JP2007217803A - Carbon fiber or method for producing the same, and electrode of solid polymer type fuel cell and solid polymer type fuel cell by using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭素繊維及びその製造方法、該炭素繊維を用いた固体高分子型燃料電池用電極、並びに該電極を備えた固体高分子型燃料電池に関し、特に密度を容易に変化させることが可能で、高い水分保持機能を有する炭素繊維を製造することが可能な炭素繊維の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a carbon fiber and a method for producing the same, an electrode for a polymer electrolyte fuel cell using the carbon fiber, and a polymer electrolyte fuel cell including the electrode, and in particular, the density can be easily changed. And it is related with the manufacturing method of carbon fiber which can manufacture carbon fiber which has a high moisture retention function.
昨今、発電効率が高く、環境への負荷が小さい電池として、燃料電池が注目を集めており、広く研究開発が行われている。該燃料電池の中でも、出力密度が高く作動温度が低い固体高分子型燃料電池は、小型化や低コスト化が他のタイプの燃料電池よりも容易なことから、電子機器用電源、電気自動車用電源、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムとして広く普及することが期待されている。 In recent years, fuel cells have attracted attention as a battery having high power generation efficiency and a low environmental load, and extensive research and development has been conducted. Among these fuel cells, solid polymer fuel cells with high output density and low operating temperature are easier to reduce in size and cost than other types of fuel cells. It is expected to be widely used as a power source, distributed power generation system, and household cogeneration system.
一般に固体高分子型燃料電池においては、ナフィオン(登録商標)等からなる固体高分子電解質膜を挟んで一対の電極を配置すると共に、一方の電極の表面に水素等の燃料ガスを接触させ、もう一方の電極の表面に酸素を含有する酸素含有ガスを接触させ、この時起こる電気化学反応を利用して、電極間から電気エネルギーを取り出している(非特許文献1及び2参照)。 In general, in a polymer electrolyte fuel cell, a pair of electrodes are arranged with a solid polymer electrolyte membrane made of Nafion (registered trademark) or the like interposed therebetween, and a fuel gas such as hydrogen is brought into contact with the surface of one of the electrodes. An oxygen-containing gas containing oxygen is brought into contact with the surface of one of the electrodes, and electric energy is taken out between the electrodes by using an electrochemical reaction that occurs at this time (see Non-Patent Documents 1 and 2).
ここで、燃料電池においては、発電と共に水が生成するが、該水の生成量が多過になると、水分が酸素の拡散を阻害し(フラッディング現象)、燃料電池の性能が低下してしまう。一方、燃料電池セル内の水分が不足すると、上記固体高分子電解質膜のイオン導電性が低下して、燃料電池の性能が低下してしまう。そのため、固体高分子型燃料電池の電池性能を安定且つ高性能にするには、燃料電池セル内の水分管理が重要となる。 Here, in the fuel cell, water is generated together with power generation. However, if the amount of generated water is excessive, moisture inhibits oxygen diffusion (flooding phenomenon), and the performance of the fuel cell deteriorates. On the other hand, when the moisture in the fuel cell is insufficient, the ionic conductivity of the solid polymer electrolyte membrane is lowered, and the performance of the fuel cell is lowered. For this reason, in order to achieve stable and high-performance battery performance of the polymer electrolyte fuel cell, water management in the fuel cell is important.
ところで、現在、上記固体高分子型燃料電池の電極は、一般に、白金等の貴金属触媒をカーボンブラック等の粒状カーボン上に担持して調製された触媒粉を含有するペースト又はスラリーを、カーボンペーパー等の導電性の多孔質支持体上に塗布して形成されている。しかしながら、該固体高分子型燃料電池の電極に使用されているカーボンペーパーや粒状カーボンは、本質的に疎水性の材料であり、水分保持機能を有さないため、フラッディング現象を抑制することができない。そのため、現在、固体高分子型燃料電池の電極に好適に用いることができ、高い水分保持機能を有する導電性材料の開発が求められている。 By the way, currently, the electrode of the polymer electrolyte fuel cell is generally made of a paste or slurry containing catalyst powder prepared by supporting a noble metal catalyst such as platinum on granular carbon such as carbon black, carbon paper or the like. It is formed by coating on a conductive porous support. However, carbon paper and granular carbon used for the electrodes of the polymer electrolyte fuel cell are essentially hydrophobic materials and do not have a moisture retention function, and therefore cannot suppress the flooding phenomenon. . Therefore, development of a conductive material that can be suitably used for an electrode of a polymer electrolyte fuel cell and has a high moisture retention function is currently required.
また、貴金属触媒の担持体には、貴金属触媒の触媒活性を向上させるために、表面積が広いことも要求される。そのため、貴金属触媒の担持に好適な、高表面積の触媒担持体の開発も求められている。 The noble metal catalyst carrier is also required to have a large surface area in order to improve the catalytic activity of the noble metal catalyst. Therefore, development of a high surface area catalyst carrier suitable for supporting a noble metal catalyst is also demanded.
そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題を解決し、高い水分保持機能を有する炭素材料や表面積の広い炭素材料を製造することが可能な炭素材料の製造方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、かかる方法で製造された炭素材料を用いた固体高分子型燃料電池用電極、並びに該電極を備えた固体高分子型燃料電池を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a carbon material capable of solving the above-mentioned problems of the prior art and producing a carbon material having a high moisture retention function and a carbon material having a large surface area. Another object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell electrode using the carbon material produced by such a method, and a polymer electrolyte fuel cell equipped with the electrode.
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、芳香環を有する化合物を酸化重合してフィブリル状ポリマーを生成させ、生成したフィブリル状ポリマーを焼成して三次元連続構造を有する炭素繊維を生成させる炭素繊維の製造方法において、超音波を照射しながら酸化重合を行うことで、生成するフィブリル状ポリマー及び炭素繊維の密度が高くなり、また、超音波の照射条件を変更することで、生成する炭素繊維の密度をコントロールできることを見出した。また、本発明者らは、密度の高い炭素繊維は高い水分保持機能を有し、表面積が広く、カーボンペーパー等の多孔質支持体と、該多孔質支持体上に配設された炭素繊維と、該炭素繊維に担持された金属触媒とからなる固体高分子型燃料電池用電極において、密度の高い炭素繊維を固体高分子電解質膜側に配置することで、電極の水分保持機能が向上し、電極の貴金属触媒担持量を増加させることができ、密度の低い炭素繊維を多孔質支持体側に配置することで、気体(H2、O2)の拡散性を高く維持することができるため、高性能な固体高分子型燃料電池用電極が得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have produced a fibril-like polymer by oxidative polymerization of a compound having an aromatic ring, and the resulting fibril-like polymer is fired to have a three-dimensional continuous structure. In the carbon fiber manufacturing method for generating carbon fibers, the density of the fibrillated polymer and carbon fibers to be generated is increased by performing oxidative polymerization while irradiating ultrasonic waves, and the ultrasonic irradiation conditions are changed. Thus, it was found that the density of the carbon fibers to be generated can be controlled. Further, the present inventors have found that carbon fibers having a high density have a high moisture retention function, have a large surface area, a porous support such as carbon paper, and a carbon fiber disposed on the porous support. In the polymer electrolyte fuel cell electrode composed of the metal catalyst supported on the carbon fiber, by disposing the high-density carbon fiber on the polymer electrolyte membrane side, the moisture retention function of the electrode is improved, Since the amount of the noble metal catalyst supported on the electrode can be increased and the low-density carbon fibers are arranged on the porous support side, the diffusibility of gas (H 2 , O 2 ) can be maintained high. It has been found that a high performance polymer electrolyte fuel cell electrode can be obtained, and the present invention has been completed.
即ち、本発明の炭素繊維の製造方法は、
芳香環を有する化合物を超音波を照射しながら酸化重合してフィブリル状ポリマーを生成させる工程と、
該フィブリル状ポリマーを焼成して三次元連続構造を有する炭素繊維を生成させる工程とを含むことを特徴とする。
That is, the method for producing the carbon fiber of the present invention includes:
A step of oxidatively polymerizing a compound having an aromatic ring while irradiating ultrasonic waves to form a fibrillated polymer;
And firing the fibrillated polymer to produce a carbon fiber having a three-dimensional continuous structure.
本発明の炭素繊維の製造方法の好適例においては、前記酸化重合が電解酸化重合である。 In a preferred embodiment of the carbon fiber production method of the present invention, the oxidative polymerization is electrolytic oxidative polymerization.
本発明の炭素繊維の製造方法の他の好適例においては、前記芳香環を有する化合物がベンゼン環又は芳香族複素環を有する化合物である。ここで、前記芳香環を有する化合物が、アニリン、ピロール、チオフェン及びそれらの誘導体からなる群から選択された少なくとも一種の化合物であることが更に好ましい。 In another preferred embodiment of the carbon fiber production method of the present invention, the compound having an aromatic ring is a compound having a benzene ring or an aromatic heterocycle. Here, the compound having an aromatic ring is more preferably at least one compound selected from the group consisting of aniline, pyrrole, thiophene and derivatives thereof.
本発明の炭素繊維の製造方法の他の好適例においては、前記焼成を非酸化性雰囲気中及び弱酸化性雰囲気中で行う。 In another preferred embodiment of the carbon fiber production method of the present invention, the firing is performed in a non-oxidizing atmosphere and a weakly oxidizing atmosphere.
また、本発明の炭素繊維は、上記の方法で製造されたことを特徴とする。 In addition, the carbon fiber of the present invention is manufactured by the above method.
更に、本発明の固体高分子型燃料電池用電極は、多孔質支持体と、該多孔質支持体上に配設された上記の炭素繊維と、該炭素繊維に担持された金属触媒とからなることを特徴とする。 Furthermore, an electrode for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention comprises a porous support, the carbon fiber disposed on the porous support, and a metal catalyst supported on the carbon fiber. It is characterized by that.
本発明の固体高分子型燃料電池用電極において、前記多孔質支持体上に配設された炭素繊維は、多孔質支持体から近い部分よりも、多孔質支持体から遠い部分の方が密度が高いことが好ましい。 In the polymer electrolyte fuel cell electrode of the present invention, the carbon fiber disposed on the porous support has a density at a portion farther from the porous support than at a portion closer to the porous support. High is preferred.
