JP2010257990A - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte fuel cell and a fuel cell system of low cost, high battery performance, and excellent durability. <P>SOLUTION: The polymer electrolyte fuel cell includes a membrane-electrode assembly with electrodes jointed to both sides of an electrolyte membrane, and peroxide decomposing catalyst containing hardly-soluble carbonate fixed to the electrolyte membrane and/or the electrode. The fuel cell system includes: the polymer electrolyte fuel cell; humidifying channels for supplying water and/or water vapor to the polymer electrolyte fuel cell and/or for collecting water and/or water vapor exhausted from the polymer electrolyte fuel cell; and the peroxide decomposing catalyst containing hardly-soluble carbonate fixed to either of the humidifying channels. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池及び燃料電池システムに関し、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及びこれを用いた燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell and a fuel cell system, and more particularly, to a polymer electrolyte fuel cell suitable as an in-vehicle power source, a stationary small generator, a cogeneration system, and the like, and a fuel using the same The present invention relates to a battery system.

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、炭化水素系電解質は、全フッ素系電解質に比べて安価であるが、過酸化物ラジカルにより劣化しやすいという問題がある。
また、電極反応を効率よく進行させるためには、触媒層内に電極触媒、電解質及び反応ガスが共存する三相界面を確保する必要がある。しかしながら、特にカソード側では、電極反応により生成した水あるいは反応ガスに含まれる水によって三相界面が閉塞する、いわゆるフラッディングが生じ、反応効率が低下しやすいという問題がある。
さらに、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, hydrocarbon electrolytes are less expensive than perfluorinated electrolytes, but have a problem that they are easily degraded by peroxide radicals.
Moreover, in order to advance an electrode reaction efficiently, it is necessary to ensure the three-phase interface in which an electrode catalyst, electrolyte, and reaction gas coexist in a catalyst layer. However, on the cathode side in particular, there is a problem that so-called flooding occurs in which the three-phase interface is clogged with water generated by the electrode reaction or water contained in the reaction gas, and the reaction efficiency tends to be lowered.
Furthermore, in order to reduce the cost of the 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、炭化水素系電解質に酸化マンガン、酸化ルテニウム、酸化イリジウム等の遷移金属酸化物微粒子を分散させた高耐久固体高分子電解質が開示されている。同文献には、炭化水素系電解質膜中に酸化ルテニウム等を分散させることによって、膜の耐酸化性が向上す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 a highly durable solid polymer electrolyte in which transition metal oxide fine particles such as manganese oxide, ruthenium oxide, and iridium oxide are dispersed in a hydrocarbon electrolyte. This document describes that the oxidation resistance of the membrane is improved by dispersing ruthenium oxide or the like in the hydrocarbon electrolyte membrane.

また、特許文献2には、炭化水素系固体高分子電解質膜に、酸化マンガン、酸化ルテニウム等の遷移金属酸化物触媒、あるいは、鉄フタロシアニン、銅フタロシアニン等の大環状金属錯体触媒を添加した固体高分子電解質膜が開示されている。同文献には、炭化水素系電解質に遷移金属酸化物触媒あるいは大環状金属錯体触媒を添加すると、電極反応の副反応により生じた過酸化水素が遷移金属酸化物触媒あるいは大環状金属錯体触媒によって分解され、炭化水素系電解質の耐酸化性が向上する点が記載されている。   Patent Document 2 discloses a solid polymer electrolyte membrane in which a transition metal oxide catalyst such as manganese oxide or ruthenium oxide or a macrocyclic metal complex catalyst such as iron phthalocyanine or copper phthalocyanine is added to a hydrocarbon solid polymer electrolyte membrane. A molecular electrolyte membrane is disclosed. In this document, when a transition metal oxide catalyst or a macrocyclic metal complex catalyst is added to a hydrocarbon-based electrolyte, hydrogen peroxide generated by the side reaction of the electrode reaction is decomposed by the transition metal oxide catalyst or the macrocyclic metal complex catalyst. The point that the oxidation resistance of the hydrocarbon electrolyte is improved is described.

また、特許文献3には、無水フッ化水素酸、フッ化カリウム及びフッ素系界面活性剤を含む電解液中において、カーボンペーパーを陽極として電気分解を行う電極の製造方法が開示されている。同文献には、このような方法によって電極基体の表面に撥水性フッ化カーボン層を形成することができる点、及び、このような方法により得られた電極は、撥水性に優れている点が記載されている。   Patent Document 3 discloses an electrode manufacturing method in which electrolysis is performed using carbon paper as an anode in an electrolytic solution containing anhydrous hydrofluoric acid, potassium fluoride, and a fluorine-based surfactant. In this document, the water repellent carbon fluoride layer can be formed on the surface of the electrode substrate by such a method, and the electrode obtained by such a method has excellent water repellency. Are listed.

また、特許文献4には、炭素粒子の表面にチタン層を形成し、チタン層の上に白金粒子を担持させた燃料電池用触媒担持粒子、及び、炭素粒子の表面に炭化ジルコニウム層を形成し、炭化ジルコニウム層の上に白金粒子を担持させた燃料電池用触媒担持粒子が開示されている。同文献には、炭素粒子の表面にチタン層、炭化ジルコニウム層等からなる接着層を形成し、その上に白金粒子を担持させることによって、白金粒子の凝集が抑制される点、及び、白金粒子と炭素粒子との接触面積が増し、両者の接触抵抗が小さくなる点が記載されている。
さらに、特許文献5には、オレフィンの酸化反応に過酸化水素水とパーフルオロアルキル基を有するスルホン酸の希土類塩を触媒として用い、Sc、La、Yb、Yが特に有効である点が記載されている。また、特許文献6には、排水処理を過酸化水素水を用いて行う場合、遷移金属イオン、例えば、Fe、Cu等のイオンが有機物の酸化に触媒作用がある旨が記載されている。
In Patent Document 4, a titanium layer is formed on the surface of carbon particles, and catalyst-supporting particles for fuel cells in which platinum particles are supported on the titanium layer, and a zirconium carbide layer is formed on the surface of the carbon particles. Further, there are disclosed fuel cell catalyst supporting particles in which platinum particles are supported on a zirconium carbide layer. In this document, the formation of an adhesion layer composed of a titanium layer, a zirconium carbide layer, or the like on the surface of carbon particles, and supporting platinum particles thereon, the aggregation of platinum particles is suppressed, and the platinum particles The point that the contact area between the carbon particle and the carbon particle increases and the contact resistance between the two decreases is described.
Further, Patent Document 5 describes that Sc, La, Yb, and Y are particularly effective in the use of a hydrogen peroxide solution and a rare earth salt of a sulfonic acid having a perfluoroalkyl group as a catalyst for the olefin oxidation reaction. ing. Patent Document 6 describes that when wastewater treatment is performed using hydrogen peroxide, transition metal ions, for example, ions such as Fe and Cu have a catalytic action on oxidation of organic substances.

特開2001−118591号公報JP 2001-118591 A 特開2000−106203号公報JP 2000-106203 A 特開平10−284088号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-284088 特開2003−346814号公報JP 2003-346814 A 特開2001−79417号公報JP 2001-79417 A 特開2003−154332号公報JP 2003-154332 A

Pt、Ru、Ir、Rh等の貴金属又はこれらの酸化物は、過酸化物を分解させる作用を有している。そのため、これらの粉末を炭化水素系電解質又は部分フッ素系電解質に添加すると、過酸化物ラジカルの発生が抑制され、耐酸化性を向上させることができる。しかしながら、貴金属は資源量が少なく、高価であるので、この方法は実用的ではない。
一方、大環状金属錯体や遷移金属酸化物は、過酸化水素を分解する作用があり、しかも、貴金属に比べて安価である。しかしながら、これらは、化学的安定性が不十分なものが多く、実用上十分な耐久性が得られない場合がある。
Noble metals such as Pt, Ru, Ir, Rh or their oxides have an action of decomposing peroxides. Therefore, when these powders are added to a hydrocarbon-based electrolyte or a partial fluorine-based electrolyte, generation of peroxide radicals is suppressed, and oxidation resistance can be improved. However, this method is not practical because noble metals are low in resources and expensive.
On the other hand, macrocyclic metal complexes and transition metal oxides have an action of decomposing hydrogen peroxide and are less expensive than noble metals. However, many of these have insufficient chemical stability, and in some cases, sufficient durability for practical use cannot be obtained.

