JP2007335259A - Electrode for polymer electrolyte fuel cell, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Electrode for polymer electrolyte fuel cell, and polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for a solid polymer fuel cell capable of improving power generation performance by improving reaction activity in a gas diffusion electrode using an ion liquid as an electrolyte, and the solid polymer fuel cell using such an electrode. <P>SOLUTION: In the electrode for the solid polymer fuel cell provided with a gas diffusion layer and a catalyst layer, the thickness of the catalyst layer formed from a carbon to carry platinum, the ion liquid provided with proton conductivity, and an organic compound to fix this ion liquid is made to have a range of 1 to 10 μm. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解質としてイオン液体を用いた固体高分子形燃料電池(PEFC)に係わり、特にこのような固体高分子形燃料電池に用いる電極(GDE:ガス拡散電極)と、当該電極を適用した固体高分子形燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) using an ionic liquid as an electrolyte, and in particular, an electrode (GDE: gas diffusion electrode) used in such a polymer electrolyte fuel cell and the electrode are applied. The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell.

イオン液体は、イオン性液体、常温溶融塩とも称されるイオン伝導性を有する低融点の「塩」であって、その多くは、カチオンとしての有機オニウムイオン、アニオンとして有機、または無機アニオンを組み合わせることにより得られる比較的低融点の特性を示すものである。
このようなイオン液体を電解質として用いた燃料電池としては、例えば、イオン液体としてEMIm(FH)nFを用いて作製したMEA(膜電極接合体)の発電性能についての報告がなされている(非特許文献1参照)。
第46回電池討論会予稿集、社団法人電気学会化学会、平成17年11月、p.808
An ionic liquid is a low-melting point “salt” having an ionic conductivity, also called an ionic liquid or a room temperature molten salt, most of which combine an organic onium ion as a cation and an organic or inorganic anion as an anion. The characteristic of the comparatively low melting point obtained by this is shown.
As a fuel cell using such an ionic liquid as an electrolyte, for example, a report has been made on the power generation performance of an MEA (membrane electrode assembly) manufactured using EMIm (FH) nF as an ionic liquid (non-patent). Reference 1).
46th Battery Symposium Proceedings, The Institute of Electrical Engineers of Japan, November 2005, p. 808

しかしながら、上記MEAによる発電性能は、最高出力密度で約30mW/cmであって、通常の固体高分子形燃料電池の発電能力に対し1/10程度に過ぎなく、十分な発電性能が得られないのが実情である。 However, the power generation performance by the MEA is about 30 mW / cm 2 at the maximum output density, which is only about 1/10 of the power generation capacity of a normal polymer electrolyte fuel cell, and sufficient power generation performance is obtained. There is no actual situation.

本発明は、イオン液体を電解質として用いた固体高分子形燃料電池における上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、触媒電極における反応活性を向上させることができ、発電性能を改善することができる固体高分子形燃料電池用電極と、このような電極を用いて成り、発電性能に優れた固体高分子形燃料電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems in a polymer electrolyte fuel cell using an ionic liquid as an electrolyte. The object of the present invention is to improve the reaction activity in the catalyst electrode, and to generate power. An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell electrode capable of improving the performance, and a polymer electrolyte fuel cell excellent in power generation performance, comprising such an electrode.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を繰り返した結果、白金を担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するイオン液体で構成される触媒層の厚さを薄くすることによって、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに到った。   As a result of repeating earnest studies to achieve the above object, the present inventors have reduced the thickness of a catalyst layer composed of a carbon support carrying platinum and an ionic liquid having proton conductivity. As a result, the present invention has been completed.

本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の固体高分子形燃料電池用電極は、ガス拡散層と触媒層を備え、当該触媒層が白金を担持したカーボン担体と、プロトン伝動性を備えたイオン液体と、該イオン液体を固定化する有機化合物から形成され、当該触媒層の厚さが1〜10μmであることを特徴としており、本発明の固体高分子形燃料電池は、このような電極を備えていることを特徴とする。   The present invention is based on the above knowledge, and the electrode for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention comprises a gas diffusion layer and a catalyst layer, and the catalyst layer has a carbon carrier carrying platinum, and proton conductivity. The solid polymer fuel cell of the present invention is characterized in that it is formed from an ionic liquid provided and an organic compound that immobilizes the ionic liquid, and the thickness of the catalyst layer is 1 to 10 μm. It is characterized by having an electrode.

