 2a of the cathode electrode 2 may be added with either a hydrophobic polymer, a basic polymer capable of holding phosphoric acid, or a proton conductive resin. . Moreover, you may add hydrophobic resin and a basic polymer simultaneously. Moreover, you may add hydrophobic resin and proton conductive resin simultaneously.
As the hydrophobic resin, for example, a resin having excellent hydrophobicity and heat resistance such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene / hexafluoroethylene copolymer, perfluoroethylene, and the like can be used. By adding the hydrophobic resin, it is possible to prevent the catalyst layer 2a from being wetted excessively by the water generated during the power generation reaction, and to prevent the diffusion of oxygen in the cathode electrode 2 from being inhibited. That is, a large number of gas phase (oxygen) -liquid phase (water) -solid phase (catalyst) three-phase interfaces are formed on the surface of the catalyst inside the cathode electrode 2, and the characteristics of the cathode electrode 2 can be improved.
Moreover, as a basic polymer, the basic polymer used for said electrolyte 4 can be utilized. The average molecular weight of the basic polymer is preferably 1000 to 100,000. This is because if the average molecular weight is 1000 or less, the adhesion to the catalyst is poor, and if the average molecular weight is 100,000 or more, it is difficult to dissolve in the solvent and mixing with the catalyst becomes difficult. By adding the basic polymer, phosphoric acid or the like that has oozed out of the electrolyte 4 can be held on the cathode electrode 2. Thereby, hydrogen ions can be efficiently transported to the catalyst surface of the cathode electrode 2, and the reaction rate of the oxygen reduction reaction can be increased.
Further, as the proton conductive resin, a fluorine ion exchange resin such as a perfluorocarbon sulfonic acid type ion exchange resin can be used. In particular, the fluorine-based ion exchange resin has oxygen selective solubility, and oxygen dissolved in the resin can be efficiently transported to the electrode surface. Thereby, hydrogen ions can be efficiently transported to the catalyst surface of the cathode electrode, the reaction rate of the oxygen reduction reaction can be increased, and the activation overvoltage can be further reduced.

触媒層2aにおける疎水性樹脂の配合率は質量%で1%以上20%以下の範囲が好ましく、2%以上10%以下の範囲がより好ましい。疎水性樹脂の配合率を1%以上とすることで触媒層2a自体の疎水性を高めることができる。また疎水性樹脂の配合率を20%以下とすることでカソード電極2の内部抵抗を低減することができる。
また、触媒層2aにおける塩基性ポリマーの配合率は質量%で0%以上10%以下の範囲が好ましく、2%以上5%以下の範囲がより好ましい。塩基性ポリマーの配合率を2%以上とすることで触媒層2aにおける水素イオンの伝導性を高めて酸素の還元反応を効率よく進めることができる。また塩基性ポリマーの配合率を10%以下とすることでカソード電極2の内部抵抗を低減することができる。
更に、触媒層2aにおけるプロトン伝導性樹脂の配合率は質量%で0%以上10%以下の範囲が好ましく、2%以上5%以下の範囲がより好ましい。プロトン伝導性樹脂の配合率を2%以上とすることで触媒層2aにおける水素イオンの伝導性を高めて酸素の還元反応を効率よく進めることができる。またプロトン伝導性樹脂の配合率を10%以下とすることでカソード電極2の内部抵抗を低減することができる。
The blending ratio of the hydrophobic resin in the catalyst layer 2a is preferably in the range of 1% to 20% by mass%, and more preferably in the range of 2% to 10%. By making the blending ratio of the hydrophobic resin 1% or more, the hydrophobicity of the catalyst layer 2a itself can be increased. Moreover, the internal resistance of the cathode electrode 2 can be reduced by setting the blending ratio of the hydrophobic resin to 20% or less.
Further, the blending ratio of the basic polymer in the catalyst layer 2a is preferably in the range of 0% to 10% by mass%, and more preferably in the range of 2% to 5%. By setting the blending ratio of the basic polymer to 2% or more, the hydrogen ion conductivity in the catalyst layer 2a can be increased and the oxygen reduction reaction can be efficiently advanced. Moreover, the internal resistance of the cathode electrode 2 can be reduced by setting the blending ratio of the basic polymer to 10% or less.
Furthermore, the blending ratio of the proton conductive resin in the catalyst layer 2a is preferably in the range of 0% to 10% by mass%, and more preferably in the range of 2% to 5%. By setting the blending ratio of the proton conductive resin to 2% or more, the hydrogen ion conductivity in the catalyst layer 2a can be increased, and the oxygen reduction reaction can be advanced efficiently. Moreover, the internal resistance of the cathode electrode 2 can be reduced by setting the blending ratio of the proton conductive resin to 10% or less.

