JP2012216313A - Catalyst layer for fuel cell, catalyst layer for fuel cell provided with substrate using the same, gas diffusion electrode for fuel cell, laminate of catalyst layer for fuel cell and electrolyte membrane, membrane electrode assembly for fuel cell, fuel cell and method for producing the same - Google Patents
Catalyst layer for fuel cell, catalyst layer for fuel cell provided with substrate using the same, gas diffusion electrode for fuel cell, laminate of catalyst layer for fuel cell and electrolyte membrane, membrane electrode assembly for fuel cell, fuel cell and method for producing the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2012216313A JP2012216313A JP2011079151A JP2011079151A JP2012216313A JP 2012216313 A JP2012216313 A JP 2012216313A JP 2011079151 A JP2011079151 A JP 2011079151A JP 2011079151 A JP2011079151 A JP 2011079151A JP 2012216313 A JP2012216313 A JP 2012216313A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- catalyst layer
- catalyst
- gas diffusion
- ionic liquid
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
本発明は、燃料電池用触媒層、及びそれを用いた基材付き燃料電池用触媒層、燃料電池用ガス拡散電極、燃料電池用触媒層−電解質膜積層体、燃料電池用膜電極接合体と燃料電池、並びにその製造方法に関する。 The present invention relates to a catalyst layer for a fuel cell, a catalyst layer for a fuel cell with a base material using the same, a gas diffusion electrode for a fuel cell, a catalyst layer-electrolyte membrane laminate for a fuel cell, a membrane electrode assembly for a fuel cell, and The present invention relates to a fuel cell and a manufacturing method thereof.
近年、環境意識の高まりとともに、CO2や汚染物質を排出しないクリーンエネルギーとして燃料電池が注目されている。その中でも、エネルギー効率が高く、温度領域が100℃前後と一般用に取り扱いやすい固体高分子電解質を用いた固体高分子形燃料電池(PEFC)の開発が期待されている。 In recent years, with increasing environmental awareness, fuel cells have attracted attention as clean energy that does not emit CO 2 or pollutants. Among them, the development of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) using a solid polymer electrolyte that has high energy efficiency and a temperature range of around 100 ° C. and is easy to handle for general use is expected.
固体高分子形燃料電池は、通常固体高分子電解質からなる電解質膜の両面に、触媒と固体高分子電解質を含む触媒電極が接合された膜電極接合体を基本単位とする。固体高分子電解質としては、一般的にデュポン社製のNafion(登録商標)で知られているパーフルオロスルホン酸等のフッ素系高分子電解質が用いられている。このパーフルオロスルホン酸等を固体高分子電解質として用いる膜電極接合体においては、プロトンがH3O+の状態で伝導されるため、加湿機構を備える必要があり、システムが煩雑になるという問題がある。 A solid polymer fuel cell has as its basic unit a membrane electrode assembly in which a catalyst and a catalyst electrode containing a solid polymer electrolyte are joined to both surfaces of an electrolyte membrane usually made of a solid polymer electrolyte. As the solid polymer electrolyte, a fluorine-based polymer electrolyte such as perfluorosulfonic acid that is generally known as Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont is used. In a membrane electrode assembly using perfluorosulfonic acid or the like as a solid polymer electrolyte, protons are conducted in the state of H 3 O + , so it is necessary to provide a humidification mechanism, and the system becomes complicated. is there.
一方、固体高分子形燃料電池において、より高い電池性能を得るには、触媒電極における水素や酸素、イオン、電子を効率よく移動させるための三相界面の設計が非常に重要となる。しかしながら、Nafionで知られているパーフルオロスルホン酸等のフッ素系高分子電解質は、80℃以上の高温でプロトン伝導性が著しく低下するという問題がある。そのため、80℃以上の高温下においては、パーフルオロスルホン酸等のフッ素系高分子電解質を含む触媒電極中の三相界面における電極反応が不十分となる。 On the other hand, in a polymer electrolyte fuel cell, in order to obtain higher cell performance, it is very important to design a three-phase interface for efficiently transferring hydrogen, oxygen, ions, and electrons in the catalyst electrode. However, a fluorine-based polymer electrolyte such as perfluorosulfonic acid known as Nafion has a problem that proton conductivity is remarkably lowered at a high temperature of 80 ° C. or higher. Therefore, at a high temperature of 80 ° C. or higher, the electrode reaction at the three-phase interface in the catalyst electrode containing a fluorine-based polymer electrolyte such as perfluorosulfonic acid becomes insufficient.
そこで、高温かつ無加湿状態でプロトン伝導性を有するプロトン伝導性電解質としてイオン液体を用いることが提案されている(例えば、特許文献1、2参照)。イオン液体は、(1)蒸気圧がゼロである若しくは極めて低い、(2)難燃性である、(3)イオン伝導性を有する、(4)低粘性である、(5)液体温度領域が広いなど電解質としての優れた特性を持っており、高温かつ無加湿条件下での燃料電池用の電解質として期待されている。しかしながら、イオン液体を用いた場合、イオン液体が触媒電極から流出し、電池性能が低下する場合がある。
Thus, it has been proposed to use an ionic liquid as a proton conductive electrolyte having proton conductivity in a high temperature and non-humidified state (see, for example,
本発明は、上記従来の問題を解決するため、高温かつ無加湿状態で優れた発電性能を有する燃料電池用触媒層、及びそれを用いた基材付き燃料電池用触媒層、燃料電池用ガス拡散電極、燃料電池用触媒層−電解質膜積層体、燃料電池用膜電極接合体と燃料電池、並びにその製造方法を提供する。 In order to solve the above-described conventional problems, the present invention provides a fuel cell catalyst layer having excellent power generation performance in a high temperature and non-humidified state, a fuel cell catalyst layer with a substrate using the same, and a fuel cell gas diffusion Provided are an electrode, a fuel cell catalyst layer-electrolyte membrane laminate, a fuel cell membrane electrode assembly and a fuel cell, and a method for producing the same.