本発明によれば、固体高分子形燃料電池用電極における触媒層を白金を担持したカーボン担体と、プロトン伝動性を備えたイオン液体と、このイオン液体を固定化する有機化合物から成るものとする一方、その厚さを1〜10μmとしたことから、触媒反応抵抗を高める一因である触媒層中のプロトン伝導抵抗と、この抵抗に伴う白金近傍での拡散プロトン(反応物)の欠乏状態が改善され、白金の触媒活性が向上して電池の発電性能を改善することができる。   According to the present invention, the catalyst layer in the polymer electrolyte fuel cell electrode is composed of a carbon carrier carrying platinum, an ionic liquid having proton conductivity, and an organic compound for immobilizing the ionic liquid. On the other hand, since the thickness is set to 1 to 10 μm, the proton conduction resistance in the catalyst layer, which is one factor for increasing the catalytic reaction resistance, and the deficient state of diffusion protons (reactants) in the vicinity of platinum due to this resistance. Thus, the catalytic activity of platinum is improved and the power generation performance of the battery can be improved.

以下、本発明の固体高分子形燃料電池用電極やこのような電極を用いた固体高分子形燃料電池について、さらに詳細かつ具体的に説明する。なお、本明細書において、「%」は特記しない限り、質量百分率を意味するものとする。   Hereinafter, the polymer electrolyte fuel cell electrode of the present invention and the polymer electrolyte fuel cell using such an electrode will be described in more detail and specifically. In the present specification, “%” means mass percentage unless otherwise specified.

本発明の固体高分子形燃料電池用電極は、上記したように、ガス拡散層と触媒層を備えたガス拡散電極であって、当該ガス拡散電極における触媒層が白金担持カーボン担体と、プロトン伝動性イオン液体と、イオン液体を所定の形状に固定化する有機化合物から形成され、その厚さが1〜10μmのものであるから、触媒層中におけるプロトン伝導抵抗と、白金近傍での拡散プロトンの欠乏状態が改善され、白金の触媒活性が向上し、その結果、触媒活性が十分でない貴金属触媒の量を減少させ、高効率の燃料電池用ガス拡散触媒電極を得ることができる。   The solid polymer fuel cell electrode of the present invention is a gas diffusion electrode comprising a gas diffusion layer and a catalyst layer as described above, wherein the catalyst layer in the gas diffusion electrode is composed of a platinum-supported carbon carrier, a proton transmission An ionic liquid and an organic compound that immobilizes the ionic liquid in a predetermined shape and has a thickness of 1 to 10 μm. Therefore, proton conduction resistance in the catalyst layer and diffusion protons in the vicinity of platinum The deficient state is improved and the catalytic activity of platinum is improved. As a result, the amount of noble metal catalyst having insufficient catalytic activity can be reduced, and a highly efficient gas diffusion catalyst electrode for fuel cells can be obtained.

燃料電池反応が進行する電極触媒相中では、電子、プロトン、水素、酸素、水の全てが速やかに拡散することが必要であって、これらの伝導又は拡散は、それぞれカーボン担体、電解質、カーボン担体粒子の集合体中に形成された空隙を通して進行する。したがって、これら材料の種類や形状、特性は、反応場(白金表面)への反応物の供給や、生成物の反応場からの除去に大きく影響する。   In the electrocatalyst phase in which the fuel cell reaction proceeds, it is necessary that all of electrons, protons, hydrogen, oxygen, and water diffuse quickly, and these conduction or diffusion is caused by the carbon support, the electrolyte, and the carbon support, respectively. It proceeds through voids formed in the aggregate of particles. Therefore, the types, shapes, and characteristics of these materials greatly affect the supply of reactants to the reaction field (platinum surface) and the removal of products from the reaction field.

従来においては、これらの拡散現象の中で、特にガス拡散とプロトンの伝導が電池反応を大きく律速し、反応物が十分供給されずに反応活性が低い白金が多く存在しているものと推定し、この改善策として、白金の含有量を一定にして、カーボン担体上への白金の担持濃度を高くすることによって、電極触媒層を薄くした電極が検討されていたが、担体であるカーボンは変更されていないので、カーボン間の電解質の状態や、間隙の形状は大きく変わっておらず、単位体積あたりのプロトン伝導抵抗、ガス拡散抵抗は変わらないものと考えられる。   In the past, it was estimated that among these diffusion phenomena, gas diffusion and proton conduction, in particular, largely controlled the cell reaction, and there was a large amount of platinum with low reaction activity due to insufficient supply of reactants. As an improvement measure, an electrode with a thin electrode catalyst layer was studied by making the platinum content constant and increasing the platinum support concentration on the carbon support, but the support carbon was changed. Therefore, it is considered that the state of the electrolyte between carbons and the shape of the gap do not change greatly, and the proton conduction resistance and gas diffusion resistance per unit volume do not change.