上記の触媒層2aを製造するには、たとえば、触媒及び酸素透過性樹脂を、酸素透過性樹脂が可溶な溶媒に混合してスラリーとし、このスラリーを多孔質カーボンシート2bに塗布し、更に溶媒を除去することで製造できる。前記のスラリーには、疎水性樹脂、塩基性ポリマーまたはプロトン伝導性樹脂を添加しても良い。また酸素透過性樹脂が可溶な溶媒としては例えばトルエンを用いることができる。
また、疎水性樹脂、塩基性ポリマーまたはプロトン伝導性樹脂が、トルエン等の溶媒に不溶の場合には、これら疎水性樹脂等及び触媒により触媒層を形成し、そのあとから酸素透過性樹脂を添加してもよい。具体的には、触媒及びこれら疎水性樹脂等を、疎水性樹脂等が可溶な溶媒に混合してスラリーとし、このスラリーから溶媒を除去して混合物とする。次に、酸素透過性樹脂を溶解させたトルエン溶液を調整し、このトルエン溶液に先ほどの混合物を投入して混練することによりスラリーとし、このスラリーを多孔質カーボンシート2bに塗布し、更にトルエンを除去することで触媒層を形成する。また、先ほどの混合物にトルエン溶液を塗布してからトルエンを除去しても良い。このようにして、疎水性樹脂等及び酸素透過性樹脂が添加されてなる触媒層が得られる。
In order to manufacture the catalyst layer 2a, for example, the catalyst and the oxygen permeable resin are mixed with a solvent in which the oxygen permeable resin is soluble to form a slurry, and this slurry is applied to the porous carbon sheet 2b. It can be produced by removing the solvent. A hydrophobic resin, a basic polymer, or a proton conductive resin may be added to the slurry. As a solvent in which the oxygen permeable resin is soluble, for example, toluene can be used.
If the hydrophobic resin, basic polymer, or proton conductive resin is insoluble in a solvent such as toluene, a catalyst layer is formed with the hydrophobic resin and the catalyst, and then an oxygen permeable resin is added. May be. Specifically, the catalyst and the hydrophobic resin are mixed with a solvent in which the hydrophobic resin is soluble to form a slurry, and the solvent is removed from the slurry to obtain a mixture. Next, a toluene solution in which the oxygen permeable resin is dissolved is prepared, and the mixture is added to the toluene solution and kneaded to form a slurry. The slurry is applied to the porous carbon sheet 2b, and toluene is further added. A catalyst layer is formed by removing. Alternatively, the toluene may be removed after applying the toluene solution to the mixture. In this way, a catalyst layer to which a hydrophobic resin or the like and an oxygen permeable resin are added is obtained.