本発明の燃料電池用触媒層は、電解質と触媒とを含む燃料電池用触媒層であって、上記電解質が、イオン液体と固体酸とリン酸類とを含むことを特徴とする。 The fuel cell catalyst layer of the present invention is a fuel cell catalyst layer containing an electrolyte and a catalyst, wherein the electrolyte contains an ionic liquid, a solid acid, and phosphoric acids.
本発明の基材付き燃料電池用触媒層は、本発明の燃料電池用触媒層と、基材とを備え、上記触媒層が、上記基材の一方の主面上に形成されていることを特徴とする。 The catalyst layer for a fuel cell with a substrate of the present invention comprises the catalyst layer for a fuel cell of the present invention and a substrate, and the catalyst layer is formed on one main surface of the substrate. Features.
本発明の燃料電池用ガス拡散電極は、本発明の燃料電池用触媒層と、ガス拡散層とを備え、上記触媒層が、上記ガス拡散層の主面上に配置されていることを特徴とする。 A gas diffusion electrode for a fuel cell of the present invention comprises the catalyst layer for a fuel cell of the present invention and a gas diffusion layer, and the catalyst layer is disposed on the main surface of the gas diffusion layer. To do.
本発明の燃料電池用触媒層−電解質膜積層体は、本発明の燃料電池用触媒層と、電解質膜とを備え、上記触媒層が、上記電解質膜の少なくとも一方の主面上に配置されていることを特徴とする。 The fuel cell catalyst layer-electrolyte membrane laminate of the present invention comprises the fuel cell catalyst layer of the present invention and an electrolyte membrane, and the catalyst layer is disposed on at least one main surface of the electrolyte membrane. It is characterized by being.
本発明の燃料電池用膜電極接合体は、本発明の燃料電池用触媒層と、電解質膜とガス拡散層とを備え、上記電解質膜の両方の主面上に、上記触媒層と上記ガス拡散層とがこの順番でそれぞれ積層されていることを特徴とする。 A membrane electrode assembly for a fuel cell of the present invention comprises the catalyst layer for a fuel cell of the present invention, an electrolyte membrane and a gas diffusion layer, and the catalyst layer and the gas diffusion on both main surfaces of the electrolyte membrane. The layers are laminated in this order.
本発明の燃料電池は、本発明の燃料電池用触媒層と、電解質膜とガス拡散層とセパレータとを備え、上記電解質膜の両方の主面上に、上記触媒層と上記ガス拡散層と上記セパレータとがこの順番でそれぞれ積層されていることを特徴とする。 The fuel cell of the present invention comprises the catalyst layer for a fuel cell of the present invention, an electrolyte membrane, a gas diffusion layer, and a separator, and the catalyst layer, the gas diffusion layer, and the above on both main surfaces of the electrolyte membrane. The separators are stacked in this order.
本発明の製造方法は、電解質と触媒とを含む燃料電池用触媒層の製造方法であって、電解質と触媒とを含む触媒層形成用組成物を用いて触媒層を形成する工程を含み、上記触媒層形成用組成物に電解質として固体酸とイオン液体とリン酸類とを含ませること、又は、上記触媒層形成用組成物がイオン液体及びリン酸類からなる群から選ばれる一種以上の電解質を含まない場合は、上記触媒層形成用組成物を用いて形成した触媒層にイオン液体及びリン酸類からなる群から選ばれる一種以上の電解質を塗布することにより、電解質としてイオン液体と固体酸とリン酸類とを含む触媒層を得ることを特徴とする。 The production method of the present invention is a method for producing a catalyst layer for a fuel cell comprising an electrolyte and a catalyst, comprising a step of forming a catalyst layer using a composition for forming a catalyst layer comprising an electrolyte and a catalyst, The catalyst layer forming composition includes a solid acid, an ionic liquid, and phosphoric acids as an electrolyte, or the catalyst layer forming composition includes one or more electrolytes selected from the group consisting of an ionic liquid and phosphoric acids. If not, by applying one or more electrolytes selected from the group consisting of ionic liquid and phosphoric acid to the catalyst layer formed using the catalyst layer forming composition, the ionic liquid, solid acid and phosphoric acid as the electrolyte A catalyst layer containing is obtained.
本発明は、イオン液体と固体酸とリン酸類とを電解質として触媒層に含ませることにより、高温かつ無加湿状態で優れた発電性能を有する燃料電池用触媒層、及びそれを用いた基材付き燃料電池用触媒層、燃料電池用ガス拡散電極、燃料電池用触媒層−電解質膜積層体、燃料電池用膜電極接合体と燃料電池を提供することができる。また、本発明の製造方法によれば、本発明の燃料電池用触媒層が容易に得られる。 The present invention includes a catalyst layer for a fuel cell having excellent power generation performance at high temperature and in a non-humidified state by including an ionic liquid, a solid acid and phosphoric acid as an electrolyte in the catalyst layer, and a substrate using the same A fuel cell catalyst layer, a fuel cell gas diffusion electrode, a fuel cell catalyst layer-electrolyte membrane laminate, a fuel cell membrane electrode assembly and a fuel cell can be provided. Moreover, according to the production method of the present invention, the fuel cell catalyst layer of the present invention can be easily obtained.