本発明の固体高分子型燃料電池用電極の好適例においては、前記多孔質支持体がカーボンペーパーである。 In a preferred example of the polymer electrolyte fuel cell electrode of the present invention, the porous support is carbon paper.
本発明の固体高分子型燃料電池用電極の好適例においては、前記金属触媒が少なくともPtを含む。 In a preferred example of the polymer electrolyte fuel cell electrode of the present invention, the metal catalyst contains at least Pt.
また更に、本発明の固体高分子型燃料電池は、上記の固体高分子型燃料電池用電極を備えることを特徴とする。 Furthermore, the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is characterized by comprising the above-mentioned electrode for a polymer electrolyte fuel cell.
本発明によれば、芳香環を有する化合物を超音波を照射しながら酸化重合してフィブリル状ポリマーを生成させ、該フィブリル状ポリマーを焼成して三次元連続構造を有する炭素繊維を生成させる炭素繊維の製造方法において、照射する超音波の照射条件を変化させることで、生成するフィブリル状ポリマー及び最終的に得られる炭素繊維の密度を容易に変化させることができる。 According to the present invention, a carbon fiber in which a compound having an aromatic ring is oxidatively polymerized while being irradiated with ultrasonic waves to produce a fibril-like polymer, and the fibril-like polymer is baked to produce a carbon fiber having a three-dimensional continuous structure. In the production method of, the density of the fibrillated polymer to be produced and the finally obtained carbon fiber can be easily changed by changing the irradiation condition of the ultrasonic wave to be irradiated.
<炭素繊維及びその製造方法>
以下に、本発明の炭素繊維及びその製造方法を詳細に説明する。本発明の炭素繊維の製造方法は、芳香環を有する化合物を超音波を照射しながら酸化重合してフィブリル状ポリマーを生成させる工程と、該フィブリル状ポリマーを焼成して三次元連続構造を有する炭素繊維を生成させる工程とを含むことを特徴とし、また、本発明の炭素繊維は、かかる方法で製造されたことを特徴とする。本発明の炭素繊維の製造方法では、フィブリル状ポリマーの生成工程における超音波の照射条件を変えることで、生成するフィブリル状ポリマーの密度を容易にコントロールすることができる。
<Carbon fiber and its manufacturing method>
Hereinafter, the carbon fiber of the present invention and the production method thereof will be described in detail. The method for producing carbon fiber of the present invention comprises a step of oxidatively polymerizing a compound having an aromatic ring while irradiating ultrasonic waves to produce a fibril-like polymer, and a carbon having a three-dimensional continuous structure by firing the fibril-like polymer. The carbon fiber of the present invention is manufactured by such a method. In the carbon fiber production method of the present invention, the density of the fibrillated polymer to be produced can be easily controlled by changing the ultrasonic irradiation conditions in the fibrillar polymer producing step.
本発明の炭素繊維は、超音波を照射しながら芳香環を有する化合物を酸化重合してフィブリル状ポリマーを生成させた後、該フィブリル状ポリマーを焼成することで得られる。上記芳香環を有する化合物としては、ベンゼン環を有する化合物、芳香族複素環を有する化合物を挙げることができる。ここで、ベンゼン環を有する化合物としては、アニリン及びアニリン誘導体が好まく、芳香族複素環を有する化合物としては、ピロール、チオフェン及びこれらの誘導体が好ましい。これら芳香環を有する化合物は、一種単独で用いてもよいし、二種以上を混合して用いてもよい。 The carbon fiber of the present invention can be obtained by oxidative polymerization of a compound having an aromatic ring while irradiating ultrasonic waves to produce a fibril-like polymer, and then firing the fibril-like polymer. Examples of the compound having an aromatic ring include a compound having a benzene ring and a compound having an aromatic heterocyclic ring. Here, aniline and aniline derivatives are preferred as the compound having a benzene ring, and pyrrole, thiophene and derivatives thereof are preferred as the compound having an aromatic heterocycle. These compounds having an aromatic ring may be used alone or in a mixture of two or more.
本発明の製造方法で利用する超音波とは、人間の可聴限界以上の周波数、即ち、20kHz以上の周波数を有する音波乃至弾性振動である。該超音波は、一般的な超音波発生装置を用いて、発生させることができる。ここで、本発明では、超音波の周波数や超音波の照射時間等を変化させることで、生成するフィブリル状ポリマーの密度をコントロールすることができる。なお、本発明の方法では、芳香環を有する化合物の酸化重合の間中、一貫して超音波を照射してもよいし、芳香環を有する化合物の酸化重合の間の一定期間のみ超音波を照射してもよく、例えば、酸化重合中の超音波の照射時間を長くすることで、生成するフィブリル状ポリマーの密度を高くすることができ、酸化重合中の超音波の照射時間を短くすることで、生成するフィブリル状ポリマーの密度を低くすることができる。なお、特に限定されるものではないが、使用する超音波の周波数は、20〜30kHzの範囲が好ましく、超音波の照射時間は、重合開始時から重合終了直前までとすることが好ましい。重合後も照射を続けると、ポリマーの剥離につながるおそれがある。 The ultrasonic wave used in the manufacturing method of the present invention is a sound wave or elastic vibration having a frequency higher than the human audible limit, that is, a frequency higher than 20 kHz. The ultrasonic waves can be generated using a general ultrasonic generator. Here, in the present invention, the density of the fibrillated polymer to be generated can be controlled by changing the frequency of ultrasonic waves, the irradiation time of ultrasonic waves, and the like. In the method of the present invention, ultrasonic waves may be applied consistently throughout the oxidative polymerization of the compound having an aromatic ring, or ultrasonic waves may be applied only for a certain period during the oxidative polymerization of the compound having an aromatic ring. For example, by increasing the ultrasonic irradiation time during oxidative polymerization, the density of the fibrillated polymer produced can be increased, and the ultrasonic irradiation time during oxidative polymerization can be shortened. Thus, the density of the fibrillated polymer produced can be lowered. Although not particularly limited, the frequency of the ultrasonic wave to be used is preferably in the range of 20 to 30 kHz, and the ultrasonic irradiation time is preferably from the start of polymerization to just before the end of polymerization. Continuing irradiation after polymerization may lead to polymer peeling.