次にアノード電極3は、多孔質性の触媒層3aと、この触媒層3aを保持する多孔質カーボンシート(カーボン多孔質体)3bから概略構成されている。触媒層3aには、白金、白金と他の貴金属(例えばルテニウム)との合金または白金と卑金属(例えばコバルト)との合金のいずれかを活性炭に坦持させてなる電極触媒(触媒)とこの電極触媒を固化成形するための疎水性結着剤とが含まれている。疎水性結着剤には例えば、ポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロエチレン共重合体、パーフルオロエチレン等といった疎水性および耐熱性に優れた樹脂を用いることができる。疎水性結着剤を添加することにより、発電反応に伴って生成した水によって触媒層3aが過剰に濡れるのを防止することができ、アノード電極3内部の燃料ガスの拡散阻害を防止することができる。すなわち、アノード電極3内部の電極触媒表面において、気相(水素)−液相(水)−固相(触媒)の三相界面が多く形成されて、電極の特性を向上させることができる。また触媒層3aには、触媒と疎水性結着剤の他に塩基性ポリマーを含有させても良い。塩基性ポリマーを添加することによって、電解質4から滲み出されたリン酸等を保持することができる。これにより、触媒表面において生成した水素イオンをアノード電極の外側に効率よく輸送させることができる。なお、アノード電極3に添加する塩基性ポリマーとしては、上記の電解質4に用いられる塩基性ポリマーを利用することができる。塩基性ポリマーの平均分子量は1000〜100000が好ましい。平均分子量が1000以下では触媒との密着性が悪く、また平均分子量が100000以上では、溶剤に溶けにくくなり触媒との混合が困難になるからである。   Next, the anode electrode 3 is roughly composed of a porous catalyst layer 3a and a porous carbon sheet (carbon porous body) 3b for holding the catalyst layer 3a. In the catalyst layer 3a, an electrode catalyst (catalyst) in which any one of platinum, an alloy of platinum and other noble metal (for example, ruthenium) or an alloy of platinum and a base metal (for example, cobalt) is supported on activated carbon, and this electrode And a hydrophobic binder for solidifying and molding the catalyst. As the hydrophobic binder, for example, a resin having excellent hydrophobicity and heat resistance such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene / hexafluoroethylene copolymer, perfluoroethylene, or the like can be used. By adding the hydrophobic binder, it is possible to prevent the catalyst layer 3a from being excessively wetted by the water generated by the power generation reaction, and to prevent the diffusion of fuel gas inside the anode electrode 3 from being inhibited. it can. That is, a large number of gas phase (hydrogen) -liquid phase (water) -solid phase (catalyst) three-phase interfaces are formed on the surface of the electrode catalyst inside the anode electrode 3, thereby improving the electrode characteristics. The catalyst layer 3a may contain a basic polymer in addition to the catalyst and the hydrophobic binder. By adding a basic polymer, it is possible to retain phosphoric acid and the like that have oozed out of the electrolyte 4. Thereby, hydrogen ions generated on the catalyst surface can be efficiently transported to the outside of the anode electrode. The basic polymer used for the electrolyte 4 can be used as the basic polymer added to the anode electrode 3. The average molecular weight of the basic polymer is preferably 1000 to 100,000. This is because if the average molecular weight is 1000 or less, the adhesion to the catalyst is poor, and if the average molecular weight is 100,000 or more, it is difficult to dissolve in the solvent and mixing with the catalyst becomes difficult.

本発明に係るカソード電極2に含まれる酸素透過性樹脂は、酸素透過性に優れるとともに、200℃程度の高温にも耐えることができ、かつ耐酸化性にも優れるものである。酸化剤流路5aからカソード電極2に供給された酸素は、一部が多孔質性の触媒層2aに吸収されて触媒表面に到達するが、他の一部は酸素透過性樹脂を透過して触媒表面に達する。このように本実施形態のカソード電極2によれば、酸素透過性樹脂を含有させることによって、触媒表面における酸素濃度を高めることができ、活性化過電圧を低減させることができる。また、耐熱性及び耐酸化性に優れることから、長期に渡って80℃〜200℃の高温で連続運転される燃料電池の電極として用いられた場合でも、酸素透過能力が低減することなく出力電圧を高く維持させることができる。   The oxygen permeable resin contained in the cathode electrode 2 according to the present invention is excellent in oxygen permeability, can withstand a high temperature of about 200 ° C., and is excellent in oxidation resistance. Part of the oxygen supplied from the oxidant flow path 5a to the cathode electrode 2 is absorbed by the porous catalyst layer 2a and reaches the catalyst surface, while the other part of the oxygen passes through the oxygen-permeable resin. Reach the catalyst surface. As described above, according to the cathode electrode 2 of the present embodiment, by containing the oxygen permeable resin, the oxygen concentration on the catalyst surface can be increased, and the activation overvoltage can be reduced. In addition, since it has excellent heat resistance and oxidation resistance, even when used as an electrode of a fuel cell that is continuously operated at a high temperature of 80 ° C. to 200 ° C. for a long period of time, the output voltage does not decrease without reducing the oxygen transmission capacity. Can be kept high.

