JP2009129646A - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Kensaku Kodama
健作 兒玉
Hajime Murata
元 村田
Tatsuya Hatanaka
達也 畑中
Fusayoshi Miura
房美 三浦
Yasushi Takahashi
靖 高橋
Manabu Kato
加藤  学
Kazumine Kimura
和峰 木村
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Toyota Central R&D Labs Inc
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Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte fuel cell which is less in reduction of battery performance due to deterioration of a catalyst metal. <P>SOLUTION: The polymer electrolyte fuel cell contains one or more ions selected from the group consisting of trisbipyridyl iron ion ([Fe(dpy)<SB>3</SB>]<SP>2+</SP>or [Fe(dpy)<SB>3</SB>]<SP>3+</SP>) and trisphenanthroline iron ion ([Fe(phen)<SB>3</SB>]<SP>2+</SP>or [Fe(phen)<SB>3</SB>]<SP>3+</SP>) in an air electrode catalyst layer containing platinum as an electrode catalyst. The ion exchange ratio of these ions is preferable to be 10% or more. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に関し、さらに詳しくは、車載用動力源、定置型小型発電器、コジェネレーションシステム等として好適な固体高分子型燃料電池に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly to a polymer electrolyte fuel cell suitable as an in-vehicle power source, a stationary small power generator, a cogeneration system, and the like.

固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体(MEA)を基本単位とする。また、固体高分子型燃料電池において、電極は、一般に、拡散層と触媒層の二層構造をとる。拡散層は、触媒層に反応ガス及び電子を供給するためのものであり、カーボンペーパー、カーボンクロス等が用いられる。また、触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、一般に、白金等の電極触媒を担持したカーボンと固体高分子電解質との複合体からなる。   A solid polymer fuel cell has a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes are bonded to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane as a basic unit. In the polymer electrolyte fuel cell, the electrode generally has a two-layer structure of a diffusion layer and a catalyst layer. The diffusion layer is for supplying reaction gas and electrons to the catalyst layer, and carbon paper, carbon cloth, or the like is used. The catalyst layer is a part that becomes a reaction field for electrode reaction, and generally comprises a composite of carbon carrying an electrode catalyst such as platinum and a solid polymer electrolyte.

このようなMEAを構成する電解質膜あるいは触媒層内電解質には、耐酸化性に優れた全フッ素系電解質(高分子鎖内にC−H結合を含まない電解質。例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成(株)製)、フレミオン(登録商標、旭硝子(株)製)等。)を用いるのが一般的である。
また、全フッ素系電解質は、耐酸化性に優れるが、一般に極めて高価である。そのため、固体高分子型燃料電池の低コスト化を図るために、炭化水素系電解質(高分子鎖内にC−H結合を含み、C−F結合を含まない電解質)、又は、部分フッ素系電解質(高分子鎖内にC−H結合とC−F結合の双方を含む電解質)の使用も検討されている。
The electrolyte membrane or the catalyst layer electrolyte that constitutes such an MEA includes a perfluorinated electrolyte excellent in oxidation resistance (an electrolyte that does not contain a C—H bond in the polymer chain. For example, Nafion (registered trademark, DuPont). ), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), etc.) are generally used.
In addition, perfluorinated electrolytes are excellent in oxidation resistance but are generally very expensive. Therefore, in order to reduce the cost of the solid polymer fuel cell, a hydrocarbon electrolyte (an electrolyte that includes a C—H bond and does not include a C—F bond in a polymer chain) or a partial fluorine electrolyte The use of (electrolytes containing both C—H bonds and C—F bonds in the polymer chain) has also been studied.

しかしながら、固体高分子型燃料電池を車載用動力源等として実用化するためには、解決すべき課題が残されている。例えば、固体高分子型燃料電池を低コスト化するためには、白金等の高価な貴金属触媒の使用量を低減する必要があり、そのためには、微細な触媒粒子を均一に分散させる必要がある。しかしながら、貴金属触媒は、担体表面において凝集しやすいという問題がある。   However, in order to put the polymer electrolyte fuel cell into practical use as a vehicle-mounted power source, there remain problems to be solved. For example, in order to reduce the cost of a polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to reduce the amount of expensive noble metal catalyst such as platinum, and for that purpose, it is necessary to uniformly disperse fine catalyst particles. . However, the noble metal catalyst has a problem that it easily aggregates on the surface of the support.

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、白金とコバルト酸化物との複合微粒子からなる空気極用電極触媒が開示されている。同文献には、白金は、コバルト酸化物との親和性が大きいので、白金の電解質中への溶出を抑制できる点が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have heretofore been made.
For example, Patent Document 1 discloses an electrode catalyst for an air electrode composed of composite fine particles of platinum and cobalt oxide. This document describes that platinum has a high affinity with cobalt oxide, so that elution of platinum into the electrolyte can be suppressed.