さらに、全フッ素系電解質は、従来、過酸化物ラジカルに対する耐性が高く、過酸化物ラジカルが共存する環境下において長期間使用した場合であっても、劣化しないと考えられていた。しかしながら、本願発明者らは、全フッ素系電解質といえども、燃料電池の作動条件下で長時間使用すると、経時劣化することを見出した。そのため、要求される耐酸化性のレベルが高い用途に対しては、電解質の耐久性をさらに向上させることが望まれている。   Further, perfluorinated electrolytes have hitherto been considered to be highly resistant to peroxide radicals and not deteriorate even when used for a long time in an environment where peroxide radicals coexist. However, the present inventors have found that even a perfluorinated electrolyte deteriorates with time when used for a long time under the operating conditions of a fuel cell. Therefore, it is desired to further improve the durability of the electrolyte for applications requiring a high level of oxidation resistance.

本発明が解決しようとする課題は、低コストであり、電池性能が高く、かつ、耐久性に優れた固体高分子型燃料電池及び燃料電池システムを提供することにある。また、本発明が解決しようとする他の課題は、全フッ素系電解質を用いた固体高分子型燃料電池及び燃料電池システムにおいて、全フッ素系電解質の耐久性を向上させることにある。   The problem to be solved by the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell and a fuel cell system that are low in cost, high in battery performance, and excellent in durability. Another problem to be solved by the present invention is to improve the durability of a perfluorinated electrolyte in a polymer electrolyte fuel cell and a fuel cell system using a perfluorinated electrolyte.

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、電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体と、前記電解質膜及び/又は電極に固定された、難溶性の炭酸塩を含む過酸化物分解触媒とを備えていることを要旨とする。
また、本発明に係る燃料電池システムは、固体高分子型燃料電池と、該固体高分子型燃料電池に水及び/若しくは水蒸気を供給し、並びに/又は、前記固体高分子型燃料電池から排出される水及び/若しくは水蒸気を回収するための加湿経路と、該加湿経路のいずれかに固定された、難溶性の炭酸塩を含む過酸化物分解触媒とを備えていることを要旨とする。
In order to solve the above problems, a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes a membrane electrode assembly in which electrodes are joined to both surfaces of an electrolyte membrane, and a poorly soluble material fixed to the electrolyte membrane and / or the electrode. And a peroxide decomposition catalyst containing a carbonate of the above.
The fuel cell system according to the present invention includes a polymer electrolyte fuel cell, and supplies water and / or water vapor to the polymer electrolyte fuel cell and / or is discharged from the polymer electrolyte fuel cell. And a peroxide decomposition catalyst containing a sparingly soluble carbonate fixed to any one of the humidification paths.

ある種の炭酸塩は、高温、低pHの水中において比較的安定であり、相対的に高い過酸化物分解作用を有し、しかも、貴金属系の過酸化物分解触媒に比べて安価である。そのため、これを電解質膜及び/又は電極に固定すれば、製造コストを大幅に上昇させることなく、過酸化物ラジカルによる電解質の劣化を抑制することができる。また、全フッ素系電解質を用いた膜電極接合体のいずれかに過酸化物分解触媒を固定すると、全フッ素系電解質の劣化が抑制され、固体高分子型燃料電池の耐久性がさらに向上する。
さらに、本発明に係る燃料電池システムは、加湿経路のいずれかに難溶性の炭酸塩を含む過酸化物分解触媒が固定されているので、製造コストを大幅に上昇させることなく、過酸化物ラジカルによる電解質の劣化を抑制することができる。
Certain carbonates are relatively stable in water at high temperature and low pH, have a relatively high peroxide decomposition action, and are less expensive than noble metal-based peroxide decomposition catalysts. Therefore, if this is fixed to the electrolyte membrane and / or electrode, deterioration of the electrolyte due to peroxide radicals can be suppressed without significantly increasing the manufacturing cost. In addition, when a peroxide decomposition catalyst is fixed to any membrane electrode assembly using a perfluorinated electrolyte, deterioration of the perfluorinated electrolyte is suppressed, and the durability of the polymer electrolyte fuel cell is further improved.
Furthermore, in the fuel cell system according to the present invention, the peroxide decomposition catalyst containing a hardly soluble carbonate is fixed to any one of the humidification pathways, so that the peroxide radical can be obtained without significantly increasing the production cost. It is possible to suppress the deterioration of the electrolyte due to.

各種炭酸塩及びシュウ酸塩の過酸化水素の分解率を示す図である。It is a figure which shows the decomposition rate of hydrogen peroxide of various carbonates and oxalates.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。本発明に係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. The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention 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。   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 electrolyte containing a C—H bond in the polymer chain and no 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.

なお、フッ素系電解質は、フルオロカーボン構造(−CF−、−CFCl−)の他、クロロカーボン構造(−CCl−)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 addition to the fluorocarbon structure (—CF 2 —, —CFCl—), the fluorine-based electrolyte includes a chlorocarbon structure (—CCl 2 —) and other structures (for example, —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電解質基の種類についても、特に限定されるものではない。電解質基としては、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好適な一例として挙げられる。固体高分子電解質には、これらの電解質基の内、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、これらの電解質基は、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 electrolyte group provided in the solid polymer electrolyte is not particularly limited. Suitable examples of the electrolyte group include a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, and a sulfonimide group. The solid polymer electrolyte may contain only one kind of these electrolyte groups, or may contain two or more kinds. Furthermore, these electrolyte 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、高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の電解質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)、高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の電解質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)、高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の電解質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, polyamide, polyacetal, polyethylene, polypropylene, acrylic resin, polyester, polysulfone, polyether, etc. in which an electrolyte group such as a sulfonic acid group is introduced into any of the polymer chains, And derivatives thereof (aliphatic hydrocarbon electrolytes), polystyrene in which an electrolyte group such as a sulfonic acid group is introduced into any of the polymer chains, polyamides having aromatic rings, polyamideimides, polyimides, polyesters, polysulfones, polyethers Imide, polyethersulfone, polycarbonate and the like, and derivatives thereof (partial aromatic hydrocarbon electrolyte), polyetheretherketone, polyetherketone in which an electrolyte group such as sulfonic acid group is introduced into any of the polymer chains, Polysulfone, polyethersulfone, poly Imides, polyetherimides, polyphenylene, polyphenylene ether, polycarbonate, polyamide, polyamideimide, polyester, polyphenylene sulfide, etc., and their derivatives (fully aromatic hydrocarbon-based electrolytes), etc. are mentioned as suitable examples.

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電解質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。   Further, as the partial fluorine-based electrolyte, specifically, a polystyrene-graft-ethylenetetrafluoroethylene copolymer (hereinafter referred to as “PS”) in which an electrolyte group such as a sulfonic acid group is introduced into any of the polymer chains. -G-ETFE "), polystyrene-graft-polytetrafluoroethylene, and derivatives thereof.

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。   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、白金、白金合金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム等又はこれら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, platinum, platinum alloy, palladium, ruthenium, rhodium or the like or an alloy thereof is used as the electrode catalyst. 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 for 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 materials of the electrode catalyst and the catalyst carrier, the use of the MEA, 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、MEAを構成する固体高分子電解質膜及び電極のいずれかに、過酸化物分解触媒が固定されていることを特徴とする。ここで、「過酸化物分解触媒」とは、過酸化物分解作用を有する化合物であって、難溶性の炭酸塩を含むものをいう。   The solid polymer fuel cell according to the present invention is characterized in that a peroxide decomposition catalyst is fixed to any one of the solid polymer electrolyte membrane and the electrodes constituting the MEA. Here, the “peroxide decomposition catalyst” refers to a compound having a peroxide decomposition action and containing a hardly soluble carbonate.

「難溶性の化合物」とは、単に水に溶解しにくい化合物だけではなく、加水分解又は他の溶存イオンと反応して難溶性になる化合物も含まれる。耐久性に優れた燃料電池システムを得るためには、過酸化物分解触媒は、H分解作用を示す金属元素が水と接した場合に、金属元素が固定場所から溶出しにくいものである必要がある。
ここで、通常の燃料電池の作動環境下の水のpHは、大気中のCO、NO、SO、及び、構成材料から溶出する有機酸、ハロゲンイオン、場合によっては、フッ素系電解質膜からのFイオンやスルホン酸脱離によるSO イオンにより、中性でなく、弱酸性のpH4〜6程度である。また、副生するHの作用により、さらに材料からイオンの溶出が起こりやすい環境になっている。さらに、固体高分子型燃料電池の作動温度は、一般に、80℃程度である。
The “slightly soluble compound” includes not only a compound that is hardly soluble in water but also a compound that becomes hardly soluble by reacting with hydrolysis or other dissolved ions. In order to obtain a fuel cell system with excellent durability, a peroxide decomposition catalyst is one in which when a metal element exhibiting an H 2 O 2 decomposition action comes into contact with water, the metal element is unlikely to elute from a fixed place. There must be.
Here, the pH of water under the operating environment of a normal fuel cell is the atmospheric CO 2 , NO x , SO x , organic acids and halogen ions eluted from the constituent materials, and in some cases, a fluorine-based electrolyte membrane The pH is about 4 to 6 which is not neutral but weakly acidic due to the F ions from the SO 2 and SO 3 ions due to sulfonic acid elimination. In addition, due to the effect of by-product H 2 O 2 , the environment is such that ions are more likely to be eluted from the material. Furthermore, the operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell is generally about 80 ° C.

