JP2007035325A - Fuel cell and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell which can improve power generation performance by supplying oxygen to a catalyst effectively, and a method for manufacturing the fuel cell. <P>SOLUTION: A fuel cell 100 comprises an electrolyte film 11, and an anode 12 and a cathode 13 arranged on both sides of the electrolyte film 11, respectively. The anode 12 and the cathode 13 have at least catalyst layers 12a, 13a respectively, the catalyst layer 13a of the cathode has an oxygen absorbent 4, a catalyst 5, and a proton conductor 6. The oxygen absorbent 4 is formed by fixing a metalloporphyrin 3 to the surface of carbon 1 through an imidazole group 2. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池及び燃料電池の製造方法に関し、特に、酸素を効果的に触媒へと供給することで発電性能を向上させることが可能な燃料電池及び当該燃料電池の製造方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell and a method for manufacturing the fuel cell, and more particularly to a fuel cell capable of improving power generation performance by effectively supplying oxygen to a catalyst and a method for manufacturing the fuel cell.

固体高分子型燃料電池(以下において、「PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)」と記述する。)に代表される燃料電池は、電解質膜と、当該電解質膜の両側に配設される電極(カソード及びアノード)とを備える膜電極接合体(以下において、「MEA(Membrane Electrode Assembly)」と記述する。)における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、MEAの両側に配設されるセパレータを介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用されるPEFCは、低温領域での運転が可能であり、80〜100℃程度の運転温度で使用されるのが一般的である。また、PEFCは、30〜40%の高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。   A fuel cell represented by a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as “PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell”)) includes an electrolyte membrane and electrodes (cathode and cathode) disposed on both sides of the electrolyte membrane. The electrical energy generated by the electrochemical reaction in the membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA (Membrane Electrode Assembly)”) including the anode is externally supplied via separators disposed on both sides of the MEA. It has been taken out. Among fuel cells, PEFCs used for household cogeneration systems and automobiles can be operated in a low temperature region and are generally used at an operating temperature of about 80 to 100 ° C. In addition, PEFC has shown high energy conversion efficiency of 30 to 40%, has a short start-up time, and has a small and lightweight system. Therefore, PEFC has attracted attention as an optimal power source for electric vehicles and portable power sources.

PEFCのユニットセルは、電解質膜、少なくとも触媒層を備えるカソード及びアノード、並びに、セパレータを含み、その理論起電力は1.23Vである。しかし、かかる低起電力では電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、ユニットセルを直列に積層した積層体の積層方向両端にエンドプレート等を配置して構成されるスタック形態の燃料電池が使用されている。   A unit cell of PEFC includes an electrolyte membrane, a cathode and an anode including at least a catalyst layer, and a separator, and a theoretical electromotive force thereof is 1.23V. However, since such a low electromotive force is insufficient as a power source for an electric vehicle or the like, the stack form is generally configured by disposing end plates or the like at both ends in the stacking direction of a stacked body in which unit cells are stacked in series. A fuel cell is used.

燃料電池における電気発生の源となる電気化学反応は、以下の工程で進行する。まず、アノードへと供給された水素は、触媒(例えば、炭素に担持された白金等。以下において同じ。)上で、水素イオンと電子とに分解される。
アノード側:H→2H+2e
そして、アノードで発生した水素イオン(以下において、「プロトン」と記述する。)は、プロトン伝導体である電解質膜を通過してカソードへと達する。ここで、電解質膜はイオンのみを通過させる性質を有するため、アノードで発生した電子は電解質膜を通過できず、電解質膜を迂回してカソードへと移動する。燃料電池では、かかる電子の移動により、電気が発生する。一方、カソードへと供給された酸素は、カソードに備えられる触媒上で、上記プロトン及び電子と反応し、水となる。
カソード側:2H+2e+(1/2)O→H
このように、発電時の燃料電池におけるカソードでは、酸素とプロトン及び電子とが反応しており、かかる酸素は、通常、空気の形態でカソードへ供給されている。
An electrochemical reaction that is a source of electricity generation in a fuel cell proceeds in the following steps. First, hydrogen supplied to the anode is decomposed into hydrogen ions and electrons on a catalyst (for example, platinum supported on carbon, etc., the same applies hereinafter).
Anode side: H 2 → 2H + + 2e
Then, hydrogen ions generated in the anode (hereinafter referred to as “protons”) pass through the electrolyte membrane, which is a proton conductor, and reach the cathode. Here, since the electrolyte membrane has a property of allowing only ions to pass therethrough, the electrons generated at the anode cannot pass through the electrolyte membrane and move to the cathode bypassing the electrolyte membrane. In a fuel cell, electricity is generated by such movement of electrons. On the other hand, the oxygen supplied to the cathode reacts with the protons and electrons on the catalyst provided in the cathode to become water.
Cathode side: 2H + + 2e + (1/2) O 2 → H 2 O
Thus, oxygen, protons, and electrons are reacted in the cathode of the fuel cell during power generation, and such oxygen is usually supplied to the cathode in the form of air.

従来の燃料電池では、カソード、特にカソード触媒層に含まれる触媒へ供給される酸素量が不足している、又は、カソードに含まれる触媒の性能が不十分である等の理由から、カソードにおける電気化学反応の効率(以下において、「カソードの反応効率」と記述する。)が不十分であり、十分な発電性能が得られていない。そのため、カソードの反応効率を向上させることで、発電性能を向上させることが可能な燃料電池とすることが望まれている。   In the conventional fuel cell, the amount of oxygen supplied to the cathode, particularly the catalyst contained in the cathode catalyst layer, is insufficient, or the performance of the catalyst contained in the cathode is insufficient. The efficiency of the chemical reaction (hereinafter referred to as “cathode reaction efficiency”) is insufficient, and sufficient power generation performance is not obtained. Therefore, it is desired to provide a fuel cell capable of improving the power generation performance by improving the reaction efficiency of the cathode.

これまでに、PEFCのカソード用触媒の性能を向上させることを目的とした技術はいくつか開示されてきている。例えば、特許文献1には、BET比表面積が500m/g以上である炭素材料に遷移金属の大環状化合物錯体と貴金属とを担持してなるPEFCカソード用触媒に関する技術が開示されており、かかる形態とすることで、高性能なPEFCカソード用触媒が得られるとしている。また、特許文献2には、カソードにおいて金属ポルフィリンをイミダゾールに付加した物質を混合した燃料電池が開示されている。
特開2003−109614号公報 特開2004−319292号公報
So far, several techniques aimed at improving the performance of PEFC cathode catalysts have been disclosed. For example, Patent Document 1 discloses a technology related to a catalyst for a PEFC cathode in which a transition metal macrocycle complex and a noble metal are supported on a carbon material having a BET specific surface area of 500 m 2 / g or more. It is said that a high-performance PEFC cathode catalyst can be obtained by adopting the form. Patent Document 2 discloses a fuel cell in which a substance obtained by adding metal porphyrin to imidazole is mixed at the cathode.
JP 2003-109614 A JP 2004-319292 A

ここで、高性能なPEFCカソード用触媒を備える燃料電池とすれば、カソードの反応効率を向上させることが可能になり、発電性能を効果的に向上させることが可能になるとも考えられる。しかし、特許文献1に開示されている技術によりPEFCカソード用触媒の性能を向上させたとしても、カソードの反応効率を向上させ得る量の酸素が当該触媒へと供給されていなければ、カソードの反応効率を向上させることは困難であり、燃料電池の発電性能を向上させることは難しい。すなわち、特許文献1に開示されている触媒を備える燃料電池を製造しても、十分な発電性能向上効果が得られ難いという問題があった。なお、特許文献1では、700〜1100℃の温度で熱処理することにより、炭素材料に遷移金属の大環状化合物錯体を固定する技術についても開示されている。しかし、かかる温度では、当該大環状化合物錯体の一部が熱的に分解されるため、十分な発電性能向上効果が得られ難い。   Here, if the fuel cell is equipped with a high-performance PEFC cathode catalyst, it is considered that the reaction efficiency of the cathode can be improved, and the power generation performance can be effectively improved. However, even if the performance of the PEFC cathode catalyst is improved by the technique disclosed in Patent Document 1, if the amount of oxygen that can improve the reaction efficiency of the cathode is not supplied to the catalyst, the reaction of the cathode It is difficult to improve the efficiency, and it is difficult to improve the power generation performance of the fuel cell. That is, even if a fuel cell including the catalyst disclosed in Patent Document 1 is manufactured, there is a problem that it is difficult to obtain a sufficient power generation performance improvement effect. Patent Document 1 also discloses a technique for fixing a macrocyclic compound complex of a transition metal to a carbon material by heat treatment at a temperature of 700 to 1100 ° C. However, at such a temperature, a part of the macrocyclic compound complex is thermally decomposed, so that it is difficult to obtain a sufficient power generation performance improvement effect.