また、特許文献2には、導電性担体に担持された白金系貴金属触媒を空気中50〜90℃でアニール処理することにより得られる固体高分子型燃料電池用電極触媒が開示されている。同文献には、アニール処理によって白金系貴金属触媒の表面に、所定量の酸素が保持・固定されるので、触媒の耐久性が向上する点が記載されている。   Patent Document 2 discloses an electrode catalyst for a polymer electrolyte fuel cell obtained by annealing a platinum-based noble metal catalyst supported on a conductive carrier at 50 to 90 ° C. in air. This document describes that the durability of the catalyst is improved because a predetermined amount of oxygen is held and fixed on the surface of the platinum-based noble metal catalyst by the annealing treatment.

また、特許文献3には、白金とコバルトの合金よりなり、白金の割合が原子比で67%以上75%であるリン酸型燃料電池用カソード触媒が開示されている。同文献には、白金とコバルトを合金化させることによって合金相が安定化するので、触媒の耐久性が向上する点が記載されている。   Patent Document 3 discloses a cathode catalyst for a phosphoric acid fuel cell that is made of an alloy of platinum and cobalt and has a platinum ratio of 67% to 75% in atomic ratio. This document describes that the alloy phase is stabilized by alloying platinum and cobalt, so that the durability of the catalyst is improved.

また、特許文献4には、Pt−Ti−Co三元合金からなるリン酸型燃料電池用の触媒が開示されている。同文献には、合金成分としてTiとCoを用いると、触媒活性と安定性の両者を高めることができる点が記載されている。
さらに、特許文献5には、Pt−Mo−Co三元合金からなるリン酸型燃料電池用の触媒が開示されている。同文献には、合金成分としてMoとCoを用いると、触媒活性と安定性の両者を高めることができる点が記載されている。
Patent Document 4 discloses a catalyst for a phosphoric acid fuel cell made of a Pt—Ti—Co ternary alloy. This document describes that the use of Ti and Co as alloy components can improve both catalytic activity and stability.
Further, Patent Document 5 discloses a catalyst for a phosphoric acid fuel cell made of a Pt—Mo—Co ternary alloy. This document describes that when Mo and Co are used as alloy components, both catalytic activity and stability can be improved.

特開2006−134613号公報JP 2006-134613 A 特開2004−349113号公報JP 2004-349113 A 特開2001−345107号公報JP 2001-345107 A 特開平5−135773号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-135773 特開平5−135772号公報JP 5-135772 A

一般に、燃料電池の空気極の触媒として使用される白金族元素(Pt、Pd、Rh、Ru、Ir)は、運転中に触媒層から溶出して膜内部に析出したり、触媒層で再析出して粒成長をきたし、電池性能が低下することが知られている。また、燃料極の触媒として使用されるPt−Ru合金においても、PtやRuの溶出あるいは粒成長により、電池性能が低下すると言われている。これらの電極の劣化は、運転電位の変動で促進されることが知られている。
これらによる電池性能低下を防止するために、特許文献1〜5に記載されるような対策が考えられているが、未だ十分ではない。
In general, platinum group elements (Pt, Pd, Rh, Ru, Ir) used as a catalyst for the air electrode of a fuel cell elute from the catalyst layer during operation and precipitate inside the membrane, or reprecipitate in the catalyst layer. Thus, it is known that grain growth occurs and battery performance decreases. In addition, it is said that the Pt—Ru alloy used as a fuel electrode catalyst also deteriorates in battery performance due to elution or grain growth of Pt and Ru. It is known that the deterioration of these electrodes is promoted by fluctuations in the operating potential.
In order to prevent the deterioration of battery performance due to these, measures as described in Patent Documents 1 to 5 are considered, but it is not sufficient yet.

本発明が解決しようとする課題は、触媒金属の劣化に起因する電池性能の低下が少ない固体高分子型燃料電池を提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell in which the decrease in cell performance due to deterioration of the catalyst metal is small.

上記課題を解決するために本発明に係る固体高分子型燃料電池は、電極触媒として白金を含む空気極触媒層中に、トリスビピリジル鉄イオン([Fe(dpy3)]2+、又は、[Fe(dpy)3]3+)、及びトリスフェナントロリン鉄イオン([Fe(phen)3]2+、又は、[Fe(phen)3]3+)からなる群から選ばれるいずれか1以上のイオンを含むことを要旨とする。 In order to solve the above problems, a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes trisbipyridyl iron ions ([Fe (dpy 3 )] 2+ , or [ Fe (dpy) 3 ] 3+ ) and any one or more ions selected from the group consisting of trisphenanthroline iron ions ([Fe (phen) 3 ] 2+ or [Fe (phen) 3 ] 3+ ) It is made to include.