従って、実際には、これらの厳しい環境下において難溶性であることが要求されるが、このような燃料電池の作動環境下における難溶性の程度は、室温(18〜25℃)における構成元素の水酸化物の溶解度積の大きさで代用することができる。
すなわち、例えば、CaCが水と接触すると、次の(1)式に示すように、加水分解反応により、水酸化カルシウム(Ca(OH))が生成する。
CaC+2HO→Ca(OH)+C ・・・(1)
このような加水分解反応で生成した水酸化物が水に対して難溶性であれば、(1)式の反応は右に進行しないので、過酸化物分解触媒の溶出を抑制することができる。耐久性に優れた燃料電池システムを得るためには、過酸化物分解触媒は、室温(18〜25℃)における水酸化物の溶解度積が1×10−12以下である金属元素を含むものが好ましい。水酸化物の溶解度積は、さらに好ましくは、1×10−20以下である。
Therefore, in practice, it is required to be poorly soluble in these harsh environments, but the degree of poor solubility in the operating environment of such a fuel cell is that of the constituent elements at room temperature (18-25 ° C.). The size of the hydroxide solubility product can be substituted.
That is, for example, when CaC 2 comes into contact with water, calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) is generated by a hydrolysis reaction as shown in the following formula (1).
CaC 2 + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + C 2 H 2 (1)
If the hydroxide produced | generated by such a hydrolysis reaction is hardly soluble with respect to water, since reaction of Formula (1) does not advance to the right, the elution of a peroxide decomposition catalyst can be suppressed. In order to obtain a fuel cell system with excellent durability, the peroxide decomposition catalyst should contain a metal element having a hydroxide solubility product of 1 × 10 −12 or less at room temperature (18 to 25 ° C.). preferable. The solubility product of hydroxide is more preferably 1 × 10 −20 or less.

ある化合物が持つ過酸化物分解作用の程度(分解能力)は、次の(2)式に示す分解率ΔEで表すことができる。
ΔE=(1−E)×100 ・・・(2)
但し、Eは、1wt%の過酸化物を含む水溶液30ml中に、平均粒径50μm以下の粉末を0.1g添加し、100℃×1hr放置後の過酸化物濃度である。
耐久性に優れた固体高分子電解質を得るためには、過酸化物分解触媒は、(2)式で表される過酸化水素(H)の分解率が10%以上であるものが好ましく、さらに好ましくは、30%以上、さらに好ましくは、50%以上である。
The degree of peroxide decomposition action (decomposition ability) of a compound can be expressed by the decomposition rate ΔE shown in the following equation (2).
ΔE = (1−E 2 ) × 100 (2)
However, E 2 is the peroxide concentration after adding 0.1 g of powder having an average particle size of 50 μm or less to 30 ml of an aqueous solution containing 1 wt% of peroxide and leaving it to stand at 100 ° C. for 1 hour.
In order to obtain a solid polymer electrolyte having excellent durability, the peroxide decomposition catalyst has a decomposition rate of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) represented by the formula (2) of 10% or more. Preferably, it is 30% or more, more preferably 50% or more.

希土類元素(原子番号21のSc及び原子番号39のY、並びに、原子番号57のLaから原子番号71のLuまでのランタノイド元素)、及び、遷移金属元素を含む炭酸塩(水和物を含む。以下、同じ。)は、相対的に高い過酸化物分解作用を有している。   Rare earth elements (Sc of atomic number 21 and Y of atomic number 39, and lanthanoid elements from La of atomic number 57 to Lu of atomic number 71) and carbonates (including hydrates) containing transition metal elements. Hereinafter, the same)) has a relatively high peroxide decomposition action.

相対的に高い過酸化物分解作用を有し、かつ、難溶性の炭酸塩としては、具体的には、Y(CO)、Y(CO)・3HO、Ce(CO)
Ce(CO)・8HO、La(CO)、La(CO)・8HO、
Nd(CO)、Nd(CO)・8HO、MnCO、NiCO
NiCO・6HO、CoCO、AgCO等がある。
Specific examples of the carbonate having a relatively high peroxide decomposition action and hardly soluble include Y 2 (CO 3 ) 3 , Y 2 (CO 3 ) 3 · 3H 2 O, Ce ( CO 3) 2,
Ce 2 (CO 3) 3 · 8H 2 O, La 2 (CO 3) 3, La 2 (CO 3) 3 · 8H 2 O,
Nd 2 (CO 3 ) 3 , Nd 2 (CO 3 ) 3 · 8H 2 O, MnCO 3 , NiCO 3 ,
NiCO 3 .6H 2 O, CoCO 3 , Ag 2 CO 3 and the like.

さらに、これら一連の難溶性炭酸塩は、必ずしも純粋なものである必要はない。例えば、希土類元素を含む鉱石を精製する途中で、ミッシュメタルと呼ばれる希土類元素の混合物(La、Ce、Ndを主成分とする)が得られる。このミッシュメタルをそのまま炭酸塩化し、過酸化物分解触媒として用いても良い。天然鉱物を原料とした過酸化物分解触媒は、安価であるので、固体高分子型燃料電池のコストアップを軽減することができる。   Furthermore, these series of poorly soluble carbonates need not necessarily be pure. For example, during the refining of the ore containing rare earth elements, a mixture of rare earth elements called Misch metal (with La, Ce, and Nd as main components) is obtained. This misch metal may be carbonated as it is and used as a peroxide decomposition catalyst. Since the peroxide decomposition catalyst using natural mineral as a raw material is inexpensive, the cost increase of the solid polymer fuel cell can be reduced.

すなわち、過酸化物分解触媒は、上述した炭酸塩の内、いずれか1種からなるものでも良く、あるいは、2種以上を含む混合物又は複合化合物であっても良い。また、過酸化物分解触媒は、上述した炭酸塩のみからなるものでも良く、あるいは、上述した炭酸塩と、上述した希土類元素、遷移金属元素及び/又は典型元素のフッ化物、水酸化物及び/又は酸化物との混合物又は複合化合物であっても良い。   That is, the peroxide decomposition catalyst may be composed of any one of the carbonates described above, or may be a mixture or composite compound containing two or more. Further, the peroxide decomposition catalyst may be composed only of the above-mentioned carbonate, or the above-described carbonate and the above-mentioned rare earth element, transition metal element and / or typical element fluoride, hydroxide and / or Alternatively, it may be a mixture with oxide or a composite compound.

過酸化物分解触媒として使用可能な複合化合物としては、具体的には、
CeCOF、(Ce、La)(CO)・4HO、Ce(CO)O・HO、
CeO(CO)・HO、CeCOOH、Ce(CO)(OH)・HO、
CaY(CO)F、CaY(CO)・6HO、Y(CO)・2HO、
Y(OH)CO等がある。
Specifically, as a composite compound that can be used as a peroxide decomposition catalyst,
CeCO 3 F, (Ce, La) 2 (CO 3 ) 3 · 4H 2 O, Ce (CO 3 ) 2 O · H 2 O,
Ce 2 O (CO 3 ) 2 .H 2 O, CeCO 3 OH, Ce 2 (CO 3 ) 2 (OH) 2 .H 2 O,
CaY (CO 3 ) 2 F, CaY 2 (CO 3 ) 4 · 6H 2 O, Y 2 (CO 3 ) 3 · 2H 2 O,
Y (OH) CO 3 or the like is.

これらの中でも、Ce、Y、La及びAgのいずれか1以上を含む炭酸塩は、いずれも過酸化物分解作用が大きく、かつ、難溶性であるので、過酸化物分解触媒として好適である。   Among these, carbonates containing any one or more of Ce, Y, La, and Ag are suitable as peroxide decomposition catalysts because they all have a large peroxide decomposition action and are hardly soluble.

過酸化物分解触媒の固定場所は、電解質膜及び電極のいずれであっても良い。また、電極に固定する場合、過酸化物分解触媒の固定場所は、触媒層及び拡散層のいずれであっても良い。但し、固体高分子型燃料電池において、過酸化物は、カソードで生ずる電極反応の副反応により生成し、生成した過酸化物が電解質膜を通ってアノード側に拡散すると考えられている。従って、過酸化物分解触媒は、少なくともカソード及びその近傍に固定するのが好ましい。   The place for fixing the peroxide decomposition catalyst may be either the electrolyte membrane or the electrode. When fixing to the electrode, the peroxide decomposition catalyst may be fixed at either the catalyst layer or the diffusion layer. However, in the polymer electrolyte fuel cell, it is considered that the peroxide is generated by a side reaction of the electrode reaction generated at the cathode, and the generated peroxide diffuses to the anode side through the electrolyte membrane. Therefore, it is preferable to fix the peroxide decomposition catalyst at least on the cathode and in the vicinity thereof.