上記芳香環を有する化合物を酸化重合して得られるフィブリル状ポリマーは、通常、3次元連続構造を有し、直径が30〜数百nmで、好ましくは40〜500nmであり、長さが0.5〜100000μmで、好ましくは1〜10000μmである。なお、フィブリル状ポリマーの密度は、上述のように超音波の照射条件を変えることでコントロールできる。 The fibrillar polymer obtained by oxidative polymerization of the compound having an aromatic ring usually has a three-dimensional continuous structure, a diameter of 30 to several hundred nm, preferably 40 to 500 nm, and a length of 0.5 to The thickness is 100000 μm, preferably 1 to 10,000 μm. The density of the fibrillar polymer can be controlled by changing the ultrasonic irradiation conditions as described above.
上記酸化重合法としては、電解酸化重合法が好ましい。また、酸化重合においては、原料の芳香環を有する化合物と共に、酸を混在させることが好ましい。この場合、酸の負イオンがドーパントとして合成されるフィブリル状ポリマー中に取り込まれ、導電性に優れたフィブリル状ポリマーが得られ、このフィブリル状ポリマーを用いることにより最終的に得られる炭素繊維の導電性を更に向上させることができる。 As the oxidative polymerization method, an electrolytic oxidative polymerization method is preferable. Moreover, in oxidative polymerization, it is preferable to mix an acid with the compound which has a raw material aromatic ring. In this case, the negative ion of the acid is taken into the fibril polymer synthesized as a dopant to obtain a fibril polymer excellent in conductivity, and the conductivity of the carbon fiber finally obtained by using this fibril polymer is obtained. The property can be further improved.
この点について更に詳述すると、例えば、重合原料としてアニリンを用いた場合、アニリンをHBF4を混在させた状態で酸化重合して得られるポリアニリンは、通常下記式(A)〜(D):
上記ドープ=セミキノンラジカル状態(式C)の含有割合(ドーピングレベル)は適宜調節することができ、この含有割合(ドーピングレベル)を調節することにより、得られる炭素繊維の導電率を制御することができ、ドーピングレベルを高くすることにより得られる炭素繊維の導電率が共に高くなる。なお、特に限定されるものではないが、このドープ=セミキノンラジカル状態(式C)の含有割合(ドーピングレベル)は、通常0.01〜50%の範囲とすることが好ましい。 The content ratio (doping level) of the dope = semiquinone radical state (formula C) can be adjusted as appropriate, and the conductivity of the resulting carbon fiber can be controlled by adjusting the content ratio (doping level). The conductivity of the carbon fiber obtained by increasing the doping level increases. Although not particularly limited, the content ratio (doping level) of the dope = semiquinone radical state (formula C) is usually preferably in the range of 0.01 to 50%.
電解酸化重合によりフィブリル状ポリマーを得る場合には、芳香環を有する化合物を含む溶液中に、作用極及び対極を浸漬し、両極間に上記芳香環を有する化合物の酸化電位以上の電圧を印加するか、または該芳香環を有する化合物が重合するのに充分な電圧が確保できるような条件の電流を通電すればよく、これにより作用極上にフィブリル状ポリマーが生成する。ここで、作用極及び対極としては、ステンレススチール、白金、カーボン等の良導電性物質からなる板や多孔質支持体等を用いることができる。この電解酸化重合法によるフィブリル状ポリマーの合成方法の一例を挙げると、H2SO4、HBF4等の酸及び芳香環を有する化合物を含む電解溶液中に作用極及び対極を浸漬し、両極間に0.1〜1000mA/cm2、好ましくは0.2〜100mA/cm2の電流を通電して、作用極側にフィブリル状ポリマーを重合析出させる方法等が例示される。ここで、芳香環を有する化合物の電解溶液中の濃度は、0.05〜3mol/Lが好ましく、0.25〜1.5mol/Lがより好ましい。また、電解溶液には、上記成分に加え、pHを調製するために可溶性塩等を適宜添加してもよい。 When obtaining a fibrillated polymer by electrolytic oxidation polymerization, the working electrode and the counter electrode are immersed in a solution containing a compound having an aromatic ring, and a voltage higher than the oxidation potential of the compound having the aromatic ring is applied between both electrodes. Alternatively, it is sufficient to pass a current under such a condition that a voltage sufficient to polymerize the compound having the aromatic ring can be secured, whereby a fibril polymer is formed on the working electrode. Here, as the working electrode and the counter electrode, a plate made of a highly conductive material such as stainless steel, platinum, or carbon, a porous support, or the like can be used. An example of a method for synthesizing a fibril-like polymer by this electrolytic oxidation polymerization method is as follows. The working electrode and the counter electrode are immersed in an electrolytic solution containing an acid such as H 2 SO 4 and HBF 4 and a compound having an aromatic ring. For example, a method of polymerizing and depositing a fibrillated polymer on the working electrode side by applying a current of 0.1 to 1000 mA / cm 2 , preferably 0.2 to 100 mA / cm 2 , is exemplified. Here, the concentration of the compound having an aromatic ring in the electrolytic solution is preferably 0.05 to 3 mol / L, and more preferably 0.25 to 1.5 mol / L. Moreover, in addition to the said component, you may add a soluble salt etc. to an electrolyte solution suitably in order to adjust pH.