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明の趣旨に沿う組み合わせによる効果は可能であり、したがって、本発明はこの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, the effect by the combination along the meaning of this invention is possible, Therefore, this invention is not limited to this Example.

(実施例1)
実施例1のカソード電極を以下のようにして製造した。まず、ポリベンゾイミダゾール(以下PBIと表記する)を10質量%の濃度で溶解させたジメチルアセトアミド溶液50mlを用意し、この溶液に白金担持触媒4gを添加して混合し、その後ジメチルアセトアミドを除去した。このようにして触媒とPBIの混合物を得た。触媒とPBIの質量比は触媒:PBI=1:0.05であった。なお白金担持触媒には、カーボン(ValcanXC72)に白金を坦持させた白金担持触媒(白金含有率40質量%)を用いた。
次に、ポリ(1−トリメチルシリルプロピン)(以下、PTMSPと表記する)を2質量%の濃度で溶解させたトルエン溶液20mlを用意し、このトルエン溶液に触媒とPBIの混合物を投入して混練してスラリーとした。このときの触媒とPTMSPとの質量比は触媒:PTMSP=1:0.05であった。得られたスラリーを微細カーボン層を有するカーボンペーパー(E−TEK社製:GDL30BC)上に塗布した。塗布後、真空中150℃で約15分間乾燥して溶媒を除去した。このようにして実施例1のカソード電極を製造した。なお、カソード電極におけるPBIの配合率は5質量%であり、PTMSPの配合率は2質量%であった。また、ポリ(1−トリメチルシリルプロピン)の酸素透過係数PO2は相対湿度0%の条件で6.0×10−10[cm(標準状態)・cm/cm・s・Pa]であり、ゲルパーメイションクロマトグラフ法で測定した分子量は200,000であった。更に、熱重量分析により昇温速度2℃/分、窒素雰囲気中で重量減少開始温度を測定したところ300℃から重量減少が始まった。
なお、酸素透過係数PO2の測定は次のように行った。ポリ(1−トリメチルシリルプロピン)を膜厚100μmの薄膜に成形し、この薄膜を隔壁とした2つの領域をもつ測定装置を用意した。各領域には、ガス流入路とガス流出路がそれぞれ設けられている。一方の流入路からArガスを流量200ml/Lで流通させ、他方の流入路から空気を流量200ml/Lで流通させた。Arガスを流した側の領域についてガスの成分分析をガスクロマトグラフにより行うことにより、酸素透過係数PO2を測定した。
Example 1
The cathode electrode of Example 1 was manufactured as follows. First, 50 ml of a dimethylacetamide solution in which polybenzimidazole (hereinafter referred to as PBI) was dissolved at a concentration of 10% by mass was prepared, 4 g of platinum-supported catalyst was added and mixed, and then dimethylacetamide was removed. . In this way, a mixture of the catalyst and PBI was obtained. The mass ratio of catalyst to PBI was catalyst: PBI = 1: 0.05. As the platinum-supported catalyst, a platinum-supported catalyst (platinum content 40 mass%) in which platinum was supported on carbon (Valcan XC72) was used.
Next, 20 ml of a toluene solution in which poly (1-trimethylsilylpropyne) (hereinafter referred to as PTMSP) is dissolved at a concentration of 2% by mass is prepared, and a mixture of the catalyst and PBI is added to the toluene solution and kneaded. To give a slurry. At this time, the mass ratio of the catalyst to PTMSP was catalyst: PTMSP = 1: 0.05. The obtained slurry was apply | coated on the carbon paper (E-TEK company_made: GDL30BC) which has a fine carbon layer. After coating, the solvent was removed by drying in vacuum at 150 ° C. for about 15 minutes. In this way, the cathode electrode of Example 1 was manufactured. In addition, the compounding ratio of PBI in the cathode electrode was 5% by mass, and the compounding ratio of PTMSP was 2% by mass. The oxygen permeability coefficient of the poly (1-trimethylsilyl-propyne) P O2 is at 0% relative humidity conditions 6.0 × 10 -10 [cm 3 (standard state) · cm / cm 2 · s · Pa] The molecular weight measured by gel permeation chromatography was 200,000. Furthermore, when the temperature reduction start temperature was measured in a nitrogen atmosphere at a temperature rising rate of 2 ° C./min by thermogravimetric analysis, the weight reduction started at 300 ° C.
The oxygen permeability coefficient P02 was measured as follows. Poly (1-trimethylsilylpropyne) was formed into a thin film having a thickness of 100 μm, and a measuring apparatus having two regions using this thin film as a partition was prepared. Each region is provided with a gas inflow passage and a gas outflow passage. Ar gas was circulated at a flow rate of 200 ml / L from one inflow passage, and air was circulated at a flow rate of 200 ml / L from the other inflow passage. The oxygen permeation coefficient P02 was measured by performing a gas component analysis on the region on the side where the Ar gas was flowed using a gas chromatograph.