本発明においては、白金の担持量に係わりなく、触媒層の厚さを1〜10μmの範囲に規定したことによって電流密度の向上代が大きくなるという効果が得られる。
すなわち、触媒層の厚さが10μm以下の領域では、プロトン、反応ガスの白金への供給が十分となるため、触媒層中においてイオン液体で構成されるイオン伝導パスの長さを短くしてプロトン、ガス拡散の抵抗を下げた効果が十分に得られる一方、触媒層の厚さが10μmを超える領域では、プロトン、反応ガスの白金への供給が不十分となるため、その効果を十分に得ることはできない。なお、触媒層の厚さが1μmに満たない場合には、Pt担持カーボンから成る触媒層が形成されない部分が生じ、その結果、電解質膜のみの面が形成されてしまい、発電性能が悪化する。
In the present invention, regardless of the amount of platinum supported, the effect of increasing the current density can be obtained by defining the thickness of the catalyst layer in the range of 1 to 10 μm.
That is, in the region where the thickness of the catalyst layer is 10 μm or less, the proton and the reaction gas are sufficiently supplied to the platinum. Therefore, the length of the ion conduction path formed of the ionic liquid in the catalyst layer is shortened, While the effect of lowering the resistance of gas diffusion can be sufficiently obtained, in the region where the thickness of the catalyst layer exceeds 10 μm, the supply of protons and reaction gas to platinum becomes insufficient, so that the effect can be sufficiently obtained. It is not possible. When the thickness of the catalyst layer is less than 1 μm, a portion where the catalyst layer made of Pt-supported carbon is not formed occurs, and as a result, only the surface of the electrolyte membrane is formed, and the power generation performance is deteriorated.

本発明の固体高分子形燃料電池用電極における触媒層は、上記のように、白金を担持したカーボン担体と、プロトン伝動性を有するイオン液体と、このイオン液体を固定化する有機化合物から形成されるものであるが、白金触媒を担持するための上記カーボン担体としては、その比表面積が200〜1100m/gであることことが望ましく、これによって白金を高分散状態に維持しながら、触媒層中に電解質を保持することができると共に、ガスを通過させる間隙を得ることができるようになる。 As described above, the catalyst layer in the electrode for the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is formed of a carbon carrier supporting platinum, an ionic liquid having proton conductivity, and an organic compound that immobilizes the ionic liquid. However, the carbon support for supporting the platinum catalyst preferably has a specific surface area of 200 to 1100 m 2 / g, so that the catalyst layer is maintained while maintaining platinum in a highly dispersed state. The electrolyte can be held therein, and a gap through which the gas can pass can be obtained.

ここで、上記比表面積は、BET(Brunauer−Emmette−Teller)法による測定値を意味し、当該BET法による比表面積が200m/gに満たない場合は、白金の分散状態が悪化して、発電性能が悪化する。一方、1100m/gを超えると、カーボンのかさ密度の増大に伴い、一定触媒層厚さに含まれる貴金属量を確保するために、高濃度の貴金属濃度担持が必要になり、高濃度担持で貴金属粒子径が大きくなると、性能が悪化する傾向がある。
なお、このようなカーボン担体としては、例えばカーボンブラックや、グラファイト化したカーボンブラックなどを使用することができる。
Here, the specific surface area means a measured value by the BET (Brunauer-Emmette-Teller) method, and when the specific surface area by the BET method is less than 200 m 2 / g, the dispersion state of platinum deteriorates, Power generation performance deteriorates. On the other hand, if it exceeds 1100 m 2 / g, with the increase in the bulk density of carbon, in order to ensure the amount of noble metal contained in the constant catalyst layer thickness, it is necessary to carry a high concentration of noble metal concentration. As the noble metal particle size increases, the performance tends to deteriorate.
In addition, as such a carbon support | carrier, carbon black, graphitized carbon black, etc. can be used, for example.

また、本発明の固体高分子形燃料電池用電極の触媒層を構成するイオン液体としては、分子性カチオンと分子性アニオンで構成される電解質であることが望ましい。
これによって、イオン液体の常温溶融塩の特性、具体的には、蒸気圧が非常に低く、蒸発し難いこと、難燃性であること、高い熱分解温度(>250〜400℃)を有すること、低い凝固点(<−20℃)を有することなどの特性が固体高分子形燃料電池に用いられる電解質として好都合なものとなる。
The ionic liquid constituting the catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell electrode of the present invention is preferably an electrolyte composed of a molecular cation and a molecular anion.
As a result, the properties of the room temperature molten salt of the ionic liquid, specifically, the vapor pressure is very low, it is difficult to evaporate, it is flame retardant, and it has a high thermal decomposition temperature (> 250-400 ° C.). Characteristics such as having a low freezing point (<−20 ° C.) are favorable as an electrolyte used in a polymer electrolyte fuel cell.