上述のように、炭素繊維のドーピングレベルを調節することにより、得られる炭素繊維の導電率を制御することができるが、ドーピングレベルの調節は、得られたフィブリル状ポリマーを何らかの方法で還元すればよく、その手法に特に制限はない。具体例としては、アンモニア水溶液又はヒドラジン水溶液等に浸漬する方法、電気化学的に還元電流を付加する方法等が挙げられる。この還元レベルによりフィブリル状ポリマーに含まれるドーパント量の制御を行うことができ、この場合、還元処理によってフィブリル状ポリマー中のドーパント量は減少する。また、重合時において酸濃度を制御することにより重合過程でドーピングレベルをある程度調節することもできるが、ドーピングレベルが大きく異なる種々のサンプルを得ることは難しく、このため上記還元法が好適に採用される。なお、このように含有割合を調節したドーパントは、後述する焼成処理後も、その焼成条件を制御することによって得られた炭素繊維中に保持され、これにより炭素繊維の導電率が制御される。 As described above, the conductivity of the obtained carbon fiber can be controlled by adjusting the doping level of the carbon fiber. However, the doping level can be adjusted by reducing the fibrillated polymer obtained by some method. Well, there are no particular restrictions on the method. Specific examples include a method of immersing in an aqueous ammonia solution or an aqueous hydrazine solution, a method of electrochemically applying a reduction current, and the like. The amount of dopant contained in the fibril-like polymer can be controlled by this reduction level. In this case, the amount of dopant in the fibril-like polymer is reduced by the reduction treatment. Although the doping level can be adjusted to some extent during the polymerization process by controlling the acid concentration during the polymerization, it is difficult to obtain various samples with greatly different doping levels. Therefore, the above reduction method is preferably employed. The In addition, the dopant which adjusted the content rate in this way is hold | maintained in the carbon fiber obtained by controlling the baking conditions after the baking process mentioned later, and, thereby, the electrical conductivity of carbon fiber is controlled.
上記のようにして作用極上に得られたフィブリル状ポリマーを、水や有機溶剤等の溶媒で洗浄し、乾燥させた後、焼成して炭化、好ましくは、非酸化性雰囲気中で焼成して炭化することで、炭素繊維が得られる。ここで、乾燥方法としては、特に制限されるものではないが、風乾、真空乾燥の他、流動床乾燥装置、気流乾燥機、スプレードライヤー等を使用した方法を例示することができる。また、焼成条件としては、特に限定されるものではなく、最適導電率となるように適宜設定すればよいが、特に高導電率を必要とする場合は、温度500〜3000℃、好ましくは600〜2800℃で、0.5〜6時間焼成することが好ましい。なお、非酸化性雰囲気としては、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、ヘリウム雰囲気等を挙げることができ、場合によっては水素雰囲気とすることもできる。更に弱酸化性雰囲気下で焼成することにより、炭素繊維の径を意図的に細くすることも可能である。 The fibrillated polymer obtained on the working electrode as described above is washed with a solvent such as water or an organic solvent, dried and then calcined by firing, preferably calcined by firing in a non-oxidizing atmosphere. By doing so, a carbon fiber is obtained. Here, the drying method is not particularly limited, and examples thereof include a method using a fluidized bed drying device, an air dryer, a spray dryer, etc., in addition to air drying and vacuum drying. In addition, the firing conditions are not particularly limited, and may be set as appropriate so as to obtain the optimum conductivity. Particularly, when high conductivity is required, the temperature is 500 to 3000 ° C., preferably 600 to Baking is preferably performed at 2800 ° C. for 0.5 to 6 hours. Note that examples of the non-oxidizing atmosphere include a nitrogen atmosphere, an argon atmosphere, and a helium atmosphere, and in some cases, a hydrogen atmosphere can also be used. Furthermore, the diameter of the carbon fibers can be intentionally reduced by firing in a weakly oxidizing atmosphere.