以下、図面等に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための材料や製造方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、材料や製造方法等を下記に限定するものではない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail based on the drawings. Note that the embodiments described below exemplify materials and manufacturing methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is limited to the following materials and manufacturing methods. Not what you want. The technical idea of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.
[実施形態1]
まず、本発明の実施形態1として、燃料電池用触媒層について説明する。
[Embodiment 1]
First, a fuel cell catalyst layer will be described as
(燃料電池用触媒層)
本発明の実施形態1に係る燃料電池用触媒層(以下において、単に触媒層とも記す。)は、電解質と触媒とを含み、上記電解質はイオン液体と固体酸とリン酸類とを含む。上記触媒層に、イオン液体に併せて固体酸とリン酸類を触媒層中に電解質として含ませることにより、イオン液体と固体酸のみを触媒層中に電解質として含ませる場合と比較し、リン酸類が含まれていることにより触媒層におけるプロトン伝導性が良好になる。また、イオン液体とリン酸類のみを触媒層中に電解質として含ませる場合と比較し、固体酸が含まれていることにより触媒層からのイオン液体やリン酸類の流出を防ぐことができ、且つ固体酸がプロトン伝導を担うことにより、イオン液体やリン酸の流出による電池性能の低下やリン酸の浸出による燃料電池の腐食が防止でき、触媒層におけるプロトン伝導性が良好になる。
(Fuel cell catalyst layer)
The fuel cell catalyst layer (hereinafter also simply referred to as catalyst layer) according to
上記触媒層の厚みは、電極基材の種類、電解質膜の厚み等を考慮して適宜決定すれば良い。上記触媒層の厚みは、例えば、通常20〜3000μm、好ましくは20〜2000μmである。 The thickness of the catalyst layer may be appropriately determined in consideration of the type of electrode substrate, the thickness of the electrolyte membrane, and the like. The thickness of the catalyst layer is, for example, usually 20 to 3000 μm, preferably 20 to 2000 μm.
<触媒>
触媒としては、燃料電池におけるアノード及び/又はカソード反応を促進する物質であればよく、特に限定されない。例えば、白金担持カーボン、白金−ルテニウム担持カーボン、白金−コバルト担持カーボン、金担持カーボン、銀担持カーボン、鉄−コバルト−ニッケル担持カーボン等の金属担持カーボン;白金ブラック、白金−ルテニウムブラック、白金−コバルトブラック、金ブラック、銀ブラック等の金属微粒子;モリブデンカーバイド等の無機物質等を挙げることができる。このうち触媒活性の高い白金担持カーボン、リン酸被毒の少ないモリブデンカーバイド等が好適である。
<Catalyst>
The catalyst is not particularly limited as long as it is a substance that promotes the anode and / or cathode reaction in the fuel cell. For example, platinum-supported carbon, platinum-ruthenium-supported carbon, platinum-cobalt-supported carbon, gold-supported carbon, silver-supported carbon, iron-cobalt-nickel-supported carbon, etc .; platinum black, platinum-ruthenium black, platinum-cobalt Examples thereof include metal fine particles such as black, gold black and silver black; inorganic substances such as molybdenum carbide. Of these, platinum-supporting carbon with high catalytic activity, molybdenum carbide with low phosphoric acid poisoning, and the like are suitable.
<イオン液体>
本発明において、「イオン液体」とは、常温溶融塩とも言われ、イオンのみからなる溶融体のうち、常温(20±15℃)において液体状態となるものを意味する。イオン液体は、カチオン成分とアニオン成分とで構成される。
<Ionic liquid>
In the present invention, the “ionic liquid” is also referred to as a room temperature molten salt, and means a liquid that is in a liquid state at room temperature (20 ± 15 ° C.) among melts composed only of ions. The ionic liquid is composed of a cation component and an anion component.
イオン液体のカチオン成分としては、特に限定されないが、例えば、イミダゾリウム誘導体、ピリジニウム誘導体、ピロリジニウム誘導体、アンモニウム誘導体、含窒素複素環を持つもの、グアニジニウム誘導体、イソウロニウム誘導体等が挙げられる。中でも、耐熱性及び導電性等に優れるという観点から、イミダゾリウム誘導体及びアンモニウム誘導体からなる群から選ばれる一種以上であることが好ましく、1−メチル−3−メチルイミダゾリウムカチオン、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムカチオン及びジエチルメチルアンモニウムカチオンからなる群から選ばれる一種以上であることがより好ましい。 The cation component of the ionic liquid is not particularly limited, and examples thereof include imidazolium derivatives, pyridinium derivatives, pyrrolidinium derivatives, ammonium derivatives, those having a nitrogen-containing heterocyclic ring, guanidinium derivatives, and isouronium derivatives. Among these, from the viewpoint of excellent heat resistance and conductivity, it is preferably at least one selected from the group consisting of an imidazolium derivative and an ammonium derivative, such as 1-methyl-3-methylimidazolium cation, 1-ethyl-3 -More preferably, it is at least one selected from the group consisting of a methylimidazolium cation and a diethylmethylammonium cation.