そこで本発明は、酸素を効果的に触媒へと供給することで発電性能を向上させることが可能な燃料電池及び当該燃料電池の製造方法を提供することを課題とする。   Then, this invention makes it a subject to provide the fuel cell which can improve electric power generation performance by supplying oxygen to a catalyst effectively, and the manufacturing method of the said fuel cell.

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項1に記載の発明は、電解質膜と、当該電解質膜の両側に配設されるアノード及びカソードとを備える燃料電池であって、アノード及びカソードは、少なくとも触媒層を備え、カソードの触媒層に、イミダゾール基を介して金属ポルフィリンが炭素表面に固定されることにより形成される酸素吸着体と、触媒と、プロトン伝導体とが備えられることを特徴とする、燃料電池により、上記課題を解決する。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
The invention according to claim 1 is a fuel cell comprising an electrolyte membrane, and an anode and a cathode disposed on both sides of the electrolyte membrane, wherein the anode and the cathode comprise at least a catalyst layer, and the catalyst layer of the cathode Further, the fuel cell is provided with an oxygen adsorbent formed by immobilizing a metal porphyrin on the carbon surface via an imidazole group, a catalyst, and a proton conductor. To do.

ここに、本発明にかかるカソードの触媒層は、イミダゾール基を介して金属ポルフィリンが炭素表面に固定されていれば良く、当該金属ポルフィリンと炭素との間に介在するイミダゾール基の具体例としては、アルキルイミダゾール等を挙げることができ、より具体的には、N−ベンジルイミダゾール、N−メチルイミダゾール、2−メチルイミダゾール、N−ラウリルイミダゾール、ポリ(N−ビニルイミダゾール)、ポリ(N−ビニルイミダゾール−コ−オクチルメククリレート)、N−トリチルイミダゾール、3−(イミダゾール−1−イル)プロピルアミン等を挙げることができる。3−(イミダゾール−1−イル)プロピルアミンの構造は、下記式(1)で表わされる。   Here, the catalyst layer of the cathode according to the present invention is only required that the metal porphyrin is fixed on the carbon surface via an imidazole group, and as a specific example of the imidazole group interposed between the metal porphyrin and carbon, Alkyl imidazole and the like can be mentioned. More specifically, N-benzylimidazole, N-methylimidazole, 2-methylimidazole, N-laurylimidazole, poly (N-vinylimidazole), poly (N-vinylimidazole- (Co-octyl methacrylate), N-trityl imidazole, 3- (imidazol-1-yl) propylamine and the like. The structure of 3- (imidazol-1-yl) propylamine is represented by the following formula (1).

Figure 2007035325

また、本発明において、金属ポルフィリンとは、5,10,15,20−テトラアリールポルフィリン等の中心に、コバルト原子、銅原子、鉄原子、マンガン原子等の金属原子が配位したものを指し、5,10,15,20−テトラアリールポルフィリンにかかるアリール基の具体例としては、フェニル基、o−ピバルアミドフェニル基、ペンタフルオロフェニル基、p−スルホナトフェニル基、p−メトキシフェニル基、p−トリル基、メシチル基、4−ピリジル基、1−メチル−4−ピリジル基等を挙げることができる。
さらに、本発明にかかるカソードの触媒層に備えられる炭素は、通常のPEFCにおいて触媒が担持される炭素等を好適に用いることが可能であり、当該炭素の具体例としては、カーボンブラック等を挙げることができる。加えて、本発明にかかるカソードの触媒層に備えられる触媒及びプロトン伝導体は、通常のPEFCにおいて使用されるもの等を好適に用いることが可能である。触媒の具体例としては、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、及び、これらを主成分とする合金等を、プロトン伝導体の具体例としては、含フッ素イオン交換樹脂を備えるフッ素系の電解質成分や、炭化水素系の電解質成分等を挙げることができる。
Figure 2007035325

In the present invention, the metal porphyrin refers to a metal atom such as a cobalt atom, a copper atom, an iron atom, or a manganese atom coordinated to the center of 5,10,15,20-tetraarylporphyrin, Specific examples of the aryl group related to 5,10,15,20-tetraarylporphyrin include phenyl group, o-pivalamidophenyl group, pentafluorophenyl group, p-sulfonatophenyl group, p-methoxyphenyl group, Examples thereof include a p-tolyl group, a mesityl group, a 4-pyridyl group, and a 1-methyl-4-pyridyl group.
Further, as the carbon provided in the catalyst layer of the cathode according to the present invention, carbon or the like on which a catalyst is supported in a normal PEFC can be suitably used. Specific examples of the carbon include carbon black and the like. be able to. In addition, as the catalyst and proton conductor provided in the cathode catalyst layer according to the present invention, those used in ordinary PEFC can be suitably used. Specific examples of the catalyst include ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum, and alloys containing these as main components. Specific examples of the proton conductor include fluorine-based ion exchange resins. Examples thereof include an electrolyte component and a hydrocarbon-based electrolyte component.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池において、金属ポルフィリンが、コバルトポルフィリンであることを特徴とする。   The invention according to claim 2 is the fuel cell according to claim 1, wherein the metalloporphyrin is cobalt porphyrin.

ここに、コバルトポルフィリンとは、上記5,10,15,20−テトラアリールポルフィリンの中心に、コバルト原子が配位したものを意味している。   Here, the cobalt porphyrin means a cobalt atom coordinated to the center of the 5,10,15,20-tetraarylporphyrin.

請求項3に記載の発明は、電解質膜と、当該電解質膜の両側に配設されるアノード及びカソードとを備えるとともに、アノード及びカソードは、少なくとも触媒層を備える燃料電池の製造方法であって、炭素表面にイミダゾール基を固定する固定工程と、当該固定工程後に、金属ポルフィリンをイミダゾール基に配位させて酸素吸着体を形成する、配位工程と、当該配位工程後に、酸素吸着体と、触媒と、プロトン伝導体とを備える触媒層を作製する、触媒層作製工程と、を備えることを特徴とする、燃料電池の製造方法により、上記課題を解決する。   The invention according to claim 3 is a method of manufacturing a fuel cell comprising an electrolyte membrane, and an anode and a cathode disposed on both sides of the electrolyte membrane, wherein the anode and the cathode include at least a catalyst layer, An immobilization step of immobilizing an imidazole group on the carbon surface, and after the immobilization step, a metal porphyrin is coordinated to the imidazole group to form an oxygen adsorbent, and after the coordination step, an oxygen adsorbent, The above-mentioned problem is solved by a method for producing a fuel cell, comprising a catalyst layer production step of producing a catalyst layer comprising a catalyst and a proton conductor.

ここに、請求項3にかかる本発明において、炭素、イミダゾール基、金属ポルフィリン、触媒、及び、プロトン伝導体は、上記請求項1に記載の発明にかかる当該物質と同様のものとすることができる。   Here, in the present invention according to claim 3, the carbon, the imidazole group, the metal porphyrin, the catalyst, and the proton conductor can be the same as the substance according to the invention according to claim 1. .

請求項1に記載の発明によれば、イミダゾール基を介することで、炭素−イミダゾール−金属ポルフィリンは、電子を共有する形で結合することができるため、加熱せずに、金属ポルフィリンを炭素表面に固定することが可能になり、さらに、当該炭素表面に触媒(例えば、白金等。以下において同じ。)を担持させることが可能になる。ここで、金属ポルフィリンは、酸素を選択的に吸着する性質(以下において、「酸素吸着性能」と記述する。)を有しており、400〜600℃以上等に加熱すると、分解され始める。本発明によれば、炭素表面へ固定する際の加熱が不要であるため、金属ポルフィリンの酸素吸着性能を効果的に発現させ得るカソード触媒層とすることが可能になる。すなわち、かかる構成とすることで、金属ポルフィリンを介して、カソードの触媒へ効果的に酸素を供給することが可能になる。したがって、請求項1に記載の発明によれば、酸素を効果的に触媒へと供給することで発電性能を向上させることが可能な燃料電池を提供することが可能になる。さらに、かかる燃料電池によれば、高出力時であっても十分な量の酸素を触媒へ供給することが可能になるので、高出力時における発電性能の低下を抑制し得る燃料電池を提供することも可能になる。   According to the first aspect of the present invention, since the carbon-imidazole-metal porphyrin can be bonded in an electron-sharing manner through the imidazole group, the metal porphyrin is attached to the carbon surface without heating. It becomes possible to fix the catalyst, and it is possible to support a catalyst (for example, platinum or the like; the same applies hereinafter) on the carbon surface. Here, the metal porphyrin has a property of selectively adsorbing oxygen (hereinafter referred to as “oxygen adsorption performance”), and starts to be decomposed when heated to 400 to 600 ° C. or higher. According to the present invention, since heating at the time of fixing to the carbon surface is unnecessary, it is possible to provide a cathode catalyst layer capable of effectively expressing the oxygen adsorption performance of metal porphyrin. That is, with this configuration, oxygen can be effectively supplied to the cathode catalyst via the metal porphyrin. Therefore, according to the first aspect of the present invention, it is possible to provide a fuel cell capable of improving the power generation performance by effectively supplying oxygen to the catalyst. Furthermore, according to such a fuel cell, a sufficient amount of oxygen can be supplied to the catalyst even at high output, and therefore a fuel cell capable of suppressing a decrease in power generation performance at high output is provided. It becomes possible.