空気極触媒層中に、トリスビピリジル鉄イオン及び/又はトリスフェナントロリン鉄イオンを含ませると、空気極触媒層からの白金の溶出を抑制することができる。これは、トリスビピリジル鉄イオン及び/又はトリスフェナントロリン鉄イオンが電極触媒から溶出した白金イオンの拡散を阻害するためと考えられる。   When trisbipyridyl iron ions and / or trisphenanthroline iron ions are included in the air electrode catalyst layer, elution of platinum from the air electrode catalyst layer can be suppressed. This is presumably because the trisbipyridyl iron ion and / or trisphenanthroline iron ion inhibits the diffusion of platinum ions eluted from the electrode catalyst.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体(MEA)を備えている。また、固体高分子型燃料電池は、通常、このようなMEAの両面を、ガス流路を備えたセパレータで挟持し、これを複数個積層したものからなる。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
A polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes are bonded to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane. In addition, the polymer electrolyte fuel cell is usually formed by sandwiching both sides of such an MEA with a separator having a gas flow path and laminating a plurality of them.

本発明において、固体高分子電解質膜の材質は、特に限定されるものではなく、種々の材料を用いることができる。
すなわち、固体高分子電解質膜の材質は、高分子鎖内にC−H結合を含み、かつC−F結合を含まない炭化水素系電解質、及び高分子鎖内にC−F結合を含むフッ素系電解質のいずれであっても良い。また、フッ素系電解質は、高分子鎖内にC−H結合とC−F結合の双方を含む部分フッ素系電解質であっても良く、あるいは、高分子鎖内にC−F結合を含み、かつC−H結合を含まない全フッ素系電解質であっても良い。
なお、フッ素系電解質は、フルオロカーボン構造(−CF2−、−CFCl−)の他、クロロカーボン構造(−CCl2−)や、その他の構造(例えば、−O−、−S−、−C(=O)−、−N(R)−等。但し、「R」は、アルキル基)を備えていてもよい。また、固体高分子電解質膜を構成する高分子の分子構造は、特に限定されるものではなく、直鎖状又は分岐状のいずれであっても良く、あるいは環状構造を備えていても良い。
In the present invention, the material of the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited, and various materials can be used.
That is, the material of the solid polymer electrolyte membrane is a hydrocarbon-based electrolyte containing a C—H bond in the polymer chain and not containing a C—F bond, and a fluorine-based material containing a C—F bond in the polymer chain. Any of electrolytes may be used. Further, the fluorine-based electrolyte may be a partial fluorine-based electrolyte containing both C—H bonds and C—F bonds in the polymer chain, or contains C—F bonds in the polymer chain, and A perfluorinated electrolyte containing no C—H bond may be used.
In addition to the fluorocarbon structure (—CF 2 —, —CFCl—), the fluorine-based electrolyte includes a chlorocarbon structure (—CCl 2 —) and other structures (eg, —O—, —S—, —C ( ═O) —, —N (R) —, etc. provided that “R” may be an alkyl group). The molecular structure of the polymer constituting the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited, and may be either linear or branched, or may have a cyclic structure.

また、固体高分子電解質に備えられる酸基の種類についても、特に限定されるものではない。酸基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、スルホンイミド基等がある。固体高分子電解質には、これらの酸基の内、いずれか1種類のみが含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。さらに、これらの酸基は、直鎖状固体高分子化合物に直接結合していても良く、あるいは、分枝状固体高分子化合物の主鎖又は側鎖のいずれかに結合していても良い。   Also, the type of acid group provided in the solid polymer electrolyte is not particularly limited. Examples of the acid group include a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, and a sulfonimide group. Only one of these acid groups may be contained in the solid polymer electrolyte, or two or more of them may be contained. Furthermore, these acid groups may be directly bonded to the linear solid polymer compound, or may be bonded to either the main chain or the side chain of the branched solid polymer compound.