イオン液体のアニオン成分としては、特に限定されないが、例えば、スルフェート類、スルホン酸類、アミド類、イミド類、メタン類、ハロゲン類、ホウ素含有アニオン類、リン酸塩類、アンチモン類、ヒドロフッ化物アニオン、フッ素系アニオン、チオシアネート等が挙げられる。中でも、耐熱性、導電性等の観点から、スルフェート類、イミド類及びチオシアネート類からなる群から選ばれる一種以上であることが好ましく、[CF3SO3]-、[(FSO2)2N]-及び[SCN]-からなる群から選ばれる一種以上であることがより好ましい。イオン伝導性に優れるという観点から、アニオン成分が[CF3SO3]-、[(FSO2)2N]-、[SCN]-、[HSO4]-及びビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(bis(trifluoromethanesulfonyl)amide、以下においてHTFSIとも記す。)からなる群から選ばれる一種以上であることが好ましく、[CF3SO3]-、[HSO4]-及びHTFSIからなる群から選ばれる一種以上であることがより好ましい。 The anion component of the ionic liquid is not particularly limited. For example, sulfates, sulfonic acids, amides, imides, methanes, halogens, boron-containing anions, phosphates, antimony, hydrofluoride anion, fluorine System anions, thiocyanates and the like. Among these, from the viewpoint of heat resistance, conductivity, etc., it is preferably at least one selected from the group consisting of sulfates, imides and thiocyanates, [CF 3 SO 3 ] − , [(FSO 2 ) 2 N] - and [SCN] - it is more preferably one or more selected from the group consisting of. From the viewpoint of excellent ion conductivity, the anion components are [CF 3 SO 3 ] − , [(FSO 2 ) 2 N] − , [SCN] − , [HSO 4 ] − and bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (bis). (Trifluoromethanesulfonyl) amide, also referred to as HTFSI in the following) is preferably one or more selected from the group consisting of [CF 3 SO 3 ] − , [HSO 4 ] − and HTFSI. More preferably.
また、本発明において、イオン液体は、プロティックなイオンを含むことが好ましい。本発明において、「プロティックなイオン」とは、プロトン受容性及び/又はプロトン供与性を有するイオンを意味する。 In the present invention, the ionic liquid preferably contains protic ions. In the present invention, “protic ion” means an ion having proton accepting property and / or proton donating property.
プロティックなイオンとしては、特に限定されないが、例えばプロトン硫酸一水素イオン(HSO4 -)、リン酸一水素イオン(HPO4 2-)、リン酸二水素イオン(H2PO4 -)、セレン酸一水素イオン(HSeO4 -)、ピロリン酸一水素イオン(HP2O7 3-)、ピロリン酸二水素イオン(H2P2O7 2-)、ピロリン酸三水素イオン(H3P2O7 -)、ホスホン酸一水素イオン(H2PO3 -)等が挙げられる。 The protic ion is not particularly limited, and examples thereof include proton monohydrogen sulfate ion (HSO 4 − ), monohydrogen phosphate ion (HPO 4 2− ), dihydrogen phosphate ion (H 2 PO 4 − ), and selenium. Acid monohydrogen ion (HSeO 4 − ), pyrohydrogen monohydrogen ion (HP 2 O 7 3− ), dihydrogen pyrophosphate ion (H 2 P 2 O 7 2− ), trihydrogen pyrophosphate ion (H 3 P 2) O 7 − ), phosphonate monohydrogen ion (H 2 PO 3 − ) and the like.
イオン液体は、上述のカチオン成分を一種含んでもよく、二種以上含んでも良い。イオン液体は、上述のアニオン成分を一種含んでもよく、二種以上含んでも良い。 The ionic liquid may contain one or more of the above-mentioned cation components. The ionic liquid may contain one or more of the above-described anionic components.
イオン液体は、公知の方法(例えば、J. AM. CHEM. SOC. 2010,132,9764−9773頁等参照)によって得ることができる。本発明では、公知の方法にて製造したイオン液体を使用しても良いし、市販品を使用しても良い。市販品としては、例えば、三菱マテリアル株式会社製の1−エチル−3−メチルイミダゾリウム ビス(フルオロスルホニル)イミド[1−Ethyl−3−methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imide]、メルク株式会社製の1−エチル−3−メチルイミダゾリウム トリフラート[1−Ethyl−3−methylimidazolium triflate]、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム 硫酸水素塩[1−Ethyl−3−methylimidazolium hydrogensulfate]、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム チオシアネート[1−Ethyl−3−methylimidazolium thiocyanate]等を用いることができる。或いは、市販品のカチオン成分とアニオン成分を混合して得られるイオン液体、例えば、東京化成工業社製のイミダゾル(Imidazole)と、和光純薬工業社製のHTFSIを混合して得られるイミダゾリウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド、東京化成工業社製の2−エチルイミダゾル(2−ethylimidazole)と、和光純薬工業社製のHTFSIを混合して得られるイミダゾリウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド等を用いてもよい。 The ionic liquid can be obtained by a known method (for example, see J. AM. CHEM. SOC. 2010, 132, pages 964-9773, etc.). In the present invention, an ionic liquid produced by a known method may be used, or a commercially available product may be used. Examples of commercially available products include 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (fluorosulfonyl) imide [1-Ethyl-3-methylimidazolium bis (fluorosulfonyl) imide] manufactured by Mitsubishi Materials Corporation, Ethyl-3-methylimidazolium triflate [1-Ethyl-3-methylimidazolium triflate], 1-Ethyl-3-methylimidazolium hydrogensulfate [1-Ethyl-3-methylimidazolium hydrosulfate], 1-ethyl-3-methylimidazole Lithium thiocyanate [1-Ethyl-3-methylimidazolium thiocynate] etc. can be used. . Alternatively, an ionic liquid obtained by mixing a commercially available cation component and an anion component, for example, imidazolium bis obtained by mixing imidazole manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. and HTFSI manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. (Trifluoromethanesulfonyl) amide, 2-ethylimidazole manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., and imidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide obtained by mixing HTFSI manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. It may be used.