請求項2に記載の発明によれば、イミダゾール基を介してコバルトポルフィリンが炭素表面に固定されることにより形成される酸素吸着体と、触媒と、プロトン伝導体(例えば、含フッ素イオン交換樹脂を含む電解質成分等)とを備えるカソード触媒層、を備える燃料電池を提供することが可能になる。ここで、コバルトポルフィリンは、優れた酸素吸着性能を有している。したがって、請求項2に記載の発明によれば、酸素をより一層効果的に触媒へと供給することで発電性能を向上させ得る燃料電池を提供することが可能になる。   According to the invention described in claim 2, an oxygen adsorbent formed by fixing cobalt porphyrin on the carbon surface via an imidazole group, a catalyst, and a proton conductor (for example, a fluorine-containing ion exchange resin). It is possible to provide a fuel cell provided with a cathode catalyst layer provided with an electrolyte component and the like. Here, cobalt porphyrin has excellent oxygen adsorption performance. Therefore, according to the invention described in claim 2, it is possible to provide a fuel cell capable of improving the power generation performance by supplying oxygen to the catalyst even more effectively.

請求項3に記載の発明によれば、炭素表面にイミダゾール基を固定した後で、当該イミダゾール基に金属ポルフィリンを配位させるので、加熱することなく、イミダゾール基を介して金属ポルフィリンが炭素表面に固定された酸素吸着体を形成することが可能になる。そして、かかる酸素吸着体と、触媒と、プロトン伝導体とを備える触媒層が作製されるため、かかる触媒層を電解質膜のカソード側に配設すれば、酸素を効果的に触媒へと供給することで発電性能を向上させ得る燃料電池とすることが可能になる。そして、かかる燃料電池によれば、高出力時における発電性能の低下を抑制することも可能になる。したがって、請求項3に記載の発明によれば、酸素を効果的に触媒へと供給することで発電性能を向上させること、及び、高出力時における発電性能の低下を抑制することが可能な、燃料電池の製造方法を提供することが可能になる。   According to the invention described in claim 3, since the metal porphyrin is coordinated to the imidazole group after fixing the imidazole group to the carbon surface, the metal porphyrin is attached to the carbon surface via the imidazole group without heating. A fixed oxygen adsorbent can be formed. Since a catalyst layer including such an oxygen adsorbent, a catalyst, and a proton conductor is produced, if such a catalyst layer is disposed on the cathode side of the electrolyte membrane, oxygen is effectively supplied to the catalyst. Thus, a fuel cell capable of improving the power generation performance can be obtained. And according to this fuel cell, it also becomes possible to suppress the fall of the power generation performance at the time of high output. Therefore, according to the invention described in claim 3, it is possible to improve power generation performance by effectively supplying oxygen to the catalyst, and to suppress a decrease in power generation performance at the time of high output. It is possible to provide a method for manufacturing a fuel cell.

燃料電池の発電性能を向上させるためには、カソードの反応効率を向上させることが効果的であり、カソードにおける電気化学反応は、触媒上で、酸素、プロトン、及び電子が会合することにより生ずる。従来のように触媒自体の性能を向上させたとしても、当該触媒上に供給される酸素量が不十分であれば、上記電気化学反応の効率を向上させることは難しい。そのため、上記反応効率を向上させるためには、触媒へと供給される酸素及びプロトンの量を増加することが望ましい。   In order to improve the power generation performance of the fuel cell, it is effective to improve the reaction efficiency of the cathode, and the electrochemical reaction at the cathode is caused by the association of oxygen, protons and electrons on the catalyst. Even if the performance of the catalyst itself is improved as in the past, it is difficult to improve the efficiency of the electrochemical reaction if the amount of oxygen supplied onto the catalyst is insufficient. Therefore, in order to improve the reaction efficiency, it is desirable to increase the amount of oxygen and proton supplied to the catalyst.

一方、従来の燃料電池を高出力で作動させると、プロトン及び酸素の消費量が増加する反面、外部からカソード触媒層の触媒表面へと至る酸素の拡散速度はほとんど変化しない。そのため、触媒上で消費される酸素量が、触媒上へと供給される酸素量を上回ると、触媒上における酸素が欠乏するため、カソードにおける電気化学反応が滞り、結果として、発電性能が低下する。   On the other hand, when a conventional fuel cell is operated at a high output, the consumption of protons and oxygen increases, but the diffusion rate of oxygen from the outside to the catalyst surface of the cathode catalyst layer hardly changes. Therefore, when the amount of oxygen consumed on the catalyst exceeds the amount of oxygen supplied onto the catalyst, oxygen on the catalyst is deficient, so that the electrochemical reaction at the cathode is delayed, resulting in a decrease in power generation performance. .

すなわち、触媒へ供給される酸素の供給効率を向上させれば、燃料電池の発電性能を向上させることが可能であり、かかる供給効率の向上は、特に、燃料電池の高出力時に顕著になると考えられる。   That is, if the supply efficiency of oxygen supplied to the catalyst is improved, it is possible to improve the power generation performance of the fuel cell, and this improvement in supply efficiency will be particularly noticeable at high output of the fuel cell. It is done.

本発明は、かかる観点からなされたものであり、その要旨は、イミダゾール基を介して金属ポルフィリンが炭素表面に固定されることにより形成される酸素吸着体と、触媒と、プロトン伝導体とを備えるカソード触媒層、を備える燃料電池とすることで、酸素を効果的に触媒へと供給可能とすることで発電性能を向上させ得る燃料電池、及び、当該燃料電池の製造方法を提供することにある。   The present invention has been made from such a viewpoint, and the gist thereof includes an oxygen adsorbent formed by fixing a metal porphyrin on a carbon surface via an imidazole group, a catalyst, and a proton conductor. By providing a fuel cell including a cathode catalyst layer, it is possible to provide a fuel cell capable of improving the power generation performance by effectively supplying oxygen to the catalyst, and a method for manufacturing the fuel cell. .

以下に図面を参照しつつ、本発明の燃料電池の実施形態及び当該燃料電池の製造方法についてさらに具体的に説明する。   Hereinafter, embodiments of the fuel cell of the present invention and a method for manufacturing the fuel cell will be described more specifically with reference to the drawings.

1.燃料電池の構成
図1は、本発明にかかる燃料電池のカソード触媒層に備えられる酸素吸着体及び触媒の表面近傍を概略的に示す概念図であり、図中の矢印は、触媒へと向かう酸素の移動方向を示している。図2は、本発明にかかる燃料電池を概略的に示す断面図であり、図の左右方向が触媒層の積層方向である。
1. Configuration of Fuel Cell FIG. 1 is a conceptual diagram schematically showing the vicinity of the surface of an oxygen adsorbent and a catalyst provided in a cathode catalyst layer of a fuel cell according to the present invention, and an arrow in the figure indicates oxygen toward the catalyst. Indicates the direction of movement. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a fuel cell according to the present invention, and the horizontal direction in the figure is the stacking direction of the catalyst layers.

図1に示すように、本発明にかかるカソード触媒層には、イミダゾール基(例えば、N−ベンジルイミダゾール等)2を介して金属ポルフィリン(例えば、コバルト(II)−5,10,15,20−テトラフェニルポルフィリン等。以下において、「Coポルフィリン」と記述することがある。)3が炭素(例えば、カーボンブラック等)1の表面に固定されることにより形成される酸素吸着体4と、炭素1に担持された触媒(例えば、白金等)5とを備え、これらはプロトン伝導体(例えば、含フッ素イオン交換樹脂を含む電解質成分(Nafion等。Nafionは米国デュポン社の登録商標。))6に分散されている。   As shown in FIG. 1, the cathode catalyst layer according to the present invention has a metal porphyrin (for example, cobalt (II) -5, 10, 15, 20-) through an imidazole group (for example, N-benzylimidazole) 2. Tetraphenylporphyrin, etc. In the following, it may be described as “Co porphyrin”.) Oxygen adsorbent 4 formed by fixing 3 on the surface of carbon (for example, carbon black) 1, carbon 1 And a catalyst (for example, platinum or the like) 5 supported on the proton conductor (for example, an electrolyte component (for example, Nafion or the like, Nafion is a registered trademark of DuPont, USA)) containing a fluorine-containing ion exchange resin. Is distributed.