また、固体高分子型燃料電池を備えた燃料電池システムにおいては、一般に、電解質膜の電気伝導度を維持するために、補機を用いて加湿が行われている。また、カソード側では、電極反応により水が生成する。これらの水は、通常、そのまま燃料電池外に排出されるが、燃料電池システム全体の保水量を低減するために、排出された水分を電解質膜の加湿に再利用する場合がある。このような場合には、排出された水の中に過酸化物が含まれていることがあるので、セパレータの表面、配管類の内表面、保水タンクの内表面等、水が循環する経路(すなわち、固体高分子型燃料電池に水及び/若しくは水蒸気を供給し、並びに/又は、固体高分子型燃料電池から排出される水及び/若しくは水蒸気を回収するための加湿経路)のいずれかに過酸化物分解触媒を固定しても良い。   Further, in a fuel cell system including a solid polymer fuel cell, in general, humidification is performed using an auxiliary device in order to maintain the electrical conductivity of the electrolyte membrane. On the cathode side, water is generated by the electrode reaction. These waters are usually discharged out of the fuel cell as they are, but the discharged water may be reused for humidifying the electrolyte membrane in order to reduce the water retention amount of the entire fuel cell system. In such a case, the discharged water may contain peroxide, so the water circulation path (the separator surface, the inner surface of the piping, the inner surface of the water retention tank, etc.) In other words, the water and / or water vapor is supplied to the polymer electrolyte fuel cell and / or the water and / or water vapor discharged from the polymer electrolyte fuel cell is recovered. An oxide decomposition catalyst may be fixed.

過酸化物分解触媒の形態は特に限定されるものではなく、過酸化物分解触媒の種類、固定場所等に応じて、種々の形態を取ることができる。
例えば、過酸化物分解触媒を電解質膜に固定する場合、電解質膜の内部及び/又は表面に微粒子状の過酸化物分解触媒を均一に分散させても良く、あるいは、電解質膜の表面に膜状に固定しても良い。また、電解質膜が固体高分子電解質と補強材との複合体である場合、補強材の表面に微粒子状又は薄膜状の過酸化物分解触媒を固定しても良い。
また、例えば、過酸化物分解触媒を触媒層に固定する場合、電極触媒若しくは電極触媒を担持するための担体及び/又は触媒層内電解質の表面に、微粒子状又は薄膜状の過酸化物分解触媒を固定しても良く、あるいは、担体及び/又は触媒層内電解質の内部に固定しても良い。また、触媒層を形成した後、その表面に、微粒子状又は薄膜状の過酸化物分解触媒を固定しても良い。
さらに、過酸化物分解触媒を拡散層に固定する場合、拡散層の内部又は表面に均一に微粒子状の過酸化物分解触媒を分散させても良く、あるいは、拡散層の触媒層側表面に形成される撥水層の内部又は表面に均一に分散させても良い。また、拡散層の触媒層側表面又はセパレータ側表面に、薄膜状の過酸化物分解触媒を固定しても良い。
The form of the peroxide decomposition catalyst is not particularly limited, and various forms can be taken according to the kind of the peroxide decomposition catalyst, the fixing location, and the like.
For example, when the peroxide decomposition catalyst is fixed to the electrolyte membrane, the fine particle peroxide decomposition catalyst may be uniformly dispersed inside and / or on the surface of the electrolyte membrane, or the membrane may be formed on the surface of the electrolyte membrane. It may be fixed to. Further, when the electrolyte membrane is a composite of a solid polymer electrolyte and a reinforcing material, a particulate or thin film peroxide decomposition catalyst may be fixed on the surface of the reinforcing material.
For example, when fixing a peroxide decomposition catalyst to a catalyst layer, a fine particle or thin film peroxide decomposition catalyst is formed on the surface of the electrode catalyst or the carrier for supporting the electrode catalyst and / or the electrolyte in the catalyst layer. May be fixed, or may be fixed inside the carrier and / or the electrolyte in the catalyst layer. In addition, after forming the catalyst layer, a fine particle or thin film peroxide decomposition catalyst may be fixed on the surface thereof.
Further, when the peroxide decomposition catalyst is fixed to the diffusion layer, the fine particle peroxide decomposition catalyst may be uniformly dispersed inside or on the surface of the diffusion layer, or formed on the catalyst layer side surface of the diffusion layer. You may disperse | distribute uniformly in the inside or surface of the water-repellent layer. Further, a thin-film peroxide decomposition catalyst may be fixed to the catalyst layer side surface or the separator side surface of the diffusion layer.

また、MEAのいずれかに微粒子状の過酸化物分解触媒を固定する場合、その粒径は、固定場所に応じて、最適な粒径を選択する。
例えば、微粒子状の過酸化物分解触媒を電解質膜又は触媒層に固定する場合、その粒径は、5μm以下が好ましい。粒径が5μmを超えると、過酸化物分解触媒を均一に分散させるのが困難となり、あるいは、電解質膜に機械的ダメージを与えるおそれがある。一般に、粒径が小さくなるほど、少量の固定で高い過酸化物分解作用が得られる。但し、粒径が小さくなりすぎると、溶解性が高くなり、長期の安定性に劣る場合がある。従って、過酸化物分解触媒の粒径は、0.01μm以上が好ましい。
一方、微粒子状の過酸化物分解触媒を拡散層に固定する場合、0.01〜50μm以下のやや大粒径のものでも使用できる。但し、相対的に粒径の大きな粉末を使用する場合には、電解質膜又は触媒層に直接接しない場所に固定するのが好ましい。
In addition, when fixing the fine particle peroxide decomposition catalyst to any of the MEAs, the optimal particle size is selected according to the fixing location.
For example, when fixing the fine particle peroxide decomposition catalyst to the electrolyte membrane or the catalyst layer, the particle size is preferably 5 μm or less. When the particle diameter exceeds 5 μm, it is difficult to uniformly disperse the peroxide decomposition catalyst, or there is a risk of causing mechanical damage to the electrolyte membrane. In general, the smaller the particle size, the higher the peroxide decomposition effect with a small amount of fixation. However, if the particle size becomes too small, the solubility becomes high and the long-term stability may be inferior. Therefore, the particle size of the peroxide decomposition catalyst is preferably 0.01 μm or more.
On the other hand, when fixing the fine particle peroxide decomposition catalyst to the diffusion layer, a catalyst having a slightly large particle size of 0.01 to 50 μm or less can be used. However, when a powder having a relatively large particle size is used, it is preferable to fix it in a place where it does not directly contact the electrolyte membrane or the catalyst layer.

過酸化物分解触媒の固定量は、過酸化物分解触媒の種類、形態、固定場所等に応じて最適な量を選択する。一般に、過酸化物の分解能力が大きく、かつ、比表面積の大きい過酸化物分解触媒を用いるほど、相対的に少量の固定で、高い過酸化物分解作用が得られる。一般に、過酸化物分解触媒の固定量が多くなるほど、耐久性は向上する。但し、過酸化物分解触媒を過剰に固定しても実益がなく、むしろ高コスト化、機械的性質の低下、電池性能の低下等を招く場合がある。   As the fixed amount of the peroxide decomposition catalyst, an optimal amount is selected according to the kind, form, fixing location, etc. of the peroxide decomposition catalyst. In general, the higher the peroxide decomposition ability and the larger the specific surface area of the peroxide decomposition catalyst, the higher the peroxide decomposition action can be achieved with a relatively small amount of fixation. Generally, durability increases as the amount of peroxide decomposition catalyst fixed increases. However, even if the peroxide decomposition catalyst is excessively fixed, there is no actual benefit, but rather it may increase the cost, decrease the mechanical properties, decrease the battery performance, and the like.

例えば、電解質膜の内部、電解質膜の表面、及び/又は、補強材の表面に、微粒子状の過酸化物分解触媒を固定する場合、過酸化物分解触媒の固定量は、電解質に対して0.1〜1wt%が好ましい。過酸化物分解触媒の固定量が0.1wt%未満であると、十分な効果が得られない。一方、過酸化物分解触媒固定量が1wt%を超えると、電解質膜の機械的性質が損なわれる場合がある。
また、例えば、触媒層の表面及び/又は内部に微粒子状の過酸化物分解触媒を固定する場合、過酸化物分解触媒の固定量は、触媒層重量に対して0.1〜10wt%が好ましい。過酸化物分解触媒の固定量が0.1wt%未満であると、十分な効果が得られない。一方、過酸化物分解触媒の固定量が10wt%を超えると、内部抵抗が増加し、電池性能が低下する場合がある。
For example, when a particulate peroxide decomposition catalyst is fixed to the inside of the electrolyte membrane, the surface of the electrolyte membrane, and / or the surface of the reinforcing material, the fixed amount of the peroxide decomposition catalyst is 0 with respect to the electrolyte. .1 to 1 wt% is preferable. When the fixed amount of the peroxide decomposition catalyst is less than 0.1 wt%, a sufficient effect cannot be obtained. On the other hand, when the peroxide decomposition catalyst fixing amount exceeds 1 wt%, the mechanical properties of the electrolyte membrane may be impaired.
In addition, for example, when a fine particle peroxide decomposition catalyst is fixed on the surface and / or inside of the catalyst layer, the fixed amount of the peroxide decomposition catalyst is preferably 0.1 to 10 wt% with respect to the weight of the catalyst layer. . When the fixed amount of the peroxide decomposition catalyst is less than 0.1 wt%, a sufficient effect cannot be obtained. On the other hand, when the fixed amount of the peroxide decomposition catalyst exceeds 10 wt%, the internal resistance may increase and the battery performance may deteriorate.