<リン酸類>
本発明において、「リン酸類」とは、オルトリン酸及びリン酸縮合体を意味する。リン酸縮合体としては、ピロリン酸、トリポリリン酸、ポリリン酸、メタリン酸等が挙げられる。イオン伝導度、濃度、取り扱い性等の観点から、リン酸類としては、濃度が75〜122質量%のリン酸(H3PO4)水溶液を用いることが好ましく、85〜122質量%のリン酸(H3PO4)水溶液を用いることがより好ましい。
<Phosphate>
In the present invention, “phosphoric acids” means orthophosphoric acid and phosphoric acid condensate. Examples of phosphoric acid condensates include pyrophosphoric acid, tripolyphosphoric acid, polyphosphoric acid, and metaphosphoric acid. From the viewpoint of ionic conductivity, concentration, handleability, and the like, it is preferable to use a phosphoric acid (H 3 PO 4 ) aqueous solution having a concentration of 75 to 122% by mass as phosphoric acid, and 85 to 122% by mass of phosphoric acid ( It is more preferable to use a H 3 PO 4 ) aqueous solution.
<固体酸>
本発明において、「固体酸」とは、固体でありながら、酸の特性を示すものを意味する。固体酸としては、特に限定されず、例えば無機固体酸や有機固体酸を用いることができ、プロトン伝導性の観点から、室温から200℃までの温度範囲かつ無加湿雰囲気下において、プロトン伝導性を有する固体酸を用いることが好ましい。本発明において、無加湿雰囲気下とは、固体酸が置かれた雰囲気中に意図的な加湿を行わないことを意味する。また、室温とは、本発明の目的においては、固体酸が置かれた雰囲気中に意図的な温度調整を行わないことを意味する。
<Solid acid>
In the present invention, the “solid acid” means a solid that exhibits acid characteristics. The solid acid is not particularly limited. For example, an inorganic solid acid or an organic solid acid can be used. From the viewpoint of proton conductivity, proton conductivity can be obtained in a temperature range from room temperature to 200 ° C. and in a non-humidified atmosphere. It is preferable to use a solid acid. In the present invention, the non-humidified atmosphere means that intentional humidification is not performed in the atmosphere where the solid acid is placed. Moreover, room temperature means that intentional temperature adjustment is not performed in the atmosphere in which the solid acid is placed for the purpose of the present invention.
上記有機固体酸としては、固体でありかつ有機酸であればよく、特に限定されないが、スルホン酸基を有する有機固体酸、ナフタレン系化合物などを用いることが好ましい。上記スルホン酸基を有する化合物としては、例えばベンゼンスルホン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸、2−ナフタレンスルホン酸、1,5−ナフタレンジスルホン酸、2,6−ナフタレンジスルホン酸、1,3,6−ナフタレントリスルホン酸、1,3,5,7−ナフタレンテトラスルホン酸等を用いることができる。また、上記ナフタレン系化合物としては、例えばナフタレン、2−メチルナフタレン、1−ナフトール、2−ナフトール、ナフトエ酸、ナフトニトリル、ナフチルアミン、アセナフテン等を用いることができる。上記有機酸は単独又は一種以上を混合して用いても良い。 The organic solid acid is not particularly limited as long as it is a solid and an organic acid, but it is preferable to use an organic solid acid having a sulfonic acid group, a naphthalene compound, or the like. Examples of the compound having a sulfonic acid group include benzenesulfonic acid, dodecylbenzenesulfonic acid, 2-naphthalenesulfonic acid, 1,5-naphthalenedisulfonic acid, 2,6-naphthalenedisulfonic acid, 1,3,6-naphthalenetri Sulfonic acid, 1,3,5,7-naphthalene tetrasulfonic acid and the like can be used. Examples of the naphthalene-based compound include naphthalene, 2-methylnaphthalene, 1-naphthol, 2-naphthol, naphthoic acid, naphthonitrile, naphthylamine, and acenaphthene. You may use the said organic acid individually or in mixture of 1 or more types.
上記無機固体酸としては、例えばプロトン伝導性を有する無機固体酸を用いることができ、プロトン伝導性を有する無機塩であることが好ましい。 As the inorganic solid acid, for example, an inorganic solid acid having proton conductivity can be used, and an inorganic salt having proton conductivity is preferable.
上記プロトン伝導性を有する無機塩としては、金属リン酸塩、金属硫酸塩等が挙げられる。 Examples of the inorganic salt having proton conductivity include metal phosphates and metal sulfates.
上記金属リン酸塩としては、オルトリン酸塩、ピロリン酸塩等の化合物を挙げることができる。上記金属リン酸塩としては、具体的には、スズ、ジルコニウム、セシウム、タングステン等のオルトリン酸塩やピロリン酸塩を挙げることができる。 Examples of the metal phosphate include compounds such as orthophosphate and pyrophosphate. Specific examples of the metal phosphate include orthophosphates and pyrophosphates such as tin, zirconium, cesium, and tungsten.
上記ピロリン酸塩としては、プロトン伝導性に優れるという観点から、下記一般式(1)で表される金属リン酸塩を用いることが好ましい。 As the pyrophosphate, a metal phosphate represented by the following general formula (1) is preferably used from the viewpoint of excellent proton conductivity.