一方、図2に示すように、本発明にかかる燃料電池100は、電解質膜11並びに当該電解質膜11の両側に積層されるアノード触媒層12a及びカソード触媒層13aを備えるMEA15と、当該MEA15の両側に配設されるアノード拡散層12b及びカソード拡散層13bと、当該アノード拡散層12b及びカソード拡散層13bの外側に配設されるセパレータ16及び17とを備えている。アノード12は、アノード触媒層12a及びアノード拡散層12bを備える一方、カソード13は、カソード触媒層13a及びカソード拡散層13bを備えている。燃料電池100において、電解質膜11、アノード触媒層12a、及びカソード触媒層13aには、電解質成分(例えば、Nafion等に代表される含フッ素イオン交換樹脂。以下、単に「Nafion」と記述することがある。)が備えられている。そして、アノード触媒層12a及びカソード触媒層13aには、電気化学反応の触媒として機能する白金が担持された炭素粒子(以下において、「白金担持カーボン」と記述する。)が備えられる一方で、アノード拡散層12b及びカソード拡散層13bは、例えば、炭素繊維からなるカーボンペーパーにより構成されている。セパレータ16及び17には、アノード12及びカソード13側に反応ガス供給路18a、18a、…、及び18b、18b、…が形成されており、アノード12側の反応ガス供給路18a、18a、…には水素含有物質(以下において、「水素」と記述する。)が供給される一方、カソード13側の反応ガス供給路18b、18b、…には酸素含有物質(以下において、「空気」と記述する。)が供給され、これらの反対側の面には冷却媒体流路19、19、…が形成されている。   On the other hand, as shown in FIG. 2, the fuel cell 100 according to the present invention includes an electrolyte membrane 11, an MEA 15 including an anode catalyst layer 12 a and a cathode catalyst layer 13 a laminated on both sides of the electrolyte membrane 11, and both sides of the MEA 15. The anode diffusion layer 12b and the cathode diffusion layer 13b disposed on the anode diffusion layer 12b and the separators 16 and 17 disposed outside the anode diffusion layer 12b and the cathode diffusion layer 13b. The anode 12 includes an anode catalyst layer 12a and an anode diffusion layer 12b, while the cathode 13 includes a cathode catalyst layer 13a and a cathode diffusion layer 13b. In the fuel cell 100, the electrolyte membrane 11, the anode catalyst layer 12 a, and the cathode catalyst layer 13 a have electrolyte components (for example, a fluorine-containing ion exchange resin typified by Nafion or the like. Hereinafter, simply described as “Nafion”). Is). The anode catalyst layer 12a and the cathode catalyst layer 13a are provided with carbon particles (hereinafter referred to as “platinum-supported carbon”) on which platinum functioning as a catalyst for electrochemical reaction is provided. The diffusion layer 12b and the cathode diffusion layer 13b are made of, for example, carbon paper made of carbon fiber. In the separators 16 and 17, reaction gas supply paths 18a, 18a,..., And 18b, 18b,... Are formed on the anode 12 and cathode 13 sides, and the reaction gas supply paths 18a, 18a,. Is supplied with a hydrogen-containing substance (hereinafter referred to as “hydrogen”), while an oxygen-containing substance (hereinafter referred to as “air”) is supplied to the reaction gas supply paths 18b, 18b,. .), And cooling medium channels 19, 19,... Are formed on the opposite surfaces.

以下に、図1及び図2を適宜参照しつつ、本発明にかかる燃料電池について説明する。   The fuel cell according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 and 2 as appropriate.

燃料電池100の発電時には、反応ガス供給路18a、18a、…から供給される水素がアノード電極層12aの触媒5上で分解される(電気化学反応が生じる。)ことによりプロトン8A、8A、…と電子8B、8B、…とが生成され、当該プロトン8A、8A、…は電解質膜11を通過してカソード電極層13aへ達する一方、電子8B、8B、…は電解質膜11を迂回してカソード電極層13aへと達する。これに対し、反応ガス供給路18b、18b、…から供給される空気に含まれる酸素7、7、…はカソード電極層13aへと達し、当該カソード電極層13aの触媒5上で、酸素7、7、…と、アノード電極層12aから移動してきたプロトン8A、8A、…及び電子8B、8B、…とが反応(電気化学反応)することにより、水(水蒸気)9、9、…が生成される。   During power generation of the fuel cell 100, hydrogen supplied from the reaction gas supply paths 18a, 18a,... Is decomposed on the catalyst 5 of the anode electrode layer 12a (electrochemical reaction occurs), thereby causing protons 8A, 8A,. Are generated, and the protons 8A, 8A,... Pass through the electrolyte membrane 11 and reach the cathode electrode layer 13a, while the electrons 8B, 8B,. The electrode layer 13a is reached. On the other hand, oxygen 7, 7,... Contained in the air supplied from the reaction gas supply passages 18b, 18b,... Reaches the cathode electrode layer 13a, and oxygen 7 on the catalyst 5 of the cathode electrode layer 13a. .., And protons 8A, 8A,... And electrons 8B, 8B,... That have moved from the anode electrode layer 12a react (electrochemical reaction) to generate water (water vapor) 9, 9,. The

ここで、本発明にかかる燃料電池100では、カソード触媒層13aに、酸素吸着体4、炭素1に担持された触媒5、及びプロトン伝導体6が備えられており、当該酸素吸着体4は、優れた酸素吸着性能を有するCoポルフィリン3がイミダゾール基2を介して炭素1に固定されている。そのため、上述のようにしてカソード触媒層13aに空気が供給されると、当該空気に含まれる酸素7、7、…はCoポルフィリン3に引きつけられる。一方で、Coポルフィリン3が固定されている炭素1には、触媒5が担持されている。すなわち、かかる形態とすることで、カソード触媒層13aへと供給される空気に含まれる酸素7、7、…をCoポルフィリン3により引きつけて、触媒5近傍の酸素濃度を向上させることが可能になるため、空気中の酸素7、7、…を選択的に触媒5へ供給することが可能になる。   Here, in the fuel cell 100 according to the present invention, the cathode catalyst layer 13a includes the oxygen adsorbent 4, the catalyst 5 supported on the carbon 1, and the proton conductor 6, and the oxygen adsorbent 4 is Co porphyrin 3 having excellent oxygen adsorption performance is fixed to carbon 1 through imidazole group 2. Therefore, when air is supplied to the cathode catalyst layer 13a as described above, oxygen 7, 7,... Contained in the air is attracted to the Co porphyrin 3. On the other hand, a catalyst 5 is supported on the carbon 1 on which the Co porphyrin 3 is fixed. That is, by adopting such a configuration, it is possible to improve the oxygen concentration in the vicinity of the catalyst 5 by attracting the oxygen 7, 7,... Contained in the air supplied to the cathode catalyst layer 13a by the Co porphyrin 3. Therefore, it becomes possible to selectively supply oxygen 7, 7,... In the air to the catalyst 5.

図3は、イミダゾール基を介して炭素に固定されたCoポルフィリンを示す概略図である。図3(A)は、3−(イミダゾール−1−イル)プロピルアミド基を介して炭素1に固定されたCoポルフィリン3の配位形態を、図3(B)は、3−(イミダゾール−1−イル)プロピルスルホンアミド基を介して炭素1に固定されたCoポルフィリン3の配位形態を、それぞれ示している。   FIG. 3 is a schematic diagram showing Co porphyrin immobilized on carbon via an imidazole group. FIG. 3 (A) shows the coordination form of Coporphyrin 3 fixed to carbon 1 via a 3- (imidazol-1-yl) propylamide group, and FIG. 3 (B) shows 3- (imidazole-1 -Yl) Coordination forms of Coporphyrin 3 fixed to carbon 1 via a propylsulfonamide group are shown respectively.