また、例えば、拡散層の触媒層側表面及び/又はセパレータ側表面にレーザーアブレーション、スパッタ等により、薄膜状の過酸化物分解触媒を固定する場合、薄膜の厚さは、2〜20nmが好ましい。薄膜の厚さが2nm未満であると、十分な効果が得られない。一方、薄膜の厚さが20nmを超えると、接触抵抗が増加し、電池性能が低下する場合がある。
また、例えば、拡散層の表面に撥水層を形成し、撥水層の表面及び/又は内部に微粒子状の過酸化水素分解触媒を固定する場合、過酸化水素分解触媒の固定量は、固形分量に対して0.1〜20wt%が好ましい。過酸化物分解触媒の固定量が0.1wt%未満であると、十分な効果が得られない。一方、過酸化水素分解触媒の固定量が20wt%を超えると、接触抵抗が増加し、電池性能が低下する場合がある。
For example, when fixing a thin film-like peroxide decomposition catalyst to the catalyst layer side surface and / or separator side surface of the diffusion layer by laser ablation, sputtering, or the like, the thickness of the thin film is preferably 2 to 20 nm. If the thickness of the thin film is less than 2 nm, sufficient effects cannot be obtained. On the other hand, when the thickness of the thin film exceeds 20 nm, the contact resistance may increase and the battery performance may be deteriorated.
Further, for example, when a water repellent layer is formed on the surface of the diffusion layer and the particulate hydrogen peroxide decomposition catalyst is fixed on the surface and / or inside of the water repellent layer, the fixed amount of the hydrogen peroxide decomposition catalyst is solid 0.1-20 wt% is preferable with respect to quantity. When the fixed amount of the peroxide decomposition catalyst is less than 0.1 wt%, a sufficient effect cannot be obtained. On the other hand, when the fixed amount of the hydrogen peroxide decomposition catalyst exceeds 20 wt%, the contact resistance may increase and the battery performance may deteriorate.

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。
MEAの構成要素の内、過酸化物分解触媒が固定された電解質膜は、
(1)微粒子状の過酸化物分解触媒を固体高分子電解質又はその前駆体(例えば、ナフィオン(登録商標)のスルホニルフルオライド体)に加えて湿式又は乾式で混練し、フィルム化する第1の方法、
(2)微粒子状の過酸化物分解触媒又はこれを分散させたスラリーを電解質膜又はその前駆体の表面に、散布、噴霧又は塗布(ドクターブレードを含む。以下同じ。)する第2の方法、
(3)適当な組成を有するターゲット材のスパッタ、レーザーアブレーション等により、電解質膜又はその前駆体の表面に薄膜状の過酸化物分解触媒を形成する第3の方法、
(4)補強材の表面に、上述した第2又は第3の方法を用いて微粒子状又は薄膜状の過酸化物分解触媒を固定し、この補強材と固体高分子電解質又はその前駆体とを湿式又は乾式で複合化させる第4の方法、
(5)これらの組み合わせ、
等により製造することができる。
Next, a method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described.
Among the MEA components, the electrolyte membrane with the peroxide decomposition catalyst fixed is
(1) First, a particulate peroxide decomposition catalyst is added to a solid polymer electrolyte or a precursor thereof (for example, Nafion (registered trademark) sulfonyl fluoride) and kneaded in a wet or dry manner to form a film. Method,
(2) a second method of spraying, spraying, or applying (including a doctor blade; the same applies hereinafter) to the surface of the electrolyte membrane or its precursor with a fine particle peroxide decomposition catalyst or a slurry in which the fine particle decomposition catalyst is dispersed;
(3) a third method for forming a thin-film peroxide decomposition catalyst on the surface of the electrolyte membrane or its precursor by sputtering, laser ablation or the like of a target material having an appropriate composition;
(4) A fine particle or thin film peroxide decomposition catalyst is fixed on the surface of the reinforcing material by using the second or third method described above, and the reinforcing material and the solid polymer electrolyte or a precursor thereof are fixed. A fourth method of compounding in a wet or dry manner;
(5) a combination of these,
Etc. can be manufactured.

また、MEAの構成要素の内、過酸化物分解触媒が固定された触媒層は、
(1)電極触媒又は電極触媒を担持させた担体と、高分子電解質とを含む溶液(以下、これを「触媒インク」という)に微粒子状の過酸化物分解触媒を加え、ポリテトラフルオロエチレンシート等の高分子材料からなる基体の表面に噴霧又は塗布する第1の方法、
(2)電解質膜表面又は拡散層の表面に、直接、微粒子状の過酸化物分解触媒を含む触媒インクを噴霧又は塗布する第2の方法、
(3)過酸化物分解触媒を含まない触媒インクを用いて触媒層を形成し、微粒子状の過酸化物分解触媒又はこれを分散させたスラリーを触媒層の表面に散布、噴霧又は塗布する第3の方法、
(4)過酸化物分解触媒を含まない触媒インクを用いて触媒層を形成し、適当な組成を有するターゲット材のスパッタ、レーザーアブレーション等により触媒層の表面に薄膜状の過酸化物分解触媒を固定する第4の方法、
(5)(a)過酸化物分解触媒を構成する金属元素を含む化合物であって、常温で液体であるもの又は適当な溶媒に溶解させることができるもの(例えば、塩、塩化物、アルコキシド、アルコラート、アセチルアセトナート等。)を含む溶液に触媒担体を加え、触媒担体の表面に金属元素を含む化合物を吸着させ、加水分解して水酸化物を生成させ、
(b)金属元素を含む化合物に対して炭酸イオンを含む水溶液(炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸アンモニウム等)と接触させる炭酸塩化処理を施し、触媒担体表面に微粒子状又は薄膜状の過酸化物分解触媒を形成し、
(c)この触媒担体を触媒インクに加えて触媒層を形成する第5の方法、
(6)これらの組み合わせ、
等により製造することができる。
In addition, among the constituent elements of MEA, the catalyst layer to which the peroxide decomposition catalyst is fixed is
(1) A polytetrafluoroethylene sheet prepared by adding a particulate peroxide decomposition catalyst to a solution containing an electrode catalyst or a carrier carrying an electrode catalyst and a polymer electrolyte (hereinafter referred to as “catalyst ink”) A first method of spraying or applying to the surface of a substrate made of a polymer material such as
(2) A second method of spraying or applying a catalyst ink containing a particulate peroxide decomposition catalyst directly on the surface of the electrolyte membrane or the surface of the diffusion layer,
(3) A catalyst layer is formed using a catalyst ink not containing a peroxide decomposition catalyst, and a fine particle peroxide decomposition catalyst or a slurry in which this is dispersed is dispersed, sprayed or applied to the surface of the catalyst layer. 3 methods,
(4) A catalyst layer is formed using a catalyst ink not containing a peroxide decomposition catalyst, and a thin film peroxide decomposition catalyst is formed on the surface of the catalyst layer by sputtering, laser ablation, etc. of a target material having an appropriate composition. A fourth method of fixing,
(5) (a) a compound containing a metal element constituting the peroxide decomposition catalyst, which is liquid at room temperature or can be dissolved in an appropriate solvent (for example, salt, chloride, alkoxide, A catalyst carrier is added to a solution containing alcoholate, acetylacetonate, etc.), a compound containing a metal element is adsorbed on the surface of the catalyst carrier, and hydrolyzed to produce a hydroxide.
(B) Carbonate treatment is performed by bringing the metal element-containing compound into contact with an aqueous solution containing carbonate ions (sodium carbonate, potassium carbonate, ammonium carbonate, etc.), and peroxide decomposition in the form of fine particles or thin film on the catalyst carrier surface Forming a catalyst,
(C) a fifth method of adding the catalyst carrier to the catalyst ink to form a catalyst layer;
(6) a combination of these,
Etc. can be manufactured.