次に、アノード電極として、市販の白金担持ガス拡散電極(Electrochem社製触媒付電極EC−20-10-7)を用意した。また電解質として、リン酸をPBIの塩基性基に対して250質量%ドープさせたPBIを用意した。そして、カソード電極と電解質とアノード電極を重ね合わせ、更に各電極の外側に酸化剤配流板および燃料配流板を配置することにより、図1に示すような実施例1の燃料電池を製造した。   Next, a commercially available platinum-supported gas diffusion electrode (Electrochem catalyst electrode EC-20-10-7 manufactured by Electrochem) was prepared as an anode electrode. As an electrolyte, PBI was prepared by doping phosphoric acid with 250 mass% with respect to the basic group of PBI. Then, the fuel cell of Example 1 as shown in FIG. 1 was manufactured by superimposing the cathode electrode, the electrolyte, and the anode electrode, and further disposing the oxidant distribution plate and the fuel distribution plate outside each electrode.

(実施例2)
次に、実施例2のカソード電極を以下のようにして製造した。まず、ポリフッ化ビニリデン(以下、PVdFと表記する)を5質量%の濃度で溶解させるとともにPBIを3質量%の濃度で溶解させたN−メチルピロリドン溶液10mlを用意し、この溶液に実施例1と同じ白金担持触媒2gを添加して混合してスラリーを調製した。触媒とPVdFとPBIとの質量比は触媒:PVdF:PBI=1:0.05:0.05であった。
次に、得られたスラリーを実施例1と同じカーボンペーパー上に塗布した。塗布後、真空中150℃で約15分間乾燥してN−メチルピロリドンを除去した。このようにして電極層を形成した。
次に、得られた電極層に対して、PTMSPを3質量%の濃度で溶解させたトルエン溶液1mlを塗布した後、真空中150℃で約15分間乾燥してトルエンを除去した。
このようにして実施例2のカソード電極を製造した。なお、カソード電極におけるPVdFの配合率は5質量%であり、PBIの配合率は3質量%であり、PTMSPの配合率は2質量%であった。
そして、実施例1と同様にして、得られたカソード電極を用いて実施例2の燃料電池を製造した。
(Example 2)
Next, the cathode electrode of Example 2 was manufactured as follows. First, 10 ml of an N-methylpyrrolidone solution in which polyvinylidene fluoride (hereinafter referred to as PVdF) was dissolved at a concentration of 5% by mass and PBI was dissolved at a concentration of 3% by mass was prepared. 2 g of the same platinum-supported catalyst was added and mixed to prepare a slurry. The mass ratio of the catalyst, PVdF, and PBI was catalyst: PVdF: PBI = 1: 0.05: 0.05.
Next, the obtained slurry was applied on the same carbon paper as in Example 1. After the application, N-methylpyrrolidone was removed by drying in vacuum at 150 ° C. for about 15 minutes. In this way, an electrode layer was formed.
Next, 1 ml of a toluene solution in which PTMSP was dissolved at a concentration of 3 mass% was applied to the obtained electrode layer, and then dried at 150 ° C. for about 15 minutes in vacuum to remove toluene.
In this way, the cathode electrode of Example 2 was manufactured. In addition, the blending ratio of PVdF in the cathode electrode was 5 mass%, the blending ratio of PBI was 3 mass%, and the blending ratio of PTMSP was 2 mass%.
Then, in the same manner as in Example 1, a fuel cell of Example 2 was manufactured using the obtained cathode electrode.