図示のように、Coポルフィリン3は、イミダゾール基2、2に含まれる窒素原子(N)を介して配位することにより、炭素1に固定されている。このように、イミダゾール基2、2を介して固定することで、Coポルフィリン3を炭素1に固定する際の加熱処理が不要になる。ここで、従来のように、大環状化合物錯体を炭素に直接固定する場合には、例えば、700〜1100℃程度の温度に加熱する加熱処理を経る必要があった。しかし、例えば、金属ポルフィリンをかかる温度にまで加熱すると、当該金属ポルフィリンの少なくとも一部が分解されてしまい、金属ポルフィリンの酸素吸着性能を効果的に発現させることが困難となる。そこで、本発明では、イミダゾール基2、2を介してCoポルフィリン3を炭素1へと固定し、加熱処理を不要とすることで、Coポルフィリン3の酸素吸着性能を効果的に発現可能としている。   As shown in the figure, the Co porphyrin 3 is fixed to the carbon 1 by coordination via a nitrogen atom (N) contained in the imidazole groups 2 and 2. Thus, by fixing through the imidazole groups 2 and 2, the heat treatment for fixing the Co porphyrin 3 to the carbon 1 becomes unnecessary. Here, in the case where the macrocyclic compound complex is directly fixed to carbon as in the conventional case, for example, it is necessary to undergo a heat treatment for heating to a temperature of about 700 to 1100 ° C. However, for example, when the metal porphyrin is heated to such a temperature, at least a part of the metal porphyrin is decomposed, and it becomes difficult to effectively exhibit the oxygen adsorption performance of the metal porphyrin. Therefore, in the present invention, the Co porphyrin 3 is fixed to the carbon 1 through the imidazole groups 2 and 2 and the heat treatment is not required, so that the oxygen adsorption performance of the Co porphyrin 3 can be effectively expressed.

このように、本発明におけるカソード触媒層13aでは、酸素7、7、…が触媒5へ選択的に供給可能とされており、カソード触媒層13aにて生ずる電気化学反応の効率を向上させることが可能になるため、発電性能を向上させる。すなわち、本発明によれば、酸素7、7、…を効果的に触媒5へと供給することで発電性能を向上させ得る燃料電池100を提供することが可能になる。   As described above, in the cathode catalyst layer 13a in the present invention, oxygen 7, 7,... Can be selectively supplied to the catalyst 5, and the efficiency of the electrochemical reaction occurring in the cathode catalyst layer 13a can be improved. Improve power generation performance because it becomes possible. That is, according to the present invention, it is possible to provide the fuel cell 100 capable of improving the power generation performance by effectively supplying the oxygen 7, 7,...

また、本発明にかかる燃料電池100によれば、カソード13において高効率な電気化学反応が可能になるため、燃料電池100の高出力時における発電性能の低下を抑制することが可能になる。以下に、図を参照しつつ、高出力時における発電性能低下抑制効果について説明する。   Further, according to the fuel cell 100 according to the present invention, since a highly efficient electrochemical reaction is possible at the cathode 13, it is possible to suppress a decrease in power generation performance at the time of high output of the fuel cell 100. Hereinafter, the power generation performance deterioration suppressing effect at the time of high output will be described with reference to the drawings.

図4は、カソード触媒層に備えられる白金担持カーボンの表面近傍を拡大して示す概略図である。図4(A)は低出力の状態を、図4(B)及び(C)は高出力の状態を、それぞれ示しており、図4(A)及び(B)は従来の燃料電池における白金担持カーボンの表面近傍を、図4(C)は本発明の燃料電池における白金担持カーボンの表面近傍を、それぞれ示している。図4(A)〜(C)において、図1と同様の性質を備える物質には図1にて使用した符号と同一符号を付し、その詳細説明を適宜省略する。なお、図中の直線矢印は触媒へと向かう酸素の移動方向を、曲線矢印はカソードにおける電気化学反応が生じていることを、それぞれ表している。   FIG. 4 is an enlarged schematic view showing the vicinity of the surface of platinum-supporting carbon provided in the cathode catalyst layer. 4A shows a low output state, FIGS. 4B and 4C show a high output state, and FIGS. 4A and 4B show platinum support in a conventional fuel cell. FIG. 4C shows the vicinity of the surface of the carbon, and FIG. 4C shows the vicinity of the surface of the platinum-supporting carbon in the fuel cell of the present invention. 4A to 4C, substances having the same properties as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those used in FIG. 1, and detailed description thereof is omitted as appropriate. In addition, the linear arrow in a figure represents the moving direction of the oxygen which goes to a catalyst, and the curved arrow represents that the electrochemical reaction in the cathode has arisen, respectively.

図4(A)は、従来の燃料電池に備えられる白金担持カーボンの表面近傍を拡大して示す概略図である。上述のように、従来の燃料電池においても、カソードへ酸素7、7、…が供給され、アノードから移動してきたプロトン8A、8A、…、及び電子8B、8B、…と触媒5、5、…上で反応することにより、水9、9、…が生成される。低出力時には、触媒5、5、…上で消費される酸素7、7、…、及びプロトン8A、8A、…の量がそれほど多くないため、触媒5、5、…の表面近傍に酸素欠乏領域が生じる確率は比較的低い。   FIG. 4A is an enlarged schematic view showing the vicinity of the surface of platinum-supporting carbon provided in a conventional fuel cell. As described above, even in a conventional fuel cell, oxygen 7, 7,... Is supplied to the cathode, and protons 8A, 8A,..., Electrons 8B, 8B,. By reacting above, water 9, 9,... Is generated. When the output is low, the amount of oxygen 7, 7,... And protons 8A, 8A,... Consumed on the catalysts 5, 5,. The probability of occurrence is relatively low.

これに対し、高出力時には、触媒5、5、…上で多量の酸素7、7、…及びプロトン8A、8A、…が消費される一方、触媒5、5、…の表面へと至る酸素7、7、…の拡散速度はほとんど変化しない。そのため、従来の燃料電池を高出力で作動させると、カソード触媒層等に酸素欠乏領域7xが形成される(図4(B)参照)。かかる酸素欠乏領域7xが形成されると、当該酸素欠乏領域7xと触媒5、5、…との間の領域に存在する酸素7a、7a、…が消費された後、上記酸素欠乏領域7xに対して触媒5、5、…と反対側に存在する酸素7b、7b、…が当該触媒5、5、…上へと到達するまでに時間を要する。そのため、当該時間中は触媒5、5、…上で電気化学反応を起こすことができず、結果として発電特性が低下する。   On the other hand, at the time of high output, a large amount of oxygen 7, 7, ... and protons 8A, 8A, ... are consumed on the catalysts 5, 5, ..., while oxygen 7 reaching the surface of the catalysts 5, 5, .... , 7... Hardly change the diffusion rate. Therefore, when a conventional fuel cell is operated at a high output, an oxygen-deficient region 7x is formed in the cathode catalyst layer or the like (see FIG. 4B). When the oxygen-deficient region 7x is formed, the oxygen 7a, 7a,... Existing in the region between the oxygen-deficient region 7x and the catalysts 5, 5,. It takes time for the oxygen 7b, 7b, ... existing on the opposite side of the catalysts 5, 5, ... to reach the top of the catalysts 5, 5, .... Therefore, an electrochemical reaction cannot occur on the catalysts 5, 5,... During the time, and as a result, the power generation characteristics are deteriorated.

他方、上述のように、本発明にかかる燃料電池では、酸素吸着性能を有するCoポルフィリン等に代表される金属ポルフィリン3が、イミダゾール基2を介して炭素1に固定されており、外部から触媒5、5、…へと至る酸素7、7、…の拡散速度を、従来よりも上昇させることが可能になる。そのため、燃料電池100を高出力で作動させることにより触媒5、5、…上で消費される酸素7、7、…の量が増加した場合であっても、酸素7、7、…を触媒5へ効果的に供給可能とされているため、上記酸素欠乏領域7xが形成される確率を低減することが可能になり、酸素欠乏領域7xの形成を防止することも可能になる(図4(C)参照)。したがって、本発明にかかる燃料電池100によれば、高出力時の発電性能の低下を抑制することが可能になる。   On the other hand, as described above, in the fuel cell according to the present invention, the metal porphyrin 3 typified by Co porphyrin having oxygen adsorption performance is fixed to the carbon 1 through the imidazole group 2, and the catalyst 5 from the outside. It is possible to increase the diffusion rate of oxygen 7, 7,. Therefore, even if the amount of oxygen 7, 7,... Consumed on the catalysts 5, 5,... Is increased by operating the fuel cell 100 at a high output, the oxygen 7, 7,. Therefore, the probability that the oxygen-deficient region 7x is formed can be reduced, and the formation of the oxygen-deficient region 7x can be prevented (FIG. 4C )reference). Therefore, according to the fuel cell 100 of the present invention, it is possible to suppress a decrease in power generation performance at the time of high output.