炭化水素系電解質としては、具体的には、
(1)高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の酸基が導入されたポリアミド、ポリアセタール、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル系樹脂、ポリエステル、ポリサルホン、ポリエーテル等、及びこれらの誘導体(脂肪族炭化水素系電解質)、
(2)高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の酸基が導入されたポリスチレン、芳香環を有するポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリサルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート等、及びこれらの誘導体(部分芳香族炭化水素系電解質)、
(3)高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の酸基が導入されたポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニレン、ポリフェニレンエーテル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエステル、ポリフェニレンサルファイド等、及びこれらの誘導体(全芳香族炭化水素系電解質)、
等が好適な一例として挙げられる。
Specifically, as the hydrocarbon electrolyte,
(1) Polyamide, polyacetal, polyethylene, polypropylene, acrylic resin, polyester, polysulfone, polyether, etc. in which an acid group such as a sulfonic acid group is introduced into any of the polymer chains, and derivatives thereof (aliphatic hydrocarbons) System electrolyte),
(2) Polystyrene having an acid group such as a sulfonic acid group introduced into any of the polymer chains, polyamide having an aromatic ring, polyamideimide, polyimide, polyester, polysulfone, polyetherimide, polyethersulfone, polycarbonate, and the like, and These derivatives (partial aromatic hydrocarbon electrolytes),
(3) Polyetheretherketone, polyetherketone, polysulfone, polyethersulfone, polyimide, polyetherimide, polyphenylene, polyphenylene ether, polycarbonate, in which an acid group such as a sulfonic acid group is introduced into any of the polymer chains, Polyamide, polyamideimide, polyester, polyphenylene sulfide, etc., and derivatives thereof (fully aromatic hydrocarbon electrolytes),
Etc. are mentioned as a suitable example.

また、部分フッ素系電解質としては、具体的には、高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の酸基が導入されたポリスチレン−グラフト−エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(以下、これを「PS−g−ETFE」という。)、ポリスチレン−グラフト−ポリテトラフルオロエチレン等、及びこれらの誘導体が好適な一例として挙げられる。
また、全フッ素系電解質としては、具体的には、デュポン社製ナフィオン(登録商標)、旭化成(株)製アシプレックス(登録商標)、旭硝子(株)製フレミオン(登録商標)等、及びこれらの誘導体が好適な一例として挙げられる。
As the partial fluorine-based electrolyte, specifically, a polystyrene-graft-ethylenetetrafluoroethylene copolymer (hereinafter referred to as “PS”) in which an acid group such as a sulfonic acid group is introduced into any of the polymer chains. -G-ETFE "), polystyrene-graft-polytetrafluoroethylene, and derivatives thereof.
Further, as the perfluorinated electrolyte, specifically, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., etc. A suitable example is a derivative.

さらに、本発明において、MEAを構成する固体高分子電解質膜は、固体高分子電解質のみからなるものであっても良く、あるいは、多孔質材料、長繊維材料、短繊維材料等からなる補強材を含む複合体であっても良い。   Furthermore, in the present invention, the solid polymer electrolyte membrane constituting the MEA may be composed only of a solid polymer electrolyte, or a reinforcing material composed of a porous material, a long fiber material, a short fiber material, or the like. It may be a complex containing.

これらの中でも、フッ素系電解質、特に全フッ素系電解質は、高分子鎖内にC−F結合を有しており、耐酸化性に優れているので、これに対して本発明を適用すれば、耐酸化性及び耐久性に優れた固体高分子型燃料電池が得られる。   Among these, fluorinated electrolytes, particularly perfluorinated electrolytes, have a C—F bond in the polymer chain and are excellent in oxidation resistance. Therefore, if the present invention is applied thereto, A polymer electrolyte fuel cell excellent in oxidation resistance and durability can be obtained.

MEAを構成する電極は、通常、触媒層と拡散層の二層構造を取るが、触媒層のみによって構成される場合もある。電極が触媒層と拡散層の二層構造を取る場合、電極は、触媒層を介して電解質膜に接合される。   The electrode constituting the MEA usually has a two-layer structure of a catalyst layer and a diffusion layer, but may be constituted only by the catalyst layer. When the electrode has a two-layer structure of a catalyst layer and a diffusion layer, the electrode is joined to the electrolyte membrane via the catalyst layer.

触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、電極触媒又は電極触媒を担持した担体と、その周囲を被覆する触媒層内電解質とを備えている。一般に、電極触媒には、MEAの使用目的、使用条件等に応じて最適なものが用いられる。固体高分子型燃料電池の場合、電極触媒には、一般に、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム等若しくはこれらの1種若しくは2種以上を含む合金、又は、白金等の白金族元素と、コバルト、鉄、ニッケル等の遷移金属元素との合金が用いられる。触媒層に含まれる電極触媒の量は、MEAの用途、使用条件等に応じて最適な量が選択される。   The catalyst layer is a part serving as a reaction field for the electrode reaction, and includes an electrode catalyst or a carrier carrying the electrode catalyst, and an electrolyte in the catalyst layer covering the periphery thereof. In general, an optimum electrode catalyst is used depending on the purpose of use of MEA, use conditions, and the like. In the case of a polymer electrolyte fuel cell, the electrode catalyst generally includes platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium, etc., or an alloy containing one or more of these, or a platinum group element such as platinum and cobalt. Alloys with transition metal elements such as iron and nickel are used. As the amount of the electrode catalyst contained in the catalyst layer, an optimal amount is selected according to the use of MEA, use conditions, and the like.