また、MEAの構成要素の内、過酸化物分解触媒が固定された拡散層は、
(1)微粒状の過酸化物分解触媒又はこれを分散させたスラリーを、カーボンペーパー等の表面に、散布、噴霧又は塗布する第1の方法、
(2)炭素粒子、撥水性粉末(例えば、ポリテトラフルオロエチレン粉末)、及び、微粒子状の過酸化物分解触媒を含むスラリーをカーボンペーパー等の表面に噴霧又は塗布し、過酸化物分解触媒を含む撥水層を形成する第2の方法、
(3)カーボンペーパー等の表面に過酸化物分解触媒を含まない撥水層を形成し、微粒子状の過酸化物分解触媒又はこれを分散させたスラリーを撥水層の表面に、散布、噴霧又は塗布する第3の方法、
(4)カーボンペーパー等の表面に過酸化物分解触媒を含まない撥水層を形成し、適当なターゲット材のスパッタ、レーザーアブレーション等により撥水層の表面に薄膜状の過酸化物分解触媒を固定する第4の方法、
(5)触媒層に過酸化物分解触媒を固定するための第5の方法と同様の手順に従い、炭素粒子の表面に微粒子状又は薄膜状の過酸化物分解触媒を固定し、これを用いてカーボンペーパー等の表面に撥水層を形成する第5の方法、
(6)過酸化物分解触媒を構成する金属元素を含む化合物であって、常温で液体であるもの又は適当な溶媒に溶解させることができるもの(例えば、塩、塩化物、アルコキシド、アルコラート、アセチルアセトナート等。)を含む溶液に拡散層を浸漬し、拡散層の表面及び/又は内部に金属元素を含む化合物を吸着させ、加水分解の後に炭酸イオンを含む溶液(炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸アンモニウム等)と接触させる炭酸塩化処理を施す第6の方法、
(7)これらの組み合わせ、
等により製造することができる。
In addition, among the components of MEA, the diffusion layer to which the peroxide decomposition catalyst is fixed is
(1) A first method of spraying, spraying or applying a fine particle peroxide decomposition catalyst or a slurry in which the fine particle decomposition catalyst is dispersed on the surface of carbon paper or the like,
(2) A slurry containing carbon particles, water-repellent powder (for example, polytetrafluoroethylene powder) and fine particle peroxide decomposition catalyst is sprayed or applied on the surface of carbon paper or the like, and the peroxide decomposition catalyst is applied. A second method of forming a water repellent layer comprising:
(3) A water repellent layer not containing a peroxide decomposition catalyst is formed on the surface of carbon paper or the like, and a fine particle peroxide decomposition catalyst or a slurry in which this is dispersed is dispersed and sprayed on the surface of the water repellent layer. Or a third method of applying,
(4) A water-repellent layer that does not contain a peroxide decomposition catalyst is formed on the surface of carbon paper, etc., and a thin-film peroxide decomposition catalyst is formed on the surface of the water-repellent layer by sputtering, laser ablation, etc. A fourth method of fixing,
(5) According to the same procedure as the fifth method for fixing the peroxide decomposition catalyst to the catalyst layer, the fine particle or thin film peroxide decomposition catalyst is fixed to the surface of the carbon particles, and this is used. A fifth method of forming a water repellent layer on the surface of carbon paper or the like;
(6) A compound containing a metal element constituting a peroxide decomposition catalyst, which is liquid at room temperature, or can be dissolved in an appropriate solvent (for example, salt, chloride, alkoxide, alcoholate, acetyl) A diffusion layer is immersed in a solution containing acetonate, etc., and a compound containing a metal element is adsorbed on the surface and / or inside of the diffusion layer, and after hydrolysis, a solution containing carbonate ions (sodium carbonate, potassium carbonate, carbonic acid) A sixth method of performing a carbonation treatment in contact with ammonium or the like),
(7) a combination of these,
Etc. can be manufactured.

これらの各方法において、過酸化物分解触媒の固定条件(例えば、使用する溶媒の種類、溶液濃度、触媒インクの組成、金属元素を含む化合物の分解条件、ターゲット材の組成、スパッタ条件又はレーザーアブレーション条件等)は、電解質膜、触媒層、拡散層及び過酸化物分解触媒の材質や組成、固定方法等に応じて、最適な条件を選択する。また、ターゲット材を用いて薄膜状の過酸化物分解触媒を形成する場合、1種類又は2種以上の金属元素を含む1種類のターゲット材を用いても良く、あるいは、1種又は2種以上の金属元素を含む2種以上のターゲット材を用いても良い。   In each of these methods, the conditions for fixing the peroxide decomposition catalyst (for example, the type of solvent used, the solution concentration, the composition of the catalyst ink, the decomposition condition of the compound containing the metal element, the composition of the target material, the sputtering condition, or the laser ablation) For the conditions, etc., the optimum conditions are selected according to the materials and compositions of the electrolyte membrane, the catalyst layer, the diffusion layer, and the peroxide decomposition catalyst, the fixing method, and the like. Moreover, when forming a thin film-like peroxide decomposition catalyst using a target material, you may use 1 type of target material containing 1 type, or 2 or more types of metal elements, or 1 type or 2 types or more. Two or more kinds of target materials containing these metal elements may be used.

上述した各種の方法を用いて、電解質膜、触媒層及び拡散層の少なくとも1つに過酸化物分解触媒を固定した後、電解質膜の両面に触媒層を接合し、さらに、必要に応じて、触媒層の表面に拡散層を接合すれば、MEAが得られる。電解質膜と触媒層及び拡散層の接合は、通常、ホットプレスにより行われる。さらに、得られたMEAの両面をガス流路を備えたセパレータで挟持してユニットセルとし、このユニットセルを複数個積層すれば、本発明に係る固体高分子型燃料電池が得られる。
また、MEAのいずれかに過酸化物分解触媒が固定され又は固定されていない固体高分子型燃料電池に反応ガス供給経路及び加湿経路を取り付け、加湿経路のいずれかに過酸化物分解触媒を固定すれば、本発明に係る燃料電池システムが得られる。この場合、加湿経路への過酸化水素分解触媒の固定方法は、特に限定されるものではなく、上述したMEAへの固定方法をそのまま、あるいは、適宜、修正・変更を加えて用いることができる。
After fixing the peroxide decomposition catalyst to at least one of the electrolyte membrane, the catalyst layer, and the diffusion layer using the various methods described above, the catalyst layers are joined to both surfaces of the electrolyte membrane, and if necessary, MEA can be obtained by bonding a diffusion layer to the surface of the catalyst layer. The joining of the electrolyte membrane, the catalyst layer, and the diffusion layer is usually performed by hot pressing. Furthermore, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention can be obtained by sandwiching both sides of the obtained MEA with a separator having a gas flow path to form a unit cell, and stacking a plurality of unit cells.
In addition, a reaction gas supply path and a humidification path are attached to a polymer electrolyte fuel cell in which a peroxide decomposition catalyst is fixed or not fixed to one of the MEAs, and the peroxide decomposition catalyst is fixed to one of the humidification paths. Then, the fuel cell system according to the present invention can be obtained. In this case, the method for fixing the hydrogen peroxide decomposition catalyst to the humidification route is not particularly limited, and the above-described method for fixing to the MEA can be used as it is or with appropriate modifications and changes.

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。固体高分子型燃料電池の作動環境下においては、電極反応の副反応として過酸化水素などの過酸化物が生成する。この過酸化物は、Fe2+/Fe3+イオンなどの価数が変わる遷移金属イオン(Mn+/M(n+1)+)の存在下では、次の(3)式の酸化反応、又は(4)式の還元反応によって、ラジカル分解することが知られている。
HOOH+M(n+1)+→HOO・+H+Mn+ ・・・(3)
HOOH+Mn+→HO・+OH+M(n+1)+ ・・・(4)
Next, the operation of the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described. Under the operating environment of the polymer electrolyte fuel cell, a peroxide such as hydrogen peroxide is generated as a side reaction of the electrode reaction. In the presence of transition metal ions (M n + / M (n + 1) + ) whose valence changes such as Fe 2+ / Fe 3+ ions, this peroxide is oxidized in the following formula (3) or (4) It is known to undergo radical decomposition by the reduction reaction of the formula.
HOOH + M (n + 1) + → HOO. + H + + M n + (3)
HOOH + M n + → HO · + OH + M (n + 1) + (4)

固体高分子型燃料電池は、一般に、補機を用いて電解質膜の加湿が行われており、かつMEAの近傍には、配管類等に由来する遷移金属イオンが存在しているので、過酸化物ラジカルが発生しやすい環境にある。一方、過酸化物のラジカル分解で発生した過酸化物ラジカル(HOO・、HO・など)は、有機高分子化合物のC−H結合を分断し、有機高分子化合物の変質、低分子量化を招くことが知られている。そのため、固体高分子型燃料電池に従来の炭化水素系電解質又は部分フッ素系電解質をそのまま用いると、実用上十分な耐久性が得られない。   In the polymer electrolyte fuel cell, the electrolyte membrane is generally humidified by using an auxiliary device, and transition metal ions derived from piping and the like exist in the vicinity of the MEA. It is in an environment where product radicals are easily generated. On the other hand, peroxide radicals (HOO, HO, etc.) generated by peroxide radical decomposition break the C—H bond of the organic polymer compound, leading to alteration of the organic polymer compound and reduction in molecular weight. It is known. Therefore, if a conventional hydrocarbon-based electrolyte or a partial fluorine-based electrolyte is used as it is in a polymer electrolyte fuel cell, practically sufficient durability cannot be obtained.