2.燃料電池の製造方法
本発明の燃料電池は、酸素吸着体と、触媒と、プロトン伝導体とを備える触媒層が備えられている点に特徴を有している。以下に、実施形態にかかる本発明の燃料電池の製造方法について説明する。
2. Manufacturing Method of Fuel Cell The fuel cell of the present invention is characterized in that a catalyst layer including an oxygen adsorbent, a catalyst, and a proton conductor is provided. Below, the manufacturing method of the fuel cell of the present invention concerning an embodiment is explained.

本実施形態にかかる触媒層を作製するためには、当該触媒層に備えられる酸素吸着体を形成する必要がある。ここに、本実施形態にかかる酸素吸着体は、イミダゾール基(例えば、N−ベンジルイミダゾール等)を介して金属ポルフィリン(例えば、Coポルフィリン等)が炭素(例えば、カーボンブラック等)の表面に固定されることにより形成される。そのため、当該酸素吸着体を作製するためには、まず、クロロホルム等の有機溶媒にN−ベンジルイミダゾールを溶解した後、カーボンブラック等の炭素を分散させることによって炭素表面にイミダゾール類を吸着させる。または、炭素表面をあらかじめ過マンガン酸カリウム等の酸化剤を用いて酸化することにより表面の一部をカルボキシル基に酸化した後、DCC等の縮合剤の存在下で3−(イミダゾール−1−イル)プロピルアミンと反応させてアミド結合を形成させることにより、イミダゾール基を炭素表面に固定する。三酸化硫黄などのスルホン化剤を用いて炭素表面にスルホン酸基を構築した後、3−(イミダゾール−1−イル)プロピルアミンと反応させてスルホンアミドを形成させることによりイミダゾールを固定する方法もある(以上、「固定工程」という。)。   In order to produce the catalyst layer according to this embodiment, it is necessary to form an oxygen adsorbent provided in the catalyst layer. Here, in the oxygen adsorbent according to the present embodiment, a metal porphyrin (eg, Co porphyrin) is immobilized on the surface of carbon (eg, carbon black) via an imidazole group (eg, N-benzylimidazole). Is formed. Therefore, in order to produce the oxygen adsorbent, first, N-benzylimidazole is dissolved in an organic solvent such as chloroform, and then imidazoles are adsorbed on the carbon surface by dispersing carbon such as carbon black. Alternatively, after oxidizing the carbon surface with an oxidizing agent such as potassium permanganate in advance to oxidize part of the surface to a carboxyl group, 3- (imidazol-1-yl) is present in the presence of a condensing agent such as DCC. ) Fix the imidazole group to the carbon surface by reacting with propylamine to form an amide bond. There is also a method of fixing imidazole by forming a sulfonic acid group on a carbon surface using a sulfonating agent such as sulfur trioxide and then reacting with 3- (imidazol-1-yl) propylamine to form a sulfonamide. Yes (hereinafter referred to as “fixing step”).

次に、当該固定工程後に、クロロホルム等の有機溶媒に金属ポルフィリンを溶解し、イミダゾールが固定された炭素を分散させ、一定時間攪拌することによって、イミダゾール基に金属ポルフィリンを配位させる(以上、「配位工程」という。)。   Next, after the fixing step, the metal porphyrin is dissolved in an organic solvent such as chloroform, the carbon to which the imidazole is fixed is dispersed, and the metal porphyrin is coordinated to the imidazole group by stirring for a certain time (hereinafter, “ "Coordination process").

さらに、当該配位工程後に、上記酸素吸着体と、触媒(例えば、白金等)と、プロトン伝導体(例えば、Nafion等)とを溶媒(例えば、水、メタノール、及び2−プロパノールの混合液等)に分散させることによりペースト状の触媒層を作製する(以上、「触媒層作製工程」という。)。このようにして作製されたペースト状の触媒層は、その後、電解質膜(例えば、Nafion等)のカソード側表面に塗布し乾燥させることにより、酸素吸着体と、触媒と、プロトン伝導体とを備えるカソード触媒層、を作製することが可能になる。なお、アノード触媒層は、上記触媒及びプロトン伝導体を上記溶媒に分散させる等の方法により形成したペースト状の触媒層を、電解質膜のアノード側表面に塗布し乾燥させる等の方法により作製することが可能であり、かかる工程を経ることにより、MEAを作製することが可能になる。   Further, after the coordination step, the oxygen adsorbent, a catalyst (for example, platinum) and a proton conductor (for example, Nafion) are mixed with a solvent (for example, a mixture of water, methanol, and 2-propanol). ) To produce a paste-like catalyst layer (hereinafter referred to as “catalyst layer production step”). The paste-like catalyst layer thus prepared is then coated on the cathode side surface of an electrolyte membrane (for example, Nafion etc.) and dried to provide an oxygen adsorbent, a catalyst, and a proton conductor. It becomes possible to produce a cathode catalyst layer. The anode catalyst layer is prepared by a method such as applying and drying a paste-like catalyst layer formed by a method such as dispersing the catalyst and proton conductor in the solvent on the anode side surface of the electrolyte membrane. The MEA can be manufactured through such a process.

本発明において、イミダゾール基は、上記有機溶媒に対して実質的に不溶にするとともに燃料電池の作動温度で安定であるという観点から、その重量平均分子量は100以上であることが好ましく、溶媒に溶解可能とする観点から、同重量平均分子量は1000以下であることが好ましい。さらに好ましくは、150以上500以下である。   In the present invention, the imidazole group is preferably insoluble in the organic solvent and stable at the operating temperature of the fuel cell, and its weight average molecular weight is preferably 100 or more, and is dissolved in the solvent. From the viewpoint of enabling it, the weight average molecular weight is preferably 1000 or less. More preferably, it is 150 or more and 500 or less.

また、金属ポルフィリンを炭素表面へ固定可能とする観点から、イミダゾール基の質量は、炭素100質量部に対して、1質量部以上とすることが好ましく、抵抗分極を軽減させるという観点から、同質量は、炭素100質量部に対して、50質量部以下とすることが好ましい。より好ましくは、5質量部以上20質量部以下である。   Further, from the viewpoint of fixing the metal porphyrin to the carbon surface, the mass of the imidazole group is preferably 1 part by mass or more with respect to 100 parts by mass of carbon, and from the viewpoint of reducing resistance polarization, the same mass. Is preferably 50 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of carbon. More preferably, they are 5 to 20 mass parts.

さらに、本発明において、金属ポルフィリンは、上記有機溶媒に対して実質的に不溶にするとともに燃料電池の作動温度で安定であるという観点から、その重量平均分子量は500以上であることが好ましく、溶媒に溶解可能とする観点から、同重量平均分子量は2000以下であることが好ましい。さらに好ましくは、600以上1200以下である。   Furthermore, in the present invention, the metal porphyrin is preferably insoluble in the organic solvent and stable at the operating temperature of the fuel cell, and its weight average molecular weight is preferably 500 or more. The weight average molecular weight is preferably 2,000 or less from the viewpoint of being soluble in the solvent. More preferably, it is 600 or more and 1200 or less.

加えて、有意な酸素吸着性能を発現させるという観点から、金属ポルフィリンの質量は、触媒100質量部に対して、5質量部以上とすることが好ましく、抵抗分極を軽減させるという観点から、同質量は、触媒100質量部に対して、20質量部以下とすることが好ましい。より好ましくは、10質量部以上20質量部以下である。   In addition, the mass of the metal porphyrin is preferably 5 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the catalyst from the viewpoint of expressing significant oxygen adsorption performance, and the same mass from the viewpoint of reducing resistance polarization. Is preferably 20 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the catalyst. More preferably, they are 10 to 20 mass parts.

本発明にかかる酸素吸着体において、金属ポルフィリンやイミダゾールの吸着量は、これらを吸着すべき炭素のBET比表面積と、金属ポルフィリンの分子占有面積に基づいて、金属ポルフィリンが単分子層で炭素表面を覆うことが可能な量に設定することができる。   In the oxygen adsorbent according to the present invention, the amount of metal porphyrin or imidazole adsorbed is determined based on the BET specific surface area of carbon to be adsorbed and the molecular occupation area of the metal porphyrin. The amount that can be covered can be set.