触媒担体は、微粒の電極触媒を担持すると同時に、触媒層における電子の授受を行うためのものである。触媒担体には、一般に、カーボン、活性炭、フラーレン、カーボンナノフォーン、カーボンナノチューブ等が用いられる。触媒担体表面への電極触媒の担持量は、電極触媒及び触媒担体の材質、MEAの用途、使用条件等に応じて最適な担持量が選択される。   The catalyst carrier is for carrying a fine electrode catalyst and simultaneously transferring electrons in the catalyst layer. Generally, carbon, activated carbon, fullerene, carbon nanophone, carbon nanotube or the like is used as the catalyst carrier. As the amount of the electrode catalyst supported on the surface of the catalyst carrier, an optimum amount is selected according to the material of the electrode catalyst and the catalyst carrier, the use of the MEA, the use conditions, and the like.

触媒層内電解質は、固体高分子電解質膜と電極との間でプロトンの授受を行うためのものである。触媒層内電解質には、通常、固体高分子電解質膜を構成する材料と同一の材料が用いられるが、異なる材料を用いても良い。触媒層内電解質の量は、MEAの用途、使用条件等に応じて最適な量が選択される。   The electrolyte in the catalyst layer is for exchanging protons between the solid polymer electrolyte membrane and the electrode. For the electrolyte in the catalyst layer, the same material as that constituting the solid polymer electrolyte membrane is usually used, but a different material may be used. As the amount of the electrolyte in the catalyst layer, an optimal amount is selected according to the use of MEA, use conditions, and the like.

拡散層は、触媒層との間で電子の授受を行うと同時に、反応ガスを触媒層に供給するためのものである。拡散層には、一般に、カーボンペーパ、カーボンクロス等が用いられる。また、撥水性を高めるために、カーボンペーパ等の表面に、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性高分子の粉末とカーボンの粉末との混合物(撥水層)をコーティングしたものを拡散層として用いても良い。   The diffusion layer is for supplying and receiving a reaction gas to the catalyst layer at the same time as transferring electrons to and from the catalyst layer. Generally, carbon paper, carbon cloth, or the like is used for the diffusion layer. In order to increase water repellency, a surface of carbon paper or the like coated with a mixture of water repellent polymer powder such as polytetrafluoroethylene and carbon powder (water repellent layer) is used as a diffusion layer. Also good.

本発明に係る固体高分子型燃料電池は、上述した構成に加えて、以下の構成をさらに備えていることを特徴とする。
(イ) 空気極触媒層に、電極触媒として白金を含む。
(ロ) 空気極触媒層中に、トリスビピリジル鉄イオン([Fe(dpy)3]2+、又は、[Fe(dpy)3]3+)、及びトリスフェナントロリン鉄イオン([Fe(phen)3]2+、又は、[Fe(phen)3]3+)からなる群から選ばれるいずれか1以上のイオンを含む。
The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is characterized by further comprising the following configuration in addition to the configuration described above.
(A) The air electrode catalyst layer contains platinum as an electrode catalyst.
(B) In the air electrode catalyst layer, trisbipyridyl iron ion ([Fe (dpy) 3 ] 2+ or [Fe (dpy) 3 ] 3+ ) and trisphenanthroline iron ion ([Fe (phen) 3 ] 2+ or any one or more ions selected from the group consisting of [Fe (phen) 3 ] 3+ ).