このようなイオン液体を構成するカチオン成分としては、例えば、図1に示すように、イミダゾリウム誘導体(Imidazolium Derivatives)、ピリジニウム誘導体(Pyridinium Derivatives)、ピロリジニウム誘導体(Pyrrolidinium Derivatives)、アンモニウム誘導体(Ammonium Derivatives)、ホスフォニウム誘導体(Phosphonium Derivatives)、グアニジニウム誘導体(Guanidinium Derivatives)、イソウロニウム誘導体(Isouronium Derivatives)、チオウレア誘導体(Thiourea Derivatives)などを挙げることができる。   As the cation component constituting such an ionic liquid, for example, as shown in FIG. 1, an imidazolium derivative (Imidazolium Derivatives), a pyridinium derivative (Pyrridinium Derivatives), a pyrrolidinium derivative (A), an ammonium derivative (V) Phosphonium derivatives (Phosphonium Derivatives), guanidinium derivatives (Guanidinium Derivatives), isouronium derivatives (Isouronium Derivatives), thiourea derivatives (Thiourea Derivatives), and the like.

一方、アニオン成分としては、例えば、図2に示すようなスルフェート類(Sulfates)、スルホン酸類(Sulfonates)、アミド類(Amides)、イミド類(Imides)、メタン類(Methanes)、ホウ酸塩類(Borates)、リン酸塩類(Phosphates)、アンチモン類(Antimonates)、その他の塩類、などが挙げられる。   On the other hand, examples of the anion component include sulfates (Sulfates), sulfonic acids (Sulfonates), amides (Imides), imides (Imides), methanes (Methanes), and borates (Borates) as shown in FIG. ), Phosphates (Phosphates), antimonies (Antimonates), other salts, and the like.

なお、上述のカチオン成分やアニオン成分は、それぞれ単独で使用するばかりでなく、2種以上を適宜組み合わせて使用することもできる。   In addition, the above-mentioned cation component and anion component can be used not only individually but also in combination of two or more.

上記イオン液体は、文字どおり液状をなし、流動性を有しているため、そのままではガス拡散電極中に電解質としての位置を定めることができず、触媒層中を自由に移動して、ガスの通過間隙を塞ぎ込んでしまうことにもなることから、例えば以下に説明するような有機化合物をによって所定の形状に固定化することが必要となる。
なお、本発明において「固定化」とは、物理ゲル、化学ゲル、イオン液体成分のポリーマー化などにより、イオン液体成分を含んだ固体物を形成することを意味する。
Since the ionic liquid is literally liquid and has fluidity, the position as an electrolyte cannot be determined in the gas diffusion electrode as it is, and the gas can move freely through the catalyst layer and pass through the gas. Since the gap is also closed, it is necessary to fix the organic compound in a predetermined shape with an organic compound as described below, for example.
In the present invention, “immobilization” means that a solid material containing an ionic liquid component is formed by physical gel, chemical gel, polymerization of the ionic liquid component, or the like.

イオン液体を固定化するのに用いる有機化合物としては、高分子モノマーを前駆体とするものを用いることができ、これによって有機化合物をイオン液体中に均一に分散させることが可能となる。
すなわち、イオン液体中にモノマーの状態で分散させたのち、重合させることによって、有機化合物をイオン液体中に均一に分散させることができるようになり、良好な固定状態を得ることが可能になる。
As the organic compound used for immobilizing the ionic liquid, an organic compound having a polymer monomer as a precursor can be used, whereby the organic compound can be uniformly dispersed in the ionic liquid.
That is, by dispersing in an ionic liquid in a monomer state and then polymerizing, the organic compound can be uniformly dispersed in the ionic liquid, and a good fixed state can be obtained.

イオン液体を固定化するのに用いる有機化合物の具体例として、例えば、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリメタクリル酸メチル、ポリフッ化ビニリデンなどの重合体、あるいはアクリル酸系モノマー、メタクリル酸系モノマー、アクリルアミド系モノマー、アリル系モノマー、スチレン系モノマー、エポキシ系モノマーなどのモノマーの重合体を用いることができる。
なお、これら有機化合物は、単独で用いることができるほか、2種以上を混合した状態や、共重合体として使用することができる。
Specific examples of organic compounds used to immobilize the ionic liquid include, for example, polymers such as polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, and polyvinylidene fluoride, or acrylic acid monomers and methacrylic acid monomers. Polymers of monomers such as acrylamide monomers, allyl monomers, styrene monomers, and epoxy monomers can be used.
In addition, these organic compounds can be used alone, and can be used as a mixture of two or more kinds or as a copolymer.