本発明において、酸素吸着体、触媒、及びプロトン伝導体を分散させる溶媒は、これらを略均一に分散可能なものであれば特に限定されず、その具体例としては、水と、メタノール、エタノール、若しくはイソプロパノール等の低級アルコール類、エチレングリコール若しくはジエチレングリコール等の多価アルコール類、又は、ジメチルスルホキシド若しくはジエチルホルムアミド等の非プロトン性極性溶媒の少なくとも1以上とを混合して調製される親水性の溶媒等を挙げることができる。
なお、水と混合させる上記溶媒の質量は、炭素の分散性と吸着物質の溶解度を高くするという観点から、水100質量部に対して10質量部以上90質量部以下とすることが好ましい。より好ましくは、20質量部以上80質量部以下である。
In the present invention, the solvent for dispersing the oxygen adsorbent, the catalyst, and the proton conductor is not particularly limited as long as they can be dispersed substantially uniformly. Specific examples thereof include water, methanol, ethanol, Or a hydrophilic solvent prepared by mixing at least one or more of aprotic polar solvents such as lower alcohols such as isopropanol, polyhydric alcohols such as ethylene glycol or diethylene glycol, or dimethyl sulfoxide or diethylformamide Can be mentioned.
In addition, it is preferable that the mass of the said solvent mixed with water shall be 10 mass parts or more and 90 mass parts or less with respect to 100 mass parts of water from a viewpoint of making the dispersibility of carbon and the solubility of an adsorbent high. More preferably, it is 20 to 80 parts by mass.

上記説明では、便宜上、イミダゾール基としてN−ベンジルイミダゾールが、金属ポルフィリンとしてコバルト(II)−5,10,15,20−テトラフェニルポルフィリンが、炭素としてカーボンブラックが、触媒として白金が、プロトン伝導体として含フッ素イオン交換樹脂を含む電解質成分が備えられる形態を例示して記述したが、本発明の燃料電池及び当該燃料電池の製造方法は、当該形態に限定されるものではない。   In the above description, for convenience, N-benzylimidazole as the imidazole group, cobalt (II) -5,10,15,20-tetraphenylporphyrin as the metal porphyrin, carbon black as the carbon, platinum as the catalyst, proton conductor As an example, a mode in which an electrolyte component including a fluorine-containing ion exchange resin is provided has been described. However, the fuel cell of the present invention and the method for manufacturing the fuel cell are not limited to the mode.

本発明にかかるイミダゾール基の具体例としては、アルキルイミダゾール等を挙げることができ、より具体的には、N−ベンジルイミダゾール、N−メチルイミダゾール、2−メチルイミダゾール、N−ラウリルイミダゾール、ポリ(N−ビニルイミダゾール)、ポリ(N−ビニルイミダゾール−コ−オクチルメククリレート)、N−トリチルイミダゾール、3−(イミダゾール−1−イル)プロピルアミン等を挙げることができる。   Specific examples of the imidazole group according to the present invention include alkylimidazole and the like. More specifically, N-benzylimidazole, N-methylimidazole, 2-methylimidazole, N-laurylimidazole, poly (N -Vinylimidazole), poly (N-vinylimidazole-co-octylmethacrylate), N-tritylimidazole, 3- (imidazol-1-yl) propylamine and the like.

また、金属ポルフィリンの具体例としては、5,10,15,20−テトラアリールポルフィリン等を挙げることができ、5,10,15,20−テトラアリールポルフィリンにかかるアリール基の具体例としては、フェニル基、o−ピバルアミドフェニル基、ペンタフルオロフェニル基、p−スルホナトフェニル基、p−メトキシフェニル基、p−トリル基、メシチル基、4−ピリジル基、1−メチル−4−ピリジル基等を挙げることができる。さらに、金属ポルフィリンの中心に配位すべき金属原子の具体例としては、コバルト原子、銅原子、鉄原子、マンガン原子等を挙げることができる。   In addition, specific examples of metal porphyrins include 5,10,15,20-tetraarylporphyrin, and specific examples of aryl groups related to 5,10,15,20-tetraarylporphyrin include phenyl. Group, o-pivalamidophenyl group, pentafluorophenyl group, p-sulfonatophenyl group, p-methoxyphenyl group, p-tolyl group, mesityl group, 4-pyridyl group, 1-methyl-4-pyridyl group, etc. Can be mentioned. Furthermore, specific examples of the metal atom to be coordinated to the center of the metal porphyrin include a cobalt atom, a copper atom, an iron atom, and a manganese atom.

加えて、本発明にかかる炭素の具体例としては、カーボンブラックや活性炭等を挙げることができ、触媒を効果的に担持可能とする等の観点から、その比表面積が200m/g以上であることが好ましい。 In addition, specific examples of carbon according to the present invention include carbon black and activated carbon, and the specific surface area is 200 m 2 / g or more from the viewpoint of enabling the catalyst to be supported effectively. It is preferable.

また、本発明にかかる触媒の具体例としては、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、及び、これらを主成分とする合金等を挙げることができ、良好な触媒性能を発現し得るという観点から、白金又は白金合金とすることが好ましい。   Further, specific examples of the catalyst according to the present invention include ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum, and alloys containing these as main components, and can express good catalytic performance. From the viewpoint, platinum or a platinum alloy is preferable.

さらに、本発明にかかるプロトン伝導体の具体例としては、含フッ素イオン交換樹脂を備えるフッ素系の電解質成分や、炭化水素系の電解質成分等を挙げることができ、長期間安定でかつ速やかなプロトン伝導を可能にするという観点から、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体とすることが好ましい。   Furthermore, specific examples of the proton conductor according to the present invention include a fluorine-based electrolyte component having a fluorine-containing ion exchange resin, a hydrocarbon-based electrolyte component, and the like. From the viewpoint of enabling conduction, a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer is preferably used.

なお、便宜上、上記説明では、MEA側に反応ガス供給路が形成されている形態のセパレータを備える燃料電池について記述したが、本発明にかかる燃料電池が備え得るセパレータは当該形態に限定されるものではなく、例えば、MEA側に反応ガス供給路が形成されていないフラットタイプのセパレータであっても良い。かかる形態の燃料電池とする場合には、セパレータと当接すべき層(上記実施形態にかかる燃料電池ではアノード拡散層及びカソード拡散層)を、めっき法や発泡法等により製造されるステンレス鋼、チタン又はニッケル等の発泡金属、あるいは焼結金属等の多孔体により形成し、当該層に反応ガスが供給される形態の燃料電池とすれば良い。   For the sake of convenience, in the above description, the fuel cell including the separator in the form in which the reaction gas supply path is formed on the MEA side has been described. Instead, for example, a flat separator in which no reaction gas supply path is formed on the MEA side may be used. In the case of such a fuel cell, the layers to be brought into contact with the separator (in the fuel cell according to the above embodiment, the anode diffusion layer and the cathode diffusion layer) are made of stainless steel manufactured by a plating method, a foaming method, or the like, What is necessary is just to set it as the fuel cell of the form which forms with porous bodies, such as foam metals, such as titanium or nickel, or a sintered metal, and a reactive gas is supplied to the said layer.

さらに、上記説明では、アノード拡散層及びカソード拡散層が備えられている形態の燃料電池について記述したが、アノード拡散層及び/又はカソード拡散層が備えられていなくとも良好な発電性能が得られる場合には、本発明にかかる燃料電池は、アノード拡散層及び/又はカソード拡散層が備えられていない形態であっても良い。   Furthermore, in the above description, a fuel cell having an anode diffusion layer and a cathode diffusion layer has been described. However, even when an anode diffusion layer and / or a cathode diffusion layer are not provided, good power generation performance can be obtained. Alternatively, the fuel cell according to the present invention may have a form in which the anode diffusion layer and / or the cathode diffusion layer is not provided.