(比較例1)
PTMSPのトルエン溶液を電極層に塗布しなかったこと以外は実施例2と同様にして比較例1のカソード電極を製造した。このカソード電極におけるPVdFの配合率は5質量%であり、PBIの配合率は3質量%であった。そして、実施例1と同様にして、得られたカソード電極を用いて比較例1の燃料電池を製造した。
(Comparative Example 1)
A cathode electrode of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 2, except that the toluene solution of PTMSP was not applied to the electrode layer. The compounding ratio of PVdF in this cathode electrode was 5% by mass, and the compounding ratio of PBI was 3% by mass. And the fuel cell of the comparative example 1 was manufactured like Example 1 using the obtained cathode electrode.

(比較例2)
PTMSPのトルエン溶液に代えて、ポリジメチルシロキサンを3質量%の濃度で溶解させたトルエン溶液1mlを塗布したこと以外は実施例2と同様にして比較例2のカソード電極を製造した。このカソード電極におけるPVdFの配合率は5質量%であり、PBIの配合率は3質量%であり、ポリジメチルシロキサンの配合率は2質量%であった。そして、実施例1と同様にして、得られたカソード電極を用いて比較例2の燃料電池を製造した。また、ポリジメチルシロキサンの酸素透過係数PO2は実施例1と同様にして測定したところ、相対湿度0%の条件で6.0×10−11[cm(標準状態)・cm/cm・s・Pa]であった。また、ゲルパーメイションクロマトグラフ法で測定した分子量は200,000であった。更に、熱重量分析により昇温速度2℃/分、窒素雰囲気中で重量減少開始温度を測定したところ140℃から重量減少が始まった。
(Comparative Example 2)
A cathode electrode of Comparative Example 2 was produced in the same manner as in Example 2 except that 1 ml of a toluene solution in which polydimethylsiloxane was dissolved at a concentration of 3% by mass was applied instead of the toluene solution of PTMSP. The blending ratio of PVdF in this cathode electrode was 5 mass%, the blending ratio of PBI was 3 mass%, and the blending ratio of polydimethylsiloxane was 2 mass%. Then, in the same manner as in Example 1, a fuel cell of Comparative Example 2 was manufactured using the obtained cathode electrode. The oxygen permeability coefficient P O2 of polydimethylsiloxane was measured in the same manner as in Example 1, the relative humidity of 0% for 6.0 × 10 -11 [cm 3 (standard state) · cm / cm 2 · s · Pa]. The molecular weight measured by gel permeation chromatography was 200,000. Furthermore, when the temperature reduction start temperature was measured in a nitrogen atmosphere at a temperature elevation rate of 2 ° C./min by thermogravimetric analysis, the weight reduction started at 140 ° C.

(評価)
上記のようにして製造した各燃料電池に対して、カソード電極に空気を供給するとともにアノード電極に水素を供給し、作動温度150℃、電解質に対して加湿しない条件で、無加湿の条件で発電を行い、発電特性を評価した。発電は、出力電流密度が0.3A/cmになる条件で行った。表1に、発電開始から10時間、500時間および1000時間経過したときの各燃料電池の出力電圧を示す。
(Evaluation)
For each fuel cell manufactured as described above, air is supplied to the cathode electrode and hydrogen is supplied to the anode electrode, and the power is generated at an operating temperature of 150.degree. The power generation characteristics were evaluated. Power generation was performed under conditions where the output current density was 0.3 A / cm 2 . Table 1 shows the output voltage of each fuel cell when 10 hours, 500 hours, and 1000 hours have elapsed since the start of power generation.