上記炭素繊維は、3次元連続構造を有し、直径が30〜数百nm、好ましくは40〜500nmであり、長さが0.5〜100000μm、好ましくは1〜10000μmであり、表面抵抗が106〜10-2Ω、好ましくは104〜10-2Ωである。また、該炭素繊維は、残炭率が95〜30%、好ましくは90〜40%である。該炭素繊維は、カーボン全体が3次元に連続した構造を有するため、粒状カーボンよりも導電性が高く、また、水分保持機能も高い。 The carbon fiber has a three-dimensional continuous structure, a diameter of 30 to several hundred nm, preferably 40 to 500 nm, a length of 0.5 to 100,000 μm, preferably 1 to 10,000 μm, and a surface resistance of 10 6 to 10 −2 Ω, preferably 10 4 to 10 −2 Ω. The carbon fiber has a residual carbon ratio of 95 to 30%, preferably 90 to 40%. The carbon fiber has a structure in which the entire carbon is three-dimensionally continuous, and therefore has higher conductivity than the granular carbon and also has a high moisture retention function.
<固体高分子型燃料電池用電極>
本発明の固体高分子型燃料電池用電極は、多孔質支持体と、該多孔質支持体上に配設された上述の炭素繊維と、該炭素繊維に担持された金属触媒とからなる。上記炭素繊維は、水分保持機能が高いため、本発明の固体高分子型燃料電池用電極は、水分保持機能が高い。そのため、本発明の電極を使用することで、固体高分子型燃料電池のフラッディング現象を防止することができる。
<Electrode for polymer electrolyte fuel cell>
The electrode for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention comprises a porous support, the above-described carbon fiber disposed on the porous support, and a metal catalyst supported on the carbon fiber. Since the carbon fiber has a high water holding function, the polymer electrolyte fuel cell electrode of the present invention has a high water holding function. Therefore, the flooding phenomenon of the polymer electrolyte fuel cell can be prevented by using the electrode of the present invention.
本発明の固体高分子型燃料電池用電極は、例えば、多孔質支持体上に上記炭素繊維を生成させた後、該炭素繊維に金属触媒を担持することで製造することができ、燃料極としても、空気極(酸素極)としても使用できる。ここで、該固体高分子型燃料電池用電極において、多孔質支持体はガス拡散層として機能し、炭素繊維はガス拡散層及び触媒層の担体として機能する。 The electrode for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention can be produced, for example, by producing the carbon fiber on a porous support and then supporting a metal catalyst on the carbon fiber. Can also be used as an air electrode (oxygen electrode). Here, in the polymer electrolyte fuel cell electrode, the porous support functions as a gas diffusion layer, and the carbon fiber functions as a carrier for the gas diffusion layer and the catalyst layer.
上述のように、本発明の炭素繊維は、超音波の照射条件を変更することで、密度をコントロールすることができるが、多孔質支持体上に配設された炭素繊維において、多孔質支持体から遠い部分の密度を高くすることで、多孔質支持体から遠い部分の水分保持機能を高く、且つ触媒担持量を増加させることができ、多孔質支持体から近い部分の気体の拡散性を増加させることができ、固体高分子型燃料電池の電池性能の安定化と高性能化を同時に達成することが可能となる。 As described above, the carbon fiber of the present invention can control the density by changing the ultrasonic irradiation conditions, but in the carbon fiber disposed on the porous support, the porous support By increasing the density of the part far from the porous support, the moisture retention function of the part far from the porous support can be increased and the amount of catalyst supported can be increased, increasing the gas diffusibility of the part close to the porous support. Therefore, stabilization of the battery performance and high performance of the solid polymer fuel cell can be achieved at the same time.
本発明の固体高分子型燃料電池用電極に用いる多孔質支持体は、金属が担持された炭素繊維(触媒層)へ水素ガス等の燃料、或いは、酸素や空気等の酸素含有ガスを供給するガス拡散層としての機能と、発生した電子の授受を行う集電体としての機能を担う。該多孔質支持体に用いる材質としては、多孔質で且つ電子伝導性を有するものであればよく、具体的には、カーボンペーパー、多孔質のカーボン布等が挙げられ、カーボンペーパーが好ましい。 The porous support used for the electrode for the polymer electrolyte fuel cell of the present invention supplies a fuel such as hydrogen gas or an oxygen-containing gas such as oxygen or air to the carbon fiber (catalyst layer) on which the metal is supported. It functions as a gas diffusion layer and as a current collector that exchanges generated electrons. The material used for the porous support may be any material that is porous and has electronic conductivity, and specific examples include carbon paper and porous carbon cloth, and carbon paper is preferred.
上記炭素繊維に担持する金属としては、貴金属が好ましく、Ptが特に好ましい。なお、本発明においては、Ptを単独で用いてもよいし、Ru等の他の金属との合金として用いてもよい。貴金属としてPtを用いることで、100℃以下の低温でも水素を高効率で酸化することができる。また、PtとRu等の合金を用いることで、COによるPtの被毒を防止して、触媒の活性低下を防止することができる。なお、炭素繊維上に担持される金属の粒径は、0.5〜20nmの範囲が好ましく、該金属の担持率は、炭素繊維1gに対して0.05〜5gの範囲が好ましい。 As the metal supported on the carbon fiber, a noble metal is preferable, and Pt is particularly preferable. In the present invention, Pt may be used alone or as an alloy with another metal such as Ru. By using Pt as the noble metal, hydrogen can be oxidized with high efficiency even at a low temperature of 100 ° C. or lower. Further, by using an alloy such as Pt and Ru, it is possible to prevent poisoning of Pt by CO and prevent a decrease in the activity of the catalyst. The particle size of the metal supported on the carbon fiber is preferably in the range of 0.5 to 20 nm, and the support rate of the metal is preferably in the range of 0.05 to 5 g with respect to 1 g of the carbon fiber.