[化1]
M1-xDxP2O7 (1)
[Chemical 1]
M 1-x D x P 2 O 7 (1)
但し、一般式(1)中、xは0≦x<0.5であり、M(主金属)はZr、Cs、Sn、Ti、Si、Ge、Pb、Hf、Ca、Mg、W、Na及びAlからなる群から選ばれる一種であり、D(ドープ金属)はAl、In、B、Ga、Sc、Yb、Ce、La、Sb、Y、Nb及びMgからなる群から選ばれる一種である。 However, in the general formula (1), x is 0 ≦ x <0.5, and M (main metal) is Zr, Cs, Sn, Ti, Si, Ge, Pb, Hf, Ca, Mg, W, Na And D (doped metal) is a kind selected from the group consisting of Al, In, B, Ga, Sc, Yb, Ce, La, Sb, Y, Nb and Mg. .
上記一般式(1)で表される金属リン酸塩としては、Zr、Cs、Sn、Ti、Si、Ge、Pb、Hf、Ca、Mg、W、Na又はAlを主金属として、主金属と異なる金属をドープしたピロリン酸塩が好ましい。ドープ金属を用いた場合、リン酸塩としての安定性の点から、上記主金属としてはSn、Cs、Ti又はZrを用いることが好ましい。より好ましくは、スズやセシウム等の金属の一部がインジウム、アルミニウムやアンチモン等のドープ金属元素で置換されたピロリン酸塩である。 The metal phosphate represented by the general formula (1) includes Zr, Cs, Sn, Ti, Si, Ge, Pb, Hf, Ca, Mg, W, Na, or Al as the main metal, Pyrophosphates doped with different metals are preferred. When a doped metal is used, it is preferable to use Sn, Cs, Ti, or Zr as the main metal from the viewpoint of stability as a phosphate. More preferably, it is a pyrophosphate in which a part of a metal such as tin or cesium is substituted with a doped metal element such as indium, aluminum or antimony.
上記ドープ金属としては、例えば、Snを主金属として用いた場合、主金属と固溶可能なものであることから、In、Al等が好適である。主金属とドープ金属の配合比率は固溶限界により異なるが、Snを主金属、Inをドープ金属として用いる場合、例えば、モル比で、Sn:In=7:3〜9.8:0.2の範囲が望ましい。 As the doped metal, for example, when Sn is used as the main metal, In, Al, and the like are preferable because they can be dissolved in the main metal. The mixing ratio of the main metal and the dope metal varies depending on the solid solubility limit. However, when Sn is used as the main metal and In is used as the dope metal, for example, the molar ratio is Sn: In = 7: 3-9.8: 0.2 A range of is desirable.
上記一般式(1)で表される金属リン酸塩は、例えば一種以上の金属酸化物とリン酸を加熱して、熱処理することにより合成することができる。 The metal phosphate represented by the general formula (1) can be synthesized, for example, by heating one or more metal oxides and phosphoric acid and performing heat treatment.
上記金属酸化物としては、リン酸と結晶性塩を生成可能なものであればよく、特に限定されない。例えば、Zr、Cs、Sn、Ti、Si、Ge、Pb、Hf、Ca、Mg、W、Na及びAlの酸化物が挙げられる。また、上記リン酸としては、液体リン酸と固体リン酸のいずれを用いてもよい。熱処理時におけるリン酸消失の問題を回避する観点から、固体リン酸を用いることが好ましい。固体リン酸としては、例えば、リン酸一水素アンモニウム、リン酸二水素アンモニウム等を用いることができる。 The metal oxide is not particularly limited as long as it can generate phosphoric acid and a crystalline salt. Examples thereof include oxides of Zr, Cs, Sn, Ti, Si, Ge, Pb, Hf, Ca, Mg, W, Na, and Al. As the phosphoric acid, either liquid phosphoric acid or solid phosphoric acid may be used. From the viewpoint of avoiding the problem of loss of phosphoric acid during heat treatment, it is preferable to use solid phosphoric acid. As solid phosphoric acid, for example, ammonium monohydrogen phosphate, ammonium dihydrogen phosphate and the like can be used.
上記一般式(1)で表される金属リン酸塩は、具体的には、以下のようにして作製することができる。まず、スズ等の主金属を含む化合物(以下、単に主金属化合物とも記す。)及びインジウム等のドープ金属を含む化合物(以下、単にドープ金属化合物とも記す。)と、液体リン酸を混合して混合物を得る。次いで、得られた混合物に水を加えて、100〜300℃の温度で、1〜3時間スターラー等を用いて攪拌して分散させて分散液を得る。得られた分散液を坩堝に入れて、例えば、300〜700℃の温度で、1〜3時間焼成する。上記高温状態ではリン酸が消失する恐れがあるため、液体リン酸のモル数は過剰に、例えば、モル当量の1.1〜1.5倍加えるのが望ましい。なお、主金属化合物及びドープ金属化合物としては、例えば金属酸化物、金属水酸化物、金属塩化物、金属硝酸化物等を用いることができる。 Specifically, the metal phosphate represented by the general formula (1) can be produced as follows. First, a compound containing a main metal such as tin (hereinafter simply referred to as a main metal compound) and a compound containing a doped metal such as indium (hereinafter also simply referred to as a doped metal compound) and liquid phosphoric acid are mixed. A mixture is obtained. Next, water is added to the obtained mixture, and the mixture is stirred and dispersed with a stirrer or the like at a temperature of 100 to 300 ° C. for 1 to 3 hours to obtain a dispersion. The obtained dispersion is put in a crucible and baked at a temperature of 300 to 700 ° C. for 1 to 3 hours, for example. Since phosphoric acid may be lost in the high temperature state, it is desirable to add the liquid phosphoric acid in excess, for example, 1.1 to 1.5 times the molar equivalent. In addition, as a main metal compound and dope metal compound, a metal oxide, a metal hydroxide, a metal chloride, a metal nitrate etc. can be used, for example.