イオン液体を固定化するのに用いる上記の有機化合物は、種類によってその好適範囲がそれぞれ相違するものの、イオン液体1Lあたり概ね1〜500g程度の割合で添加することが望ましい。   The organic compound used for immobilizing the ionic liquid is preferably added at a rate of about 1 to 500 g per liter of the ionic liquid, although the preferred range differs depending on the type.

また、イオン液体を固定化するのに用いる有機化合物としては、水素結合などの分子間力の効果により、ナノサイズの繊維状会合体から形成される3次元網目構造を有する構造体を用いることもでき、低分子化合物が会合した状態の3次元網目架橋構造体によって、イオン液体から成る電解質が包接保持されることになる。この時、繊維状会合体とイオン液体の化学的な反応が生じないような材料を選定することで、イオン液体の固定化に伴うイオン伝導度の低下を抑制することができる。すなわち、他のポリマーや重合体、化学反応を伴う架橋体によって形成されるゲル状イオン液体を電解質として使用する場合に較べ、イオン伝導度の低下を抑えることが可能になる。   In addition, as an organic compound used to immobilize the ionic liquid, a structure having a three-dimensional network structure formed from nano-sized fibrous aggregates due to the effect of intermolecular force such as hydrogen bonding may be used. In other words, the electrolyte composed of the ionic liquid is included and held by the three-dimensional network cross-linked structure in which the low molecular weight compounds are associated. At this time, by selecting a material that does not cause a chemical reaction between the fibrous aggregate and the ionic liquid, it is possible to suppress a decrease in ionic conductivity accompanying the immobilization of the ionic liquid. That is, it is possible to suppress a decrease in ionic conductivity as compared with the case where a gel-like ionic liquid formed from another polymer, a polymer, or a crosslinked body accompanied by a chemical reaction is used as an electrolyte.

上記した3次元網目架橋構造体としては、例えば多糖類に代表されるカラギーナンでは、図3及び4に示すように、単位構成物が二重らせんを生成してから会合体となるもの(c)や、単位構成物が一重らせんを生成してから会合体となるもの(f)が挙げられる。
さらに、廃てんぷら油の固化剤として実用化されている1,2−ヒドロキシステアリン酸、trans−1,2−ジアミノシクロヘキサンのジアミド誘導体、L−イソロイシン誘導体やL−バリン誘導体といった分子化合物は広範囲の溶剤、油をゲル化することが知られており、そのゲル化は分子間に働く水素結合、長鎖アルキル基のファンデルワールス力のような非共有結合を通じて分子が自己会合し繊維状の会合体を形成する。
As the above-mentioned three-dimensional network crosslinked structure, for example, in carrageenan represented by polysaccharides, as shown in FIGS. 3 and 4, the unit component forms an aggregate after forming a double helix (c). And (f) which forms an aggregate after the unit component forms a single helix.
Furthermore, molecular compounds such as 1,2-hydroxystearic acid, trans-1,2-diaminocyclohexane diamide derivatives, L-isoleucine derivatives and L-valine derivatives, which are put into practical use as solidifying agents for waste tempura oil, are used in a wide range of solvents. It is known to gel oil, and this gelation is a fibrous aggregate in which molecules self-assemble through non-covalent bonds such as hydrogen bonds acting between molecules and van der Waals forces of long-chain alkyl groups. Form.

これら例示した会合体は、最終的に3次元網目構造体を形成することで、その網目構造体の間に溶媒分子を取り込むことでゲルを形作ることができる。
このように、上記単位構成物はゲル化材として作用するため、配合具合を調整すれば、電解質の粘度に関係なく、所望の粘度(硬さ)のイオン伝導ゲルを作製することができ、液状の電解質であっても、上記単位構成物を溶解、混合するだけの簡易な操作でゲル化することができる。
These exemplified aggregates can form a gel by finally forming a three-dimensional network structure and incorporating solvent molecules between the network structures.
As described above, since the unit component acts as a gelling material, an ion conductive gel having a desired viscosity (hardness) can be produced regardless of the viscosity of the electrolyte by adjusting the blending condition. Even if it is electrolyte of this, it can be gelatinized by simple operation which only melt | dissolves and mixes the said unit component.

以下に、本発明を実施例に基づいて、さらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to these examples.