上記炭素繊維の金属が担持された部分には、更に高分子電解質を含浸させてもよく、該高分子電解質としては、イオン伝導性のポリマーを使用することができ、該イオン伝導性のポリマーとしては、スルホン酸、カルボン酸、ホスホン酸、亜ホスホン酸等のイオン交換基を有するポリマーを挙げることができ、該ポリマーはフッ素を含んでも、含まなくてもよい。該イオン伝導性のポリマーとしては、ナフィオン(登録商標)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー等が挙げられる。該高分子電解質の含浸量は、炭素繊維100質量部に対して高分子電解質10〜500質量部の範囲が好ましい。なお、炭素繊維層の厚さは、特に限定されるものではないが、0.1〜100μmの範囲が好ましい。また、炭素繊維層の金属担持量は、前記担持率と炭素繊維層の厚さにより定まり、好ましくは0.001〜0.8mg/cm2の範囲である。 The carbon fiber metal-supported portion may be further impregnated with a polymer electrolyte. As the polymer electrolyte, an ion conductive polymer can be used, and as the ion conductive polymer, Can include polymers having ion exchange groups such as sulfonic acid, carboxylic acid, phosphonic acid, phosphonous acid, etc., and the polymer may or may not contain fluorine. Examples of the ion conductive polymer include perfluorocarbon sulfonic acid polymers such as Nafion (registered trademark). The amount of impregnation of the polymer electrolyte is preferably in the range of 10 to 500 parts by mass of the polymer electrolyte with respect to 100 parts by mass of the carbon fiber. The thickness of the carbon fiber layer is not particularly limited, but is preferably in the range of 0.1 to 100 μm. The amount of metal supported on the carbon fiber layer is determined by the supporting rate and the thickness of the carbon fiber layer, and is preferably in the range of 0.001 to 0.8 mg / cm 2 .
<固体高分子型燃料電池>
次に、本発明の固体高分子型燃料電池用電極を用いた固体高分子型燃料電池を図1を参照しながら説明する。図示例の固体高分子型燃料電池は、膜電極接合体(MEA)1とその両側に位置するセパレータ2とを備える。膜電極接合体(MEA)1は、固体高分子電解質膜3とその両側に位置する燃料極4A及び空気極4Bとからなる。燃料極4Aでは、2H2→4H++4e-で表される反応が起こり、発生したH+は固体高分子電解質膜3を経て空気極4Bに至り、また、発生したe-は外部に取り出されて電流となる。一方、空気極4Bでは、O2+4H++4e-→2H2Oで表される反応が起こり、水が発生する。ここで、本発明の固体高分子型燃料電池には、水分保持機能が高い上述の電極が使用されているため、フラッディング現象の発生が防止されている。
<Solid polymer fuel cell>
Next, a polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte fuel cell electrode of the present invention will be described with reference to FIG. The illustrated polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) 1 and separators 2 located on both sides thereof. The membrane electrode assembly (MEA) 1 includes a solid polymer electrolyte membrane 3 and fuel electrodes 4A and air electrodes 4B located on both sides thereof. In the fuel electrode 4A, a reaction represented by 2H 2 → 4H + + 4e − occurs, the generated H + passes through the solid polymer electrolyte membrane 3 to the air electrode 4B, and the generated e − is taken out to the outside. Current. On the other hand, in the air electrode 4B, a reaction represented by O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O occurs, and water is generated. Here, in the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, since the above-described electrode having a high water retention function is used, occurrence of a flooding phenomenon is prevented.
上記燃料極4A及び空気極4Bは、金属担持炭素繊維5及び多孔質支持体6からなり、金属担持炭素繊維5が固体高分子電解質膜3に接触するように配置されている。ここで、金属担持炭素繊維5は、炭素繊維に金属を担持してなり、担持された金属の表面積が非常に広いため、固体高分子電解質膜3と金属担持炭素繊維5とガスとの三相界面での電気化学反応の反応場が非常に大きく、その結果、固体高分子型燃料電池の発電効率が大幅に改善される。なお、固体高分子電解質膜3としては、イオン伝導性のポリマーを使用することができ、該イオン伝導性のポリマーとしては、上記炭素繊維の金属が担持された部分に含浸させることが可能な高分子電解質として例示したものを用いることができる。また、セパレータ2としては、表面に燃料、空気及び生成した水等の流路(図示せず)が形成された通常のセパレータを用いることができる。 The fuel electrode 4 </ b> A and the air electrode 4 </ b> B are composed of a metal-supporting carbon fiber 5 and a porous support 6, and are disposed so that the metal-supporting carbon fiber 5 is in contact with the solid polymer electrolyte membrane 3. Here, the metal-supporting carbon fiber 5 is formed by supporting a metal on the carbon fiber, and since the surface area of the supported metal is very wide, the three-phase of the solid polymer electrolyte membrane 3, the metal-supporting carbon fiber 5, and gas. The reaction field of the electrochemical reaction at the interface is very large, and as a result, the power generation efficiency of the polymer electrolyte fuel cell is greatly improved. As the solid polymer electrolyte membrane 3, an ion conductive polymer can be used, and the ion conductive polymer can be impregnated in a portion where the metal of the carbon fiber is supported. What was illustrated as a molecular electrolyte can be used. Moreover, as the separator 2, the normal separator with which flow paths (not shown), such as fuel, air, and produced | generated water, were formed in the surface can be used.