Figure 2006324140
Figure 2006324140

表1に示すように、実施例1及び実施例2の燃料電池は、1000時間の経過後であっても0.65〜0.66Vの電圧を維持していることがわかる。これは、酸素透過性樹脂を添加したことによってカソードにおける活性化過電圧が低下し、これにより作動電圧が大きくなったためである。実施例1よりも実施例2の出力電圧が大きいのは、実施例2のカソード電極に酸素選択的溶解性を有するPVdFが添加されており、触媒表面における酸素濃度が実施例1よりも大きくなったためと考えられる。
一方、比較例1および2については、酸素透過性樹脂が添加されていないために、500時間経過後の時点で出力電圧が0.43V〜0.63V程度に低下している。特に比較例2については、1000時間後に測定不能なっている。これは、ポリジメチルシロキサンの重量減少開始温度がポリ(1−トリメチルシリルプロピン)よりも低いために、ポリジメチルシロキサンが燃料電池の連続運転中に劣化したためと考えられる。
As shown in Table 1, it can be seen that the fuel cells of Examples 1 and 2 maintain a voltage of 0.65 to 0.66 V even after 1000 hours. This is because the activation overvoltage at the cathode is lowered by adding the oxygen permeable resin, and the operating voltage is increased. The output voltage of Example 2 is higher than that of Example 1 because PVdF having oxygen selective solubility is added to the cathode electrode of Example 2, and the oxygen concentration on the catalyst surface becomes higher than that of Example 1. It is thought that it was because of.
On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, since the oxygen permeable resin is not added, the output voltage is reduced to about 0.43 V to 0.63 V after 500 hours. In particular, in Comparative Example 2, measurement is impossible after 1000 hours. This is presumably because the polydimethylsiloxane deteriorated during the continuous operation of the fuel cell because the polydimethylsiloxane had a lower weight starting temperature than poly (1-trimethylsilylpropyne).

本発明の実施形態である燃料電池の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the fuel cell which is embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

2…カソード電極、3…アノード電極、4…電解質、5…酸化剤配流板、5a…酸化剤流路、6…燃料配流板、6a…燃料流路

2 ... Cathode electrode, 3 ... Anode electrode, 4 ... Electrolyte, 5 ... Oxidant flow plate, 5a ... Oxidant flow channel, 6 ... Fuel flow plate, 6a ... Fuel flow channel

Claims (4)

触媒と、下記一般式(1)で表される酸素透過性樹脂とが含まれてなることを特徴とする燃料電池用のカソード電極。
Figure 2006324140
ただし、上記一般式(1)において、R〜Rは独立して、アルキル基、フッ素置換アルキル基、アルキル化シリル基から選択されたものを表し、nは100以上10000以下の整数を表す。
A cathode for a fuel cell, comprising a catalyst and an oxygen-permeable resin represented by the following general formula (1).
Figure 2006324140
However, in the above general formula (1), R 1 ~R 4 are independently an alkyl group, fluorine-substituted alkyl group, those selected from alkylated silyl group, n is an integer of 100 to 10,000 .
前記酸素透過性樹脂の酸素透過係数PO2が1×10−11[cm(標準状態)・cm/cm・s・Pa]以上であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用のカソード電極。 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the oxygen permeable resin has an oxygen permeability coefficient PO 2 of 1 × 10 −11 [cm 3 (standard state) · cm / cm 2 · s · Pa] or more. Cathode electrode for use. 前記酸素透過性樹脂がポリ(1−トリメチルシリルプロピン)であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池用のカソード電極。   The cathode electrode for a fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the oxygen permeable resin is poly (1-trimethylsilylpropyne). 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の燃料電池用のカソード電極を備えたことを特徴とする燃料電池。

A fuel cell comprising the cathode electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3.

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