また、全フッ素系電解質は、その高分子鎖内にC−H結合が含まれていないために、従来は、過酸化物ラジカルにより劣化しないと考えられていた。しかしながら、本願発明者らは、全フッ素系電解質であっても、燃料電池の作動環境下において劣化し、かつ劣化により燃料電池からFイオンが排出されること、並びに、その原因物質が過酸化物ラジカルであることを見出している。   In addition, since perfluorinated electrolytes do not contain C—H bonds in their polymer chains, it has been conventionally thought that they do not deteriorate due to peroxide radicals. However, the present inventors have found that even if it is a perfluorinated electrolyte, it deteriorates in the operating environment of the fuel cell, and F ions are discharged from the fuel cell due to the deterioration, and the causative substance is a peroxide. It is found to be a radical.

これに対し、ある種の炭酸塩は、過酸化物ラジカルによる劣化を抑制する作用がある。これは、炭酸塩の固体表面においては、過酸化物がラジカル分解する前に、次の(5)式の還元反応、又は次の(6)式の酸化反応によって、イオン分解するためと考えられる。
+2H+2e→2HO ・・・(5)
→O+2H+2e ・・・(6)
なお、固体表面での反応は、結局、(5)式及び(6)式より、次の(7)式のように、2分子の過酸化水素が衝突して水と酸素に分解する、いわゆる接触分解反応として表される。
2HOOH→HO+O ・・・(7)
On the other hand, a certain kind of carbonate has an action of suppressing deterioration due to peroxide radicals. This is thought to be because, on the solid surface of the carbonate, the peroxide is ion-decomposed by the reduction reaction of the following formula (5) or the oxidation reaction of the following formula (6) before radical decomposition. .
H 2 O 2 + 2H + + 2e → 2H 2 O (5)
H 2 O 2 → O 2 + 2H + + 2e (6)
The reaction on the surface of the solid is eventually the so-called two-molecule hydrogen peroxide colliding and decomposing into water and oxygen as shown in the following equation (7) from the equations (5) and (6). Expressed as catalytic cracking reaction.
2HOOH → H 2 O + O 2 (7)

そのため、固体高分子電解質膜、触媒層及び拡散層のいずれか1以上に、炭酸塩を固定すると、過酸化物ラジカルの生成が抑制され、その結果として、過酸化物ラジカルによる有機化合物の変質、低分子量化等が抑制される。また、固体高分子電解質膜として炭化水素系電解質膜又は部分フッ素系電解質膜を用いた場合であっても、高い耐久性を有する固体高分子型燃料電池が得られる。これは、炭化水素系電解質の劣化によりCOが生成し、一部が炭酸イオンとなって溶け出し、生成水のpHが低下した場合でも、触媒として添加してある炭酸塩が溶出することなく触媒活性を維持できるためである。さらに、固体高分子電解質膜として全フッ素系電解質を用いた場合には、過酸化物ラジカルによる全フッ素系電解質の劣化及びこれに起因するFイオンの溶出が抑制され、さらに耐久性に優れた固体高分子型燃料電池が得られる。 Therefore, when carbonate is fixed to any one or more of the solid polymer electrolyte membrane, the catalyst layer, and the diffusion layer, generation of peroxide radicals is suppressed, and as a result, alteration of organic compounds by peroxide radicals, Lower molecular weight and the like are suppressed. In addition, even when a hydrocarbon electrolyte membrane or a partial fluorine electrolyte membrane is used as the solid polymer electrolyte membrane, a solid polymer fuel cell having high durability can be obtained. This is because the carbonate added as a catalyst does not elute even when CO 2 is generated due to deterioration of the hydrocarbon-based electrolyte, part of which is dissolved as carbonate ions, and the pH of the generated water is lowered. This is because the catalytic activity can be maintained. Furthermore, when a perfluorinated electrolyte is used as the solid polymer electrolyte membrane, the deterioration of the perfluorinated electrolyte due to peroxide radicals and the elution of F ions due to this are suppressed, and the solid has excellent durability. A polymer fuel cell is obtained.

また、遷移金属酸化物は、過酸化物分解作用があることが知られているが、遷移金属酸化物の溶解度は、燃料電池の使用環境下(すなわち、大気中からのNO、SO、COガスコンタミや、系内の構成材料から溶出するClイオン等の不純物アニオンが存在する環境下)において必ずしも小さいとは限らない。この問題を解決するために、遷移金属酸化物とFイオン、PO 2−イオン又はC 2−イオン等のアニオンとを結合させ、難溶化させることも考えられる。しかしながら、これらのアニオンの環境への許容濃度は小さく、しかも毒性を有するものがある。そのため、遷移金属酸化物とこれらのアニオンとの結合物を過酸化水素分解触媒として用いる場合、結合物の溶解性を低下させるための特別の処理(例えば、粒度の調整や結晶性の改良)が必要となる。
これに対し、ある種の炭酸塩は、高温又は低pHの水に対する溶解度が相対的に小さく、化学的安定性が高い。また、仮に溶出したとしても、環境に対する負荷が小さいので、難溶化のための特別の処理が不要である。そのため、これをMEA及び/又は加湿経路のいずれかの部分に固定すれば、製造コストや環境に対する負荷を増大させることなく、長期間に渡って高い耐久性を示す固体高分子型燃料電池が得られる。
Further, transition metal oxide, it is known that there is a peroxide decomposition, the solubility of the transition metal oxide, fuel cells use environment (i.e., NO x from the atmosphere, SO x, It is not always small in an environment where impurity anions such as Cl 2 gas contamination and Cl ions eluted from constituent materials in the system exist. To solve this problem, a transition metal oxide and F - ions, is bound to an anion such as PO 4 2-ionic or C 2 O 4 2- ions, also conceivable to hardly soluble. However, the allowable concentration of these anions in the environment is small and some are toxic. For this reason, when a combined product of transition metal oxide and these anions is used as a hydrogen peroxide decomposition catalyst, there is a special treatment (for example, adjustment of particle size or improvement of crystallinity) to reduce the solubility of the combined product. Necessary.
In contrast, certain carbonates have relatively low solubility in high temperature or low pH water and high chemical stability. Moreover, even if it elutes, since the load with respect to an environment is small, the special process for insolubilization is unnecessary. Therefore, if this is fixed to any part of the MEA and / or the humidification path, a polymer electrolyte fuel cell having high durability over a long period of time can be obtained without increasing the manufacturing cost and environmental load. It is done.

また、希土類元素及び遷移金属元素は、比較的資源量に富み、Pt等の貴金属に比べて安価である。そのため、これらの金属元素を含む炭酸塩をMEAのいずれかに固定すれば、過酸化物分解触媒としてPt等の貴金属元素を多量に用いる必要がない。すなわち、固体高分子型燃料電池を高コスト化することなく、その耐久性を向上させることができる。特に、Ce、Y、La又はAgを含む炭酸塩は、相対的に安価であることに加えて、過酸化物の分解作用が高いので、固体高分子型燃料電池の高コスト化を招くことなく、耐久性を飛躍的に向上させることができる。   Moreover, rare earth elements and transition metal elements are relatively rich in resources and are less expensive than noble metals such as Pt. Therefore, if a carbonate containing these metal elements is fixed to any of the MEAs, it is not necessary to use a large amount of a noble metal element such as Pt as a peroxide decomposition catalyst. That is, the durability of the polymer electrolyte fuel cell can be improved without increasing the cost. In particular, carbonates containing Ce, Y, La or Ag are relatively inexpensive and have a high peroxide decomposition action, so that the cost of the polymer electrolyte fuel cell is not increased. , Durability can be dramatically improved.