本発明において、空気極触媒層に含まれる電極触媒は、白金のみからなるものでも良く、あるいは、白金と白金以外の貴金属との合金、白金と遷移金属の合金、又は、白金と白金以外の貴金属と遷移金属との合金であっても良い。
トリスビピリジル鉄イオン及びトリスフェナントロリン鉄イオンは、いずれも空気極触媒層に含まれる触媒層内電解質の酸基のプロトンとイオン交換する形で存在すると考えられている。空気極触媒層中に含まれるこれらのイオンの量は、目的に応じて任意に選択することができる。一般に、これらのイオンの量が多くなるほど、白金の溶出を抑制する効果が大きくなる。
白金の溶出を抑制するためには、これらのイオンによるイオン交換率は、10%以上が好ましい。なお、「イオン交換率」とは、触媒層内電解質に含まれる酸基の数に対するイオン交換された酸基の数の割合(%)をいう。
In the present invention, the electrode catalyst contained in the air electrode catalyst layer may be composed of only platinum, or an alloy of platinum and a noble metal other than platinum, an alloy of platinum and a transition metal, or a noble metal other than platinum and platinum. And an alloy of a transition metal.
Trisbipyridyl iron ions and trisphenanthroline iron ions are considered to be present in the form of ion exchange with protons of acid groups in the electrolyte in the catalyst layer contained in the air electrode catalyst layer. The amount of these ions contained in the air electrode catalyst layer can be arbitrarily selected according to the purpose. In general, the greater the amount of these ions, the greater the effect of suppressing the elution of platinum.
In order to suppress the elution of platinum, the ion exchange rate by these ions is preferably 10% or more. The “ion exchange rate” refers to the ratio (%) of the number of acid groups ion-exchanged to the number of acid groups contained in the electrolyte in the catalyst layer.

次に、本発明に係る固体高分子型燃料電池の製造方法について説明する。
トリスビピリジル鉄イオン、及び/又はトリスフェナントロリン鉄イオンを含む触媒層は、
(1) 電極触媒又はカーボン担体上に電極が担持されたものと触媒層内電解質とを適当な溶媒に溶解又は分散させて触媒インクとし、
(2) 触媒インクを適当な基板(例えば、ポリテトラフルオロエチレンシート)に塗布し、溶媒を除去して触媒シートとし、
(3) トリスビピリジル鉄イオン、及び/又はトリスフェナントロリン鉄イオンを含む溶液に触媒シートを浸漬し、触媒層内電解質の酸基の全部又は一部をイオン交換し、
(4) 触媒シートを洗浄する、
ことにより得られる。
イオン源には、
(1) [Fe(dpy)3]SO4、[Fe(dpy)3]Cl2、[Fe(dpy)3]Br2、[Fe(dpy)3]I2、[Fe(dpy)3](ClO4)3
(2) [Fe(phen)3]SO4
などを用いることができる。
得られた空気極用触媒シート及び通常の方法により作製した燃料極用触媒シートを電解質膜の両面に接合すれば、MEAが得られる。さらに、MEAの両面を、ガス流路を備えたセパレータで挟持し、これらを必要個数積層すれば、本発明に係る固体高分子型燃料電池が得られる。
Next, a method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described.
The catalyst layer containing trisbipyridyl iron ions and / or trisphenanthroline iron ions,
(1) A catalyst ink is prepared by dissolving or dispersing an electrode catalyst or an electrode supported on a carbon carrier and an electrolyte in the catalyst layer in an appropriate solvent,
(2) Apply the catalyst ink to a suitable substrate (for example, polytetrafluoroethylene sheet), remove the solvent to make a catalyst sheet,
(3) Immerse the catalyst sheet in a solution containing trisbipyridyl iron ions and / or trisphenanthroline iron ions, and ion-exchange all or part of the acid groups of the electrolyte in the catalyst layer,
(4) cleaning the catalyst sheet,
Can be obtained.
The ion source includes
(1) [Fe (dpy) 3 ] SO 4 , [Fe (dpy) 3 ] Cl 2 , [Fe (dpy) 3 ] Br 2 , [Fe (dpy) 3 ] I 2 , [Fe (dpy) 3 ] (ClO 4 ) 3 ,
(2) [Fe (phen) 3 ] SO 4 ,
Etc. can be used.
MEA can be obtained by joining the obtained catalyst sheet for air electrode and the catalyst sheet for fuel electrode prepared by a usual method to both surfaces of the electrolyte membrane. Further, if both sides of the MEA are sandwiched by separators having gas flow paths and a required number of them are stacked, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention can be obtained.

次に、本発明に係る固体高分子型燃料電池の作用について説明する。
空気極触媒層中に、トリスビピリジル鉄イオン及び/又はトリスフェナントロリン鉄イオンを含ませると、空気極触媒層からの白金の溶出を抑制することができる。これは、トリスビピリジル鉄イオン及び/又はトリスフェナントロリン鉄イオンが電極触媒から溶出した白金イオンの拡散を阻害するためと考えられる。
Next, the operation of the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described.
When trisbipyridyl iron ions and / or trisphenanthroline iron ions are included in the air electrode catalyst layer, elution of platinum from the air electrode catalyst layer can be suppressed. This is presumably because the trisbipyridyl iron ion and / or trisphenanthroline iron ion inhibits the diffusion of platinum ions eluted from the electrode catalyst.