(イオン液体)
イオン液体としては、2EtIm/Tf、すなわちルイミダゾリウムをカチオンとし、トリフレートをアニオンとするものを用いた。
(Ionic liquid)
As the ionic liquid, 2EtIm / Tf, that is, loumidazolium as a cation and triflate as an anion was used.

(GDEの作製)
導電性炭素材料としてカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラックTMEC、BET表面積=800m/g)4.0gを準備し、これにジニトロジアンミン白金水溶液(Pt濃度1.0%)400gを加えて1時間撹拌したのち、さらに還元剤としてメタノール50gを混合し、1時間攪拌した。
その後、30分で80℃まで加温し、80℃で6時間撹拌した後、1時間かけて室温まで降温した。沈殿物を濾過した後、得られた固形物を減圧下85℃において12時間乾燥し、乳鉢で粉砕し、白金担持濃度46%の触媒(1)を得た。
(Production of GDE)
As a conductive carbon material, 4.0 g of carbon black (Ketjen Black TMEC manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., BET surface area = 800 m 2 / g) was prepared, and 400 g of dinitrodiammine platinum aqueous solution (Pt concentration: 1.0%) was prepared. After stirring for 1 hour, 50 g of methanol was further mixed as a reducing agent and stirred for 1 hour.
Then, it heated up to 80 degreeC in 30 minutes, and stirred at 80 degreeC for 6 hours, Then, it cooled to room temperature over 1 hour. After filtering the precipitate, the obtained solid was dried under reduced pressure at 85 ° C. for 12 hours and pulverized in a mortar to obtain a catalyst (1) having a platinum loading concentration of 46%.

上記によって得られた触媒(1)に、その質量に対して2倍量のエタノールを加え、減圧脱泡操作を5分間加えた。これに、0.5倍量のn−プロピルアルコールを加え、さらにPTFEディスパージョンを加えた。
溶液中におけるPTFEの含有量については、上記触媒(1)のカーボン質量に対する固形分質量比が、Carbon/PTFE=1.0/0.5となるように調整した。
To the catalyst (1) obtained above, twice the amount of ethanol was added with respect to its mass, and a vacuum degassing operation was added for 5 minutes. To this, 0.5 times the amount of n-propyl alcohol was added, and further PTFE dispersion was added.
About content of PTFE in a solution, solid content mass ratio with respect to the carbon mass of the said catalyst (1) was adjusted so that it might become Carbon / PTFE = 1.0 / 0.5.

得られた混合スラリーを超音波ホモジナイザーでよく分散させ、減圧脱泡操作を加えることによって触媒スラリーを作製した。これをPTFEシートの片面にスクリーン印刷法によって、所望の厚さに応じた量の触媒スラリーを印刷し、60℃で24時間乾燥させた。なお、形成される触媒層のサイズは、5cm×5cmとした。   The obtained mixed slurry was well dispersed with an ultrasonic homogenizer, and a catalyst slurry was prepared by applying a vacuum degassing operation. An amount of catalyst slurry corresponding to the desired thickness was printed on one side of the PTFE sheet by screen printing, and dried at 60 ° C. for 24 hours. The size of the formed catalyst layer was 5 cm × 5 cm.

そして、PTFEシート上に形成された電極触媒層とカーボンペーパー(ガス拡散層)を重ね合わせ、その後、110℃、1.0MPaで10分間ホットプレスを行った。
このとき、電極触媒層の厚さを変えるために、表1にまとめて示すようにカーボン上の白金濃度と白金担持量を変更した都合20種類のGDE(ガス拡散電極)を作製した。なお、電極触媒層の厚さは、SEM(走査型電子顕微鏡)によって確認した。
Then, the electrode catalyst layer formed on the PTFE sheet and the carbon paper (gas diffusion layer) were superposed, and then hot pressed at 110 ° C. and 1.0 MPa for 10 minutes.
At this time, in order to change the thickness of the electrode catalyst layer, 20 types of GDEs (gas diffusion electrodes) having different platinum concentrations and platinum loadings on carbon as shown in Table 1 were prepared. The thickness of the electrode catalyst layer was confirmed by SEM (scanning electron microscope).