炭素500mgとベンジルイミダゾール20mgとを容器に入れてクロロホルム等の有機溶媒(約200mL)を加えて一定温度で攪拌することにより炭素の表面にベンジルイミダゾールを固定し、さらに、当該容器にCoポルフィリン100mgを入れて一定温度で攪拌することにより、ベンジルイミダゾールを介してCoポルフィリンを炭素表面に固定して酸素吸着体を得た。次に、当該酸素吸着体と、Nafionと、白金担持カーボンとを、1:1:0.1の質量比にて混合し、当該混合物を、水とメタノールと2−プロパノールとを8:1:1の質量比にて混合した混合液中へ分散させることにより、ペースト状の触媒層P1を作製した。
その後、電解質膜(Nafion112(デュポン社製))の一方の面に上記ペースト状の触媒層P1を塗布し乾燥させることによりカソード触媒層を形成した。さらに、上記酸素吸着体を混合しない他は上記工程と同様にしてペースト状の触媒層P2を作製し、この触媒層P2を上記電解質膜の他方の面に塗布し乾燥させることにより、実施例にかかるMEAを作製した。なお、比較例にかかるMEAは、上記電解質膜の両面にペースト状の触媒層P2を塗布し乾燥させることにより作製した。
500 mg of carbon and 20 mg of benzylimidazole are put in a container, an organic solvent such as chloroform (about 200 mL) is added and stirred at a constant temperature to fix benzylimidazole on the surface of carbon, and 100 mg of Co porphyrin is further added to the container. Then, by stirring at a constant temperature, Co porphyrin was immobilized on the carbon surface via benzylimidazole to obtain an oxygen adsorbent. Next, the oxygen adsorbent, Nafion, and platinum-supported carbon are mixed at a mass ratio of 1: 1: 0.1, and the mixture is mixed with water, methanol, and 2-propanol at 8: 1: A paste-like catalyst layer P1 was produced by dispersing the mixture in a mixed liquid having a mass ratio of 1.
Thereafter, the cathode catalyst layer was formed by applying and drying the paste-like catalyst layer P1 on one surface of the electrolyte membrane (Nafion 112 (manufactured by DuPont)). Further, a paste-like catalyst layer P2 was prepared in the same manner as in the above-described process except that the oxygen adsorbent was not mixed, and this catalyst layer P2 was applied to the other surface of the electrolyte membrane and dried. Such MEA was produced. Note that the MEA according to the comparative example was manufactured by applying and drying a paste-like catalyst layer P2 on both surfaces of the electrolyte membrane.

このようにして得られた実施例にかかるMEA及び比較例にかかるMEAの両側に、炭素繊維からなるカーボンペーパーにより構成される拡散層を配設し、さらに、当該拡散層の外側に、反応ガス流路が形成されたセパレータを配設することにより、実施例にかかる燃料電池セルと、比較例にかかる燃料電池セルとを、それぞれ作製した。   Thus, the diffusion layer comprised by the carbon paper which consists of carbon fiber is arrange | positioned on both sides of MEA concerning the Example obtained in this way, and MEA concerning a comparative example, Furthermore, reaction gas is outside the said diffusion layer. By disposing a separator in which a flow path was formed, the fuel battery cell according to the example and the fuel battery cell according to the comparative example were respectively produced.

実施例にかかる燃料電池セル、及び、比較例にかかる燃料電池セルのそれぞれに、アノード側から水素ガス(80℃、相対湿度100%)を、カソード側から酸素(80℃、相対湿度100%)を供給し、セル温度を80℃に維持して、劣化加速試験を行った。劣化加速試験の結果を表1にあわせて示す。ここに、表1は、燃料電池セルのセル電圧(V)を特定の値(0.8V、0.7V、0.6V、及び0.5V)とした場合に、実施例にかかる燃料電池セル及び比較例にかかる燃料電池セルにおいて測定された電流値(A)を示している。なお、当該劣化加速試験において電流が流れていない時のセル電圧(OCV)は、9.5Vであった。   Hydrogen gas (80 ° C., relative humidity 100%) from the anode side and oxygen (80 ° C., relative humidity 100%) from the cathode side to each of the fuel cell according to the example and the fuel cell according to the comparative example And the cell temperature was maintained at 80 ° C., and a deterioration acceleration test was conducted. The results of the accelerated deterioration test are also shown in Table 1. Here, Table 1 shows the fuel cell according to the embodiment when the cell voltage (V) of the fuel cell is a specific value (0.8 V, 0.7 V, 0.6 V, and 0.5 V). And the electric current value (A) measured in the fuel cell concerning a comparative example is shown. The cell voltage (OCV) when no current was flowing in the deterioration acceleration test was 9.5V.

Figure 2007035325
Figure 2007035325

表1より、実施例にかかる燃料電池セル及び比較例にかかる燃料電池セルのセル電圧(V)を同じにすると、実施例にかかる燃料電池セルの電流値(A)は、比較例にかかる燃料電池セルの電流値(A)よりも大きかった。すなわち、実施例にかかる燃料電池セルは比較例にかかる燃料電池セルよりも優れた発電性能を有することが確認された。これは、ベンジルイミダゾールを介してCoポルフィリンが炭素表面に固定されることで、触媒へと供給される酸素量が増加したためであると考えられる。したがって、上記劣化加速試験から、本発明によれば、酸素を効果的に触媒へと供給することで発電性能を向上させ得る燃料電池を提供可能であることが確認された。   From Table 1, when the cell voltage (V) of the fuel cell according to the example and the fuel cell according to the comparative example is the same, the current value (A) of the fuel cell according to the example is the fuel according to the comparative example. It was larger than the current value (A) of the battery cell. That is, it was confirmed that the fuel cell according to the example has a power generation performance superior to that of the fuel cell according to the comparative example. This is presumably because the amount of oxygen supplied to the catalyst was increased by fixing Co porphyrin on the carbon surface via benzylimidazole. Therefore, from the above-described deterioration acceleration test, it was confirmed that according to the present invention, it is possible to provide a fuel cell capable of improving the power generation performance by effectively supplying oxygen to the catalyst.

本発明にかかる燃料電池のカソード触媒層に備えられる酸素吸着体及び触媒の表面近傍を概略的に示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows roughly the oxygen adsorber with which the cathode catalyst layer of the fuel cell concerning this invention is equipped, and the surface vicinity of a catalyst. 本発明にかかる燃料電池を概略的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing a fuel cell according to the present invention. イミダゾール基を介して炭素に固定されたCoポルフィリンを示す概略図である。It is the schematic which shows Co porphyrin fixed to carbon via the imidazole group. カソード触媒層に備えられる白金担持カーボンの表面近傍を拡大して示す概略図である。It is the schematic which expands and shows the surface vicinity of the platinum carrying | support carbon with which a cathode catalyst layer is equipped.

符号の説明Explanation of symbols

1 炭素
2 イミダゾール基
3 金属ポルフィリン(Coポルフィリン)
4 酸素吸着体
5 触媒(白金)
6 プロトン伝導体
7 酸素
8A プロトン
8B 電子
9 水
11 電解質膜
12 アノード
12a アノード触媒層
12b アノード拡散層
13 カソード
13a カソード触媒層
13b カソード拡散層
15 MEA
16、17 セパレータ
100 燃料電池(燃料電池セル)
1 carbon 2 imidazole group 3 metal porphyrin (Co porphyrin)
4 Oxygen adsorbent 5 Catalyst (platinum)
6 Proton conductor 7 Oxygen 8A Proton 8B Electron 9 Water 11 Electrolyte membrane 12 Anode 12a Anode catalyst layer 12b Anode diffusion layer 13 Cathode 13a Cathode catalyst layer 13b Cathode diffusion layer 15 MEA
16, 17 Separator 100 Fuel cell (fuel cell)

Claims (3)

電解質膜と、該電解質膜の両側に配設されるアノード及びカソードとを備える燃料電池であって、
前記アノード及びカソードは、少なくとも触媒層を備え、
前記カソードの触媒層に、イミダゾール基を介して金属ポルフィリンが炭素表面に固定されることにより形成される酸素吸着体と、触媒と、プロトン伝導体とが備えられることを特徴とする、燃料電池。
A fuel cell comprising an electrolyte membrane, and an anode and a cathode disposed on both sides of the electrolyte membrane,
The anode and cathode include at least a catalyst layer,
A fuel cell comprising an oxygen adsorbent formed by fixing a metal porphyrin on a carbon surface via an imidazole group, a catalyst, and a proton conductor on the catalyst layer of the cathode.
前記金属ポルフィリンが、コバルトポルフィリンであることを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein the metalloporphyrin is cobalt porphyrin. 電解質膜と、該電解質膜の両側に配設されるアノード及びカソードとを備えるとともに、前記アノード及びカソードは少なくとも触媒層を備える、燃料電池の製造方法であって、
炭素表面にイミダゾール基を固定する固定工程と、
前記固定工程後に、金属ポルフィリンを前記イミダゾール基に配位させて酸素吸着体を形成する、配位工程と、
前記配位工程後に、前記酸素吸着体と、触媒と、プロトン伝導体とを備える触媒層を作製する、触媒層作製工程と、を備えることを特徴とする、燃料電池の製造方法。
A fuel cell manufacturing method comprising: an electrolyte membrane; and an anode and a cathode disposed on both sides of the electrolyte membrane, wherein the anode and the cathode include at least a catalyst layer,
A fixing step of fixing an imidazole group on the carbon surface;
After the fixing step, a metal porphyrin is coordinated to the imidazole group to form an oxygen adsorbent, and a coordination step;
A method for producing a fuel cell, comprising: a catalyst layer production step of producing a catalyst layer comprising the oxygen adsorbent, a catalyst, and a proton conductor after the coordination step.
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