上記において、焼成時におけるリン酸消失の問題を回避するため、液体リン酸に替えて固体リン酸を用いても良い。固体リン酸としては、例えば、リン酸一水素アンモニウム、リン酸二水素アンモニウム等を用いて、スズ等の主金属を含む金属酸化物及びインジウム等のドープ金属を含む金属酸化物と所定のモル数で混合する。主金属を含む金属酸化物とドープ金属を含む金属酸化物は、主金属とドープ金属のモル比を、例えば、9:1〜1:1にして混合したものがよい。得られた混合物を坩堝に投入し、例えば、300〜650℃の温度で、1〜3時間焼成する。次いで、得られた生成物をめのう鉢で粉砕して、所望の金属リン酸塩を得ることができる。固体リン酸を用いることにより、モル当量のリン酸が、金属酸化物と反応し、余剰物は高温により揮発するため余剰のリン酸が付着せず再現性の良い金属リン酸塩を得ることができる。 In the above, in order to avoid the problem of disappearance of phosphoric acid during firing, solid phosphoric acid may be used instead of liquid phosphoric acid. As the solid phosphoric acid, for example, using ammonium monohydrogen phosphate, ammonium dihydrogen phosphate, etc., a metal oxide containing a main metal such as tin and a metal oxide containing a doped metal such as indium and a predetermined number of moles. Mix with. The metal oxide containing the main metal and the metal oxide containing the doped metal are preferably mixed at a molar ratio of the main metal to the doped metal of, for example, 9: 1 to 1: 1. The obtained mixture is put into a crucible and baked at a temperature of 300 to 650 ° C. for 1 to 3 hours, for example. The resulting product can then be ground in an agate bowl to give the desired metal phosphate. By using solid phosphoric acid, a molar equivalent of phosphoric acid reacts with the metal oxide, and the excess is volatilized at a high temperature, so that excess phosphoric acid does not adhere and a reproducible metal phosphate can be obtained. it can.
また、上記金属リン酸塩は、共沈法で作製することも可能である。例えば、塩化スズ五水和物(SnCl4・5H2O)及び塩化インジウム四水和物(InCl3・4H2O)を、スズとインジウムが約9:1のモル比となるよう所定濃度の水溶液に調整した後、スターラーで攪拌しながら、アンモニア水溶液をpH7になるまで滴下することにより、水酸化スズ(Sn(OH)4)中に微量な水酸化インジウム(In(OH)3)が均一に存在した状態の沈殿物が得られる。その後、沈殿物を吸引・濾過して乾燥させ、乾燥した沈殿物とリン酸を混合し、還元雰囲気下で約200℃、約2時間熱処理を行うことにより、金属リン酸塩を得ることができる。最後に脱イオン水で洗浄を行う。共沈法によれば、所望の複数の金属イオンを含む溶液から複数種類の難溶性塩を同時に沈殿させることで、ドープ金属を主金属リン酸塩に均一にドープした金属リン酸塩を調整することができる。 Moreover, the said metal phosphate can also be produced by a coprecipitation method. For example, tin chloride pentahydrate (SnCl 4 .5H 2 O) and indium chloride tetrahydrate (InCl 3 .4H 2 O) are added at a predetermined concentration so that a molar ratio of tin to indium is about 9: 1. After adjusting to an aqueous solution, while stirring with a stirrer, an aqueous ammonia solution is added dropwise until the pH becomes 7, whereby a small amount of indium hydroxide (In (OH) 3 ) is uniformly contained in tin hydroxide (Sn (OH) 4 ). A precipitate in the state present in is obtained. Thereafter, the precipitate is sucked and filtered to dry, the dried precipitate and phosphoric acid are mixed, and heat treatment is performed at about 200 ° C. for about 2 hours in a reducing atmosphere to obtain a metal phosphate. . Finally, wash with deionized water. According to the coprecipitation method, a metal phosphate in which a doped metal is uniformly doped into a main metal phosphate is prepared by simultaneously precipitating a plurality of types of hardly soluble salts from a solution containing a plurality of desired metal ions. be able to.
また、上記プロトン伝導性を有する無機塩としては、ヘテロポリ酸と無機塩の複合体を用いてもよい。上記無機塩としては、硫酸水素塩、リン酸水素塩等が挙げられる。上記硫酸水素塩としては、硫酸水素セシウム、硫酸水素カリウム等を挙げることができる。上記リン酸水素塩としては、リン酸水素セシウム等を挙げることができる。また、硫酸水素塩やリン酸水素塩の替わりに炭酸セシウム(Cs2CO3)、硫酸セシウム(Cs2SO4)等を用いてもよい。上記ヘテロポリ酸としては、タングステンリン酸(H3PW12O40:WPA)等が挙げられる。上記ヘテロポリ酸と無機塩の複合体としては、プロトン伝導性の観点から、硫酸水素塩とヘテロポリ酸の複合体が好ましく、より好ましいのはメカノケミカル法によって得られる硫酸水素カリウムとタングステンリン酸の複合体である。 Further, as the inorganic salt having proton conductivity, a complex of a heteropolyacid and an inorganic salt may be used. Examples of the inorganic salt include hydrogen sulfate and hydrogen phosphate. Examples of the hydrogen sulfate include cesium hydrogen sulfate and potassium hydrogen sulfate. Examples of the hydrogen phosphate include cesium hydrogen phosphate. Further, cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ), cesium sulfate (Cs 2 SO 4 ), or the like may be used instead of hydrogen sulfate or hydrogen phosphate. Examples of the heteropolyacid include tungsten phosphoric acid (H 3 PW 12 O 40 : WPA). From the viewpoint of proton conductivity, the complex of heteropolyacid and inorganic salt is preferably a complex of hydrogensulfate and heteropolyacid, more preferably a complex of potassium hydrogensulfate and tungsten phosphate obtained by a mechanochemical method. Is the body.