[1. 実験方法]
[1.1. 空気極触媒層へのイオンの導入]
触媒層(Pt/カーボン/ナフィオンの混合比:0.45/0.55/0.41、Pt量:0.4mg・cm-2)を塗布したポリテトラフルオロエチレンシートを50mLの超純水に浸漬し、真空引きされているデシケータに入れた。
超純水に種々のイオンを含む溶液を加え、60℃で7時間放置した。触媒層内電解質中のスルホン酸基に対する親和性は、H+≪「その他のイオン」であるため、加えたイオンはスルホン酸基のH+と置き換わると考えられる。今回加えたイオン種(試薬)は、Co2+(CoSO4)、Ce3+(Ce2(SO4)3)、Fe2+(FeSO4)、Fe3+(Fe(NO3)3)、[Fe(dpy)3]2+([Fe(dpy)3]SO4)、[Fe(phen)3]2+([Fe(phen)3]SO4)、VO2+(VOSO4)、Ba2+(Ba(NO3)2)、H+(H2SO4)の8種類とした。加えたイオンのモル数は、「触媒層内電解質中のスルホン酸基のモル数/加えたカチオンの価数」以上となるようにした。
[1. experimental method]
[1.1. Introduction of ions into the air electrode catalyst layer]
A polytetrafluoroethylene sheet coated with a catalyst layer (Pt / carbon / Nafion mixing ratio: 0.45 / 0.55 / 0.41, Pt amount: 0.4 mg · cm −2 ) in 50 mL of ultrapure water It was immersed and placed in a desiccator that was evacuated.
A solution containing various ions was added to ultrapure water and allowed to stand at 60 ° C. for 7 hours. Since the affinity for the sulfonic acid group in the electrolyte in the catalyst layer is H + << “other ions”, the added ion is considered to replace H + of the sulfonic acid group. The ion species (reagents) added this time are Co 2+ (CoSO 4 ), Ce 3+ (Ce 2 (SO 4 ) 3 ), Fe 2+ (FeSO 4 ), Fe 3+ (Fe (NO 3 ) 3 ). , [Fe (dpy) 3 ] 2+ ([Fe (dpy) 3 ] SO 4 ), [Fe (phen) 3 ] 2+ ([Fe (phen) 3 ] SO 4 ), VO 2+ (VOSO 4 ) , Ba 2+ (Ba (NO 3 ) 2 ), and H + (H 2 SO 4 ). The number of moles of added ions was set to be equal to or greater than “the number of moles of sulfonic acid groups in the electrolyte in the catalyst layer / the valence of added cations”.

[1.2. 膜電極接合体の作製]
カソードには上記処理後の触媒層を、アノードには別の触媒層(Pt/カーボン/ナフィオンの混合比:0.6/0.4/0.4、Pt量:0.2mg・cm-2)を用い、これらを全フッ素系電解質膜へ接合した(ホットプレス条件:120℃、15min、500N・cm-2)。
[1.2. Preparation of membrane electrode assembly]
The catalyst layer after the above treatment is applied to the cathode, and another catalyst layer (Pt / carbon / Nafion mixing ratio: 0.6 / 0.4 / 0.4, Pt amount: 0.2 mg · cm −2). These were joined to a perfluorinated electrolyte membrane (hot press conditions: 120 ° C., 15 min, 500 N · cm −2 ).

[1.3. 耐久試験]
上記MEAを単セルに組み付け、セルの温度を80℃とし、アノードに水素を、カソードに窒素を供給した。水素及び窒素ともに、供給条件は、0.1L・min-1、0.1MPa、RH100%とした。
カソードの電位を1.0Vで30s保持した後、0.6Vで30s保持することを繰り返した。試験中に50分おきに、カソードの有効白金表面積(ECSA)を測定するために、サイクリックボルタンメトリー(0.09V⇔0.5V、0.05V・s-1)を行った。
[1.3. An endurance test]
The MEA was assembled in a single cell, the cell temperature was 80 ° C., hydrogen was supplied to the anode, and nitrogen was supplied to the cathode. The supply conditions for both hydrogen and nitrogen were 0.1 L · min −1 , 0.1 MPa, and RH 100%.
After maintaining the cathode potential at 1.0 V for 30 s, holding at 0.6 V for 30 s was repeated. Cyclic voltammetry (0.09 V⇔0.5 V, 0.05 V · s −1 ) was performed every 50 minutes during the test to measure the effective platinum surface area (ECSA) of the cathode.