さらに、同じ塩であっても、希土類元素又は遷移金属元素のシュウ酸塩は、炭酸塩に比べて過酸化水素分解作用が小さい。その原因の詳細については、明らかではないが、以下のような理由によると考えられる。すなわち、シュウ酸イオンは、炭酸イオンに比べて錯安定性が大きい。そのため、シュウ酸塩を加湿経路のいずれかに固定すると、燃料電池の使用環境下においてシュウ酸イオンが水中に溶け出し、溶け出したシュウ酸イオンが過酸化物分解触媒の活性点に吸着し、触媒活性を低下させるためと考えられる。   Furthermore, even in the same salt, oxalates of rare earth elements or transition metal elements have a smaller hydrogen peroxide decomposition action than carbonates. Although the details of the cause are not clear, it is thought to be due to the following reasons. That is, oxalate ions have a higher complex stability than carbonate ions. Therefore, when oxalate is fixed to one of the humidification pathways, the oxalate ions are dissolved in water under the environment where the fuel cell is used, and the dissolved oxalate ions are adsorbed on the active sites of the peroxide decomposition catalyst. This is considered to decrease the catalytic activity.

(実施例1〜4)
以下の手順に従い、過酸化物分解触媒の分解能力を調査した。すなわち、内筒がポリテトラフルオロエチレンからなる容器に、Hの1wt%水溶液30mlを入れ、これに過酸化物分解触媒としてCe(CO)・8HO(実施例1)、Y(CO)・3HO(実施例2)、AgCO(実施例3)、又は、La(CO)(実施例4)を0.1g添加した。100℃×1hr放置後に、溶液中の過酸化水素濃度Eを測定し、分解率ΔEを上述した(2)式により求めた。
なお、被検査溶液中の過酸化水素濃度Eは、0.1M硫酸中の1.2V(vs SHE)での定電位酸化電流(10分後)と溶液中の過酸化水素濃度との関係(過酸化水素−電流値の検量線)を予め求めておき、実測された被検査溶液の定電位酸化電流に基づき、検量線を用いて算出した(定電位電気化学的酸化法)。
(Examples 1-4)
According to the following procedure, the decomposition ability of the peroxide decomposition catalyst was investigated. That is, 30 ml of a 1 wt% aqueous solution of H 2 O 2 is placed in a container whose inner cylinder is made of polytetrafluoroethylene, and Ce 2 (CO 3 ) 3 · 8H 2 O (Example 1) is used as a peroxide decomposition catalyst. , Y 2 (CO) 3 .3H 2 O (Example 2), Ag 2 CO 3 (Example 3), or La 2 (CO 3 ) 3 (Example 4) was added in an amount of 0.1 g. After standing at 100 ° C. × 1 hr, the hydrogen peroxide concentration E 2 in the solution was measured, and the decomposition rate ΔE was determined by the above-described equation (2).
Note that the hydrogen peroxide concentration E 2 of the test solution, the relationship between the hydrogen peroxide concentration of the solution constant potential oxidation current (after 10 minutes) at 1.2V in 0.1M sulfuric acid (vs SHE) (A calibration curve of hydrogen peroxide-current value) was obtained in advance, and was calculated using a calibration curve based on the measured constant potential oxidation current of the solution to be tested (constant potential electrochemical oxidation method).

(比較例1)
炭酸塩に代えて、シュウ酸セリウム(Ce(C)・9HO)を用いた以外は、実施例1〜4と同一の手順に従い、分解率ΔEを求めた。
(Comparative Example 1)
The decomposition rate ΔE was determined according to the same procedure as in Examples 1 to 4, except that cerium oxalate (Ce 2 (C 2 O 4 ) 3 · 9H 2 O) was used instead of carbonate.

図1に、各種炭酸塩及びシュウ酸塩の分解率ΔEを示す。図1より、シュウ酸塩に比べ、炭酸塩の方が高い過酸化水素分解作用を有していることが分かる。シュウ酸塩の過酸化水素分解作用が炭酸塩より低いのは、水中に溶出したシュウ酸イオンが活性点(希土類元素又は遷移金属)に吸着し、触媒活性を低下させているためと考えられる。   FIG. 1 shows the decomposition rate ΔE of various carbonates and oxalates. From FIG. 1, it can be seen that carbonate has a higher hydrogen peroxide decomposition action than oxalate. The reason why the hydrogen peroxide decomposition action of oxalate is lower than that of carbonate is thought to be because oxalate ions eluted in water are adsorbed on the active sites (rare earth elements or transition metals) to reduce the catalytic activity.

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。また、所定の炭酸塩が固定された固体高分子電解質の用途は、固体高分子型燃料電池の電解質膜あるいは触媒層内電解質に限定されるものではなく、水電解装置、ハロゲン化水素酸電解装置、食塩電解装置、酸素及び/又は水素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等の各種電気化学デバイスに用いられる電解質膜、電極材料等としても用いることができる。   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. In addition, the use of the solid polymer electrolyte to which the predetermined carbonate is fixed is not limited to the electrolyte membrane or the electrolyte in the catalyst layer of the solid polymer fuel cell, but a water electrolysis device, hydrohalic acid electrolysis device It can also be used as electrolyte membranes, electrode materials, etc. used in various electrochemical devices such as salt electrolyzers, oxygen and / or hydrogen concentrators, humidity sensors, gas sensors and the like.

Claims (7)

電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体と、
前記電解質膜及び/又は電極に固定された、難溶性の炭酸塩を含む過酸化物分解触媒とを備えた固体高分子型燃料電池。
A membrane electrode assembly in which electrodes are bonded to both surfaces of the electrolyte membrane;
A polymer electrolyte fuel cell comprising a peroxide decomposition catalyst containing a hardly soluble carbonate fixed to the electrolyte membrane and / or electrode.
前記過酸化物分解触媒は、室温における水酸化物の溶解度積Kspが1×1020以下である金属元素の炭酸塩を含むものである請求項1に記載の固体高分子型燃料電池。 2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the peroxide decomposition catalyst includes a carbonate of a metal element having a hydroxide solubility product Ksp of 1 × 10 20 or less at room temperature. 前記過酸化物分解触媒は、希土類元素及び/又は遷移金属元素の炭酸塩を含むものである請求項1に記載の固体高分子型燃料電池。   2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the peroxide decomposition catalyst contains a rare earth element and / or a transition metal element carbonate. 前記過酸化物分解触媒は、Y(CO)、Y(CO)・3HO、
Ce(CO)、Ce(CO)・8HO、La(CO)
La(CO)・8HO、Nd(CO)、Nd(CO)・8HO、
MnCO、NiCO、NiCO・6HO、CoCO、AgCO
CeCOF、(Ce、La)(CO)・4HO、Ce(CO)O・HO、
CeO(CO)・HO、CeCOOH、Ce(CO)(OH)・HO、
CaY(CO)F、CaY(CO)・6HO、Y(CO)・2HO、
及び、Y(OH)CO
から選ばれる少なくとも1つである請求項1に記載の固体高分子型燃料電池。
The peroxide decomposition catalyst includes Y 2 (CO 3 ) 3 , Y 2 (CO 3 ) 3 · 3H 2 O,
Ce (CO 3 ) 2 , Ce 2 (CO 3 ) 3 · 8H 2 O, La 2 (CO 3 ) 3 ,
La 2 (CO 3 ) 3 · 8H 2 O, Nd 2 (CO 3 ) 3 , Nd 2 (CO 3 ) 3 · 8H 2 O,
MnCO 3, NiCO 3, NiCO 3 · 6H 2 O, CoCO 3, Ag 2 CO 3,
CeCO 3 F, (Ce, La) 2 (CO 3 ) 3 · 4H 2 O, Ce (CO 3 ) 2 O · H 2 O,
Ce 2 O (CO 3 ) 2 .H 2 O, CeCO 3 OH, Ce 2 (CO 3 ) 2 (OH) 2 .H 2 O,
CaY (CO 3 ) 2 F, CaY 2 (CO 3 ) 4 · 6H 2 O, Y 2 (CO 3 ) 3 · 2H 2 O,
And Y (OH) CO 3
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, which is at least one selected from the group consisting of:
前記過酸化物分解触媒は、その粒径が0.01μm〜5μmの微粒子である請求項1から4までのいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。   The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the peroxide decomposition catalyst is a fine particle having a particle size of 0.01 µm to 5 µm. 前記過酸化物分解触媒は、過酸化水素の分解率が10%以上である請求項1から5までのいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。   The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the peroxide decomposition catalyst has a decomposition rate of hydrogen peroxide of 10% or more. 固体高分子型燃料電池と、
該固体高分子型燃料電池に水及び/若しくは水蒸気を供給し、並びに/又は、前記固体高分子型燃料電池から排出される水及び/若しくは水蒸気を回収するための加湿経路と、
該加湿経路のいずれかに固定された、請求項1から6までのいずれかに記載の過酸化物分解触媒とを備えた燃料電池システム。
A polymer electrolyte fuel cell;
A humidification path for supplying water and / or water vapor to the polymer electrolyte fuel cell and / or recovering water and / or water vapor discharged from the polymer electrolyte fuel cell;
A fuel cell system comprising the peroxide decomposition catalyst according to any one of claims 1 to 6, which is fixed to any one of the humidification paths.
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