ヘテロポリ酸と無機塩の複合体の一種であるタングステンリン酸と硫酸水素カリウム(KHSO4)の複合体は、例えば以下のようなメカノケミカル法で作製することができる。WPA(H3PW12O40:12タングスト(VI)リン酸n水和物)をあらかじめ温度60℃で5〜24時間乾燥することにより、六水和物(WPA・6H2O)にする。次いで、得られたWPA・6H2Oと硫酸水素カリウム(KHSO4)とボールをめのうポットに入れる。その後、遊星ボールミル(フリッチェ・ジャパン株式会社製、P−7)で720rpm、10分混合することにより、タングステンリン酸と硫酸水素カリウム(KHSO4)の複合体が得られる。タングステンリン酸と硫酸水素カリウムの配合量は、モル比で、例えば、1:99〜40:60であることが好ましい。 A complex of tungsten phosphoric acid and potassium hydrogen sulfate (KHSO 4 ), which is a kind of a complex of a heteropolyacid and an inorganic salt, can be produced by, for example, the following mechanochemical method. WPA (H 3 PW 12 O 40 : 12 Tungsto (VI) phosphoric acid n hydrate) is preliminarily dried at a temperature of 60 ° C. for 5 to 24 hours to form hexahydrate (WPA · 6H 2 O). Next, the obtained WPA · 6H 2 O, potassium hydrogen sulfate (KHSO 4 ) and the ball are put in an agate pot. Then, the complex of tungsten phosphoric acid and potassium hydrogen sulfate (KHSO 4 ) is obtained by mixing at 720 rpm for 10 minutes with a planetary ball mill (manufactured by Frichce Japan KK, P-7). It is preferable that the compounding quantity of tungsten phosphoric acid and potassium hydrogensulfate is 1: 99-40: 60 by molar ratio, for example.
なお、上記メカノケミカル法では、ボールミル等を用いたミリングによって得られる衝撃や摩擦等の大きな機械的エネルギーを利用することによって、タングステンリン酸と硫酸水素カリウムの複合体を合成している。したがって、上記メカノケミカル法でタングステンリン酸と硫酸水素カリウムの複合体を作製する場合には、金属リン酸塩の作製時等のように高温プロセスを必要としないため、作製が比較的容易であるという利点がある。 In the mechanochemical method, a composite of tungsten phosphate and potassium hydrogen sulfate is synthesized by utilizing a large mechanical energy such as impact and friction obtained by milling using a ball mill or the like. Therefore, when a complex of tungsten phosphoric acid and potassium hydrogen sulfate is produced by the above mechanochemical method, it is relatively easy to produce because a high-temperature process is not required as in the production of metal phosphate. There is an advantage.
上記ミリング処理により、WPAのケギンアニオンPW12O40 3-とKHSO4のHSO4 -アニオンがブレンステッド酸−塩基対の形で水素結合を形成することが導電率の向上に関係していると考えられる。硫酸水素塩とヘテロポリ酸をメカノケミカル法により複合化し、無機固体表面に欠陥構造やランダム構造を高密度に導入し、水素結合ネットワークを設計することが、広い温度範囲で高いプロトン伝導性を有する複合体を合成するための一つの重要な指針となる。 It is thought that the above-mentioned milling treatment is related to the improvement of conductivity by the formation of hydrogen bonds in the form of Bronsted acid-base pairs between the KPA Keggin anion PW 12 O 40 3− and the HSO 4 − anion of KHSO 4. It is done. Combining hydrogen sulfate and heteropoly acid by mechanochemical method, introducing defect structures and random structures at high density on the surface of inorganic solids, and designing a hydrogen bond network is a composite with high proton conductivity in a wide temperature range It is an important guide for synthesizing the body.
また、上記固体酸としては、プロトン伝導性に優れるという観点から、下記一般式(2)で表される金属リン酸塩又は金属硫酸塩を用いることが好ましい。 Moreover, as said solid acid, it is preferable to use the metal phosphate or metal sulfate represented by following General formula (2) from a viewpoint that it is excellent in proton conductivity.
[化2]
LaHb(XOt)c (2)
[Chemical formula 2]
L a H b (XO t ) c (2)
但し、一般式(2)中、LはK、Rb及びCsからなる群から選ばれる一種であり、XはP及びSからなる群から選ばれる一種であり、a、b、c及びtは有理数である。 However, in General formula (2), L is 1 type chosen from the group which consists of K, Rb, and Cs, X is 1 type chosen from the group which consists of P and S, and a, b, c, and t are rational numbers. It is.
上記一般式(2)で表される金属リン酸塩の中でも、下記一般式(3)で表される金属リン酸塩又は金属硫酸塩を用いることがより好ましい。 Among the metal phosphates represented by the general formula (2), it is more preferable to use a metal phosphate or a metal sulfate represented by the following general formula (3).
[化3]
CsaHb(XOt)c (3)
[Chemical formula 3]
Cs a H b (XO t ) c (3)
上記一般式(3)で表される金属リン酸塩又は金属硫酸塩としては、例えばリン酸セシウム(セシウムリン酸)、