[2. 結果]
図1に、[1.1.]においてH+を加えて作製したMEAの耐久試験時間に対するECSAの変化を示す。図1より、時間とともにECSAが減少していることがわかる。ここで、ECSAの減少率が、その時のECSA(S(t))に比例すると仮定すると、次の(1)式が得られる。
dS(t)/dt=−kS(t) ・・・(1)
(1)式を積分すると、次の(2)式が得られる。
S(t)=S0exp(−kt) ・・・(2)
kは、触媒劣化の起こりやすさを表すと考えることができる。以下では、これを劣化速度定数と呼ぶ。(2)式を用いて最小二乗フィッティングを行った結果得られた曲線が、図1中の実線である。
[2. result]
FIG. 1 shows [1.1. ] Shows the change of ECSA with respect to the durability test time of MEA produced by adding H + . FIG. 1 shows that the ECSA decreases with time. Here, assuming that the ECSA reduction rate is proportional to ECSA (S (t)) at that time, the following equation (1) is obtained.
dS (t) / dt = −kS (t) (1)
When the equation (1) is integrated, the following equation (2) is obtained.
S (t) = S 0 exp (−kt) (2)
k can be considered to represent the likelihood of catalyst degradation. Hereinafter, this is referred to as a deterioration rate constant. A curve obtained as a result of the least square fitting using the equation (2) is a solid line in FIG.

同様のフィッティングを他のサンプルについても行い、サンプルごとに劣化速度定数を算出した。表1に、その結果を示す。表1より、[Fe(dpy)3]2+、又は[Fe(phen)3]2+を加えた場合に、劣化速度定数が最も小さくなることがわかる。 Similar fitting was performed for other samples, and a degradation rate constant was calculated for each sample. Table 1 shows the results. From Table 1, it can be seen that the deterioration rate constant becomes the smallest when [Fe (dpy) 3 ] 2+ or [Fe (phen) 3 ] 2+ is added.

Figure 2009129646
Figure 2009129646

図2に、空気極触媒層内電解質を[Fe(dpy)3]2+イオンでイオン交換した時のイオン交換率とECSA維持率との関係を示す。「ECSA維持率」とは、耐久試験前のECSAに対する耐久試験後(試験時間:40時間)のECSAの比(%)をいう。図2より、イオン交換率が高くなるほどECSA維持率が高くなることがわかる。また、イオン交換率が10%以上になると、ECSA維持率が40%を超えることがわかる。 FIG. 2 shows the relationship between the ion exchange rate and the ECSA retention rate when the electrolyte in the air electrode catalyst layer is ion-exchanged with [Fe (dpy) 3 ] 2+ ions. The “ECSA maintenance rate” refers to the ratio (%) of ECSA after the durability test (test time: 40 hours) with respect to ECSA before the durability test. FIG. 2 shows that the higher the ion exchange rate, the higher the ECSA maintenance rate. It can also be seen that when the ion exchange rate is 10% or more, the ECSA maintenance rate exceeds 40%.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明に係る固体高分子型燃料電池は、車載用動力源、定置型小型発電器、コジェネレーションシステム等に適用することができる。   The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention can be applied to an in-vehicle power source, a stationary small power generator, a cogeneration system, and the like.

+で処理した触媒層の耐久試験時間と有効白金表面積(ECSA)との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the durability test time of a catalyst layer processed with H <+> , and an effective platinum surface area (ECSA). 空気極触媒層内電解質を[Fe(dpy)3]2+イオンでイオン交換した時のイオン交換率とECSA維持率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the ion exchange rate when the electrolyte in an air electrode catalyst layer is ion-exchanged with [Fe (dpy) 3 ] 2+ ion, and an ECSA maintenance factor.

Claims (2)

電極触媒として白金を含む空気極触媒層中に、トリスビピリジル鉄イオン([Fe(dpy)3]2+、又は、[Fe(dpy)3]3+)、及びトリスフェナントロリン鉄イオン([Fe(phen)3]2+、又は、[Fe(phen)3]3+)からなる群から選ばれるいずれか1以上のイオンを含む固体高分子型燃料電池。 In an air electrode catalyst layer containing platinum as an electrode catalyst, trisbipyridyl iron ions ([Fe (dpy) 3 ] 2+ or [Fe (dpy) 3 ] 3+ ) and trisphenanthroline iron ions ([Fe ( phen) 3 ] 2+ or [Fe (phen) 3 ] 3+ ), a polymer electrolyte fuel cell containing any one or more ions selected from the group consisting of: 前記イオンによるイオン交換率は、10%以上である請求項1に記載の固体高分子型燃料電池。   The solid polymer fuel cell according to claim 1, wherein an ion exchange rate by the ions is 10% or more.
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