以下に、実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
(実施例1)
アニリンモノマー 0.5mol/LとHBF4 1.0mol/Lとを含む反応容器中に、カーボンペーパー[東レ製]からなる作用極を設置し、対極として白金板を設置し、更に、該反応容器を超音波発生装置[(株)エヌエヌディ製]の超音波槽中に設置した。次に、周波数:38kHz、高周波動(出力):80Wの条件で超音波を照射しながら、室温にて35mA/cm2の定電流で電解重合を行い(通電量3C)、作用極上にポリアニリンを電析させた。得られたポリアニリンをイオン交換水で洗浄後、24時間真空乾燥した。更に、得られたポリアニリンをカーボンペーパーごとAr雰囲気中3℃/分の昇温速度で950℃まで加熱し、その後950℃で1時間保持して焼成処理した。得られた焼成物をSEMで観察したところ、密度が照射しない場合に比べて高くなっていることを確認した。得られた炭素繊維のSEM写真を図2に示す。
Example 1
In a reaction vessel containing aniline monomer 0.5 mol / L and HBF 4 1.0 mol / L, a working electrode made of carbon paper [manufactured by Toray] was installed, a platinum plate was installed as a counter electrode, and the reaction vessel was It was installed in an ultrasonic bath of a sound wave generator [manufactured by NN Corporation]. Next, electrolytic polymerization was performed at a constant current of 35 mA / cm 2 at room temperature while irradiating ultrasonic waves under the conditions of frequency: 38 kHz and high-frequency motion (output): 80 W (amount of electricity 3 C), and polyaniline was applied to the working electrode. Electrodeposited. The obtained polyaniline was washed with ion-exchanged water and then vacuum-dried for 24 hours. Further, the obtained polyaniline was heated together with carbon paper to 950 ° C. at a rate of temperature increase of 3 ° C./min in an Ar atmosphere, and then held at 950 ° C. for 1 hour for firing treatment. When the obtained fired product was observed with an SEM, it was confirmed that the density was higher than the case where the density was not irradiated. An SEM photograph of the obtained carbon fiber is shown in FIG.
(比較例1)
アニリンモノマー 0.5mol/LとHBF4 1.0mol/Lとを含む反応容器中に、カーボンペーパー[東レ製]からなる作用極を設置し、対極として白金板を設置し、室温にて35mA/cm2の定電流で電解重合を行い(通電量3C)、ポリアニリンを作用極上に電析させた。得られたポリアニリンをイオン交換水で洗浄後、24時間真空乾燥した。更に、得られたポリアニリンをカーボンペーパーごとAr雰囲気中3℃/分の昇温速度で950℃まで加熱し、その後950℃で1時間保持して焼成処理した。得られた焼成物をSEMで観察したところ、3次元連続状の炭素繊維が、カーボンペーパー上に生成していることを確認した。得られた炭素繊維のSEM写真を図3に示す。
(Comparative Example 1)
In a reaction vessel containing 0.5 mol / L of aniline monomer and 1.0 mol / L of HBF 4, a working electrode made of carbon paper [manufactured by Toray] is installed, a platinum plate is installed as a counter electrode, and 35 mA / cm 2 at room temperature. The electropolymerization was performed at a constant current of 3 (conduction amount 3C), and polyaniline was electrodeposited on the working electrode. The obtained polyaniline was washed with ion-exchanged water and then vacuum-dried for 24 hours. Further, the obtained polyaniline was heated together with carbon paper to 950 ° C. at a rate of temperature increase of 3 ° C./min in an Ar atmosphere, and then held at 950 ° C. for 1 hour for firing treatment. When the obtained fired product was observed by SEM, it was confirmed that three-dimensional continuous carbon fibers were formed on the carbon paper. An SEM photograph of the obtained carbon fiber is shown in FIG.
図2及び図3の比較から明らかなように、超音波を照射しながらアニリンを酸化重合してフィブリル状のポリアニリン(炭素繊維前駆体)を生成させることで、最終的に得られ炭素繊維の密度を高くすることができる。 As apparent from the comparison between FIG. 2 and FIG. 3, the density of the carbon fiber finally obtained by producing fibrillar polyaniline (carbon fiber precursor) by oxidative polymerization of aniline while irradiating ultrasonic waves. Can be high.
1 膜電極接合体(MEA)
2 セパレータ
3 固体高分子電解質膜
4A 燃料極
4B 空気極
5 金属担持炭素繊維
6 多孔質支持体
1 Membrane electrode assembly (MEA)
2 Separator 3 Solid polymer electrolyte membrane 4A Fuel electrode 4B Air electrode 5 Metal-supported carbon fiber 6 Porous support
Claims (11)
The polymer electrolyte fuel cell provided with the electrode for polymer electrolyte fuel cells in any one of Claims 7-10.
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