Figure 2007335259
Figure 2007335259

(MEAの作製)
図5は、MEA(膜電極接合体)の作製手順を示すものであって、先ず、上記イオン液体2EtIm/Tf中で、2ハイドロキシエチルメタクレート(HEMA)をラジカル重合させることによって、複合高分子電解質を合成した。
すなわち、上記イオン液体2EtIm/Tfと、HEMAモル比で5:5となるように混合し、混合液を作製したのち、このイオン液体とアクリル系モノマーの混合液に、重合開始剤である過酸化ベンゾイル(Benzoyl peroxide)を0.5%混合し、PTFEを主材料とする多孔質膜に含浸する一方、上記で得られたGDEにも当該混合液をそれぞれ塗布した。
(Production of MEA)
FIG. 5 shows a production procedure of MEA (membrane electrode assembly). First, a composite polymer is obtained by radical polymerization of 2 hydroxyethyl methacrylate (HEMA) in the ionic liquid 2EtIm / Tf. An electrolyte was synthesized.
That is, the ionic liquid 2EtIm / Tf was mixed at a HEMA molar ratio of 5: 5 to prepare a mixed liquid, and then a peroxide as a polymerization initiator was added to the mixed liquid of the ionic liquid and the acrylic monomer. Benzoyl (Benzoyl peroxide) was mixed at 0.5% and impregnated in a porous membrane mainly composed of PTFE, while the mixed solution was also applied to the GDE obtained above.

以上のように、イオン液体とアクリル系モノマーと重合開始剤の混合液を含浸又は塗布した多孔質膜とGDEを80℃で1時間加熱することにより上記モノマーを重合させた後、多孔質膜を2枚のGDEで挟み込み、80℃の温度で24時間加圧しながら加熱し、重合させて接合することによって、MEAを作製した。
なお、当該実施例においては、上記したように、高分子モノマーとしてHEMAを用いたが、これ以外には、例えば、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリメタクリル酸メチル、ポリフッ化ビニリデン等、さらに、各種アクリル酸系モノマー、メタクリル酸系モノマー、アクリルアミド系モノマー、アリル系モノマー、スチレン系モノマー、エポキシ系モノマーの重合体などを用いても差し支えない。
As described above, after porous polymer impregnated or coated with a mixed solution of an ionic liquid, an acrylic monomer, and a polymerization initiator and GDE are heated at 80 ° C. for 1 hour, the above-mentioned monomer is polymerized, An MEA was produced by sandwiching between two GDEs, heating while applying pressure at a temperature of 80 ° C. for 24 hours, polymerizing and joining.
In this example, as described above, HEMA was used as the polymer monomer. However, other than this, for example, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polyvinylidene fluoride, etc. Various acrylic acid monomers, methacrylic acid monomers, acrylamide monomers, allyl monomers, styrene monomers, and epoxy monomers may be used.

次に、上記で得られたMEAを用いた固体高分子形燃料電池の発電性能について調査した。なお、以下の実験は全て室温で行ったものである。
図6は、この実施例で用いた燃料電池セルの概略図を示すものであって、先の手順で作製したMEAをカーボンセパレータで挟み、カーボンセパレータに刻まれたガス流路に水素及び酸素をそれぞれ供給して発電を行う構成である。
Next, the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell using the MEA obtained above was investigated. The following experiments were all conducted at room temperature.
FIG. 6 shows a schematic diagram of the fuel cell used in this example. The MEA produced in the previous procedure was sandwiched between carbon separators, and hydrogen and oxygen were introduced into the gas flow path carved in the carbon separator. It is the structure which each supplies and generates electric power.

その結果を図7に示す。なお、発電性能の評価条件としては、アノードH(SR:1.3)、カソードO(SR:1.3)、セル温度120℃、無加湿とし、0.9Vにおける電流密度を測定した。 The result is shown in FIG. As evaluation conditions for power generation performance, anode H 2 (SR: 1.3), cathode O 2 (SR: 1.3), cell temperature of 120 ° C., no humidification, and current density at 0.9 V were measured. .

図7の結果から明らかなように、白金担持量が何れの場合でも、10μmを境に、触媒層厚さの寄与率が変わり、10μm以下の領域では、電流密度の向上代が大きくなる効果が得られる。   As is clear from the results of FIG. 7, the contribution ratio of the catalyst layer thickness changes at 10 μm as a boundary regardless of the amount of platinum supported, and in the region of 10 μm or less, the effect of increasing the current density is large. can get.

すなわち、触媒層厚さが10μm以下の領域では、プロトン及び反応ガスの白金触媒への供給が十分であるため、プロトン拡散の抵抗を下げた効果が十分現れたことを示す。触媒層が10μmを超えた領域では、プロトンの白金への供給が不十分であるため、性能が悪化する。   That is, in the region where the catalyst layer thickness is 10 μm or less, the supply of protons and reaction gas to the platinum catalyst is sufficient, and thus the effect of lowering the resistance of proton diffusion is sufficiently exhibited. In the region where the catalyst layer exceeds 10 μm, the supply of protons to platinum is insufficient, so the performance deteriorates.

なお、上記実施例においては、98%という白金の高濃度担持を実施した。通常、貴金属担持濃度が上昇すると、貴金属の凝集から白金触媒の表面積が低下するものであるが、この実施例においては、白金表面積の低下によるものと思われるような性能低下は認められなかった。
この原因は必ずしも明らかではないが、白金表面積と、触媒相中で三相界面が構成されることにより実質活性点となる有効活性表面積とが、必ずしも一致しないことによるものと考えられる。
In the above example, platinum was supported at a high concentration of 98%. Normally, when the noble metal loading concentration increases, the surface area of the platinum catalyst decreases due to the aggregation of the noble metal. In this example, however, no performance decrease that seems to be due to a decrease in the platinum surface area was observed.
Although the cause of this is not necessarily clear, it is considered that the platinum surface area and the effective active surface area that becomes a substantially active point by forming a three-phase interface in the catalyst phase do not always coincide.

本発明に適用されるイオン液体に適用可能なカチオン成分の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the cation component applicable to the ionic liquid applied to this invention. 本発明に適用されるイオン液体に適用可能なアニオン成分の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the anion component applicable to the ionic liquid applied to this invention. 本発明においてイオン液体を固定化するのに用いる3次元網目構造体の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the three-dimensional network structure used in order to fix an ionic liquid in this invention. 上記3次元網目構造体の他の例を示す概略図である。It is the schematic which shows the other example of the said three-dimensional network structure. 本発明の固体高分子形燃料電池用電極を用いた膜電極接合体の製造手順を示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacture procedure of the membrane electrode assembly using the electrode for polymer electrolyte fuel cells of this invention. 本発明の実施例で用いた固体高分子形燃料電池の概略構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows schematic structure of the polymer electrolyte fuel cell used in the Example of this invention. 本発明の実施例による各固体高分子形燃料電池における触媒層の厚さと発電性能の関係を示すグラフである。3 is a graph showing the relationship between the thickness of a catalyst layer and power generation performance in each polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention.

Claims (7)

ガス拡散層と触媒層を備えた固体高分子形燃料電池用電極において、
上記触媒層が白金を担持したカーボン担体と、プロトン伝動性を備えたイオン液体と、該イオン液体を固定化する有機化合物から形成され、当該触媒層の厚さが1〜10μmであることを特徴とする固体高分子形燃料電池用電極。
In a polymer electrolyte fuel cell electrode having a gas diffusion layer and a catalyst layer,
The catalyst layer is formed of a carbon support carrying platinum, an ionic liquid having proton conductivity, and an organic compound that immobilizes the ionic liquid, and the catalyst layer has a thickness of 1 to 10 μm. An electrode for a polymer electrolyte fuel cell.
上記イオン液体が分子性カチオンと分子性アニオンにより構成される電解質であることを特徴とする請求項1に記載の固体高分子形燃料電池用電極。   2. The polymer electrolyte fuel cell electrode according to claim 1, wherein the ionic liquid is an electrolyte composed of a molecular cation and a molecular anion. 上記カーボン担体の比表面積が200〜1100m/gであることを特徴とする請求項1又は2に記載の固体高分子形燃料電池用電極。 3. The polymer electrolyte fuel cell electrode according to claim 1, wherein the carbon support has a specific surface area of 200 to 1100 m 2 / g. 上記有機化合物が高分子モノマーを前駆体とするものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の固体高分子形燃料電池用電極。   The electrode for a solid polymer fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the organic compound has a polymer monomer as a precursor. 上記有機化合物がポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリメタクリル酸メチル及びポリフッ化ビニリデンから成る群から選ばれた少なくとも1種の重合体及び/又はアクリル酸系モノマー、メタクリル酸系モノマー、アクリルアミド系モノマー、アリル系モノマー、スチレン系モノマー及びエポキシ系モノマーから成る群から選ばれた少なくとも1種のモノマーの重合体であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の固体高分子形燃料電池用電極。   The organic compound is at least one polymer selected from the group consisting of polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, and polyvinylidene fluoride, and / or acrylic acid monomers, methacrylic monomers, and acrylamide monomers. 5. A polymer of at least one monomer selected from the group consisting of allylic monomers, styrenic monomers, and epoxy monomers, according to claim 1. Electrode for molecular fuel cell. 上記有機化合物がナノサイズの繊維状会合体から形成される3次元網目構造を有していることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の固体高分子形燃料電池用電極。   5. The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the organic compound has a three-dimensional network structure formed from nano-sized fibrous aggregates. electrode. 請求項1〜6のいずれか1つの項に記載の電極を用いたことを特徴とする固体高分子形燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell using the electrode according to any one of claims 1 to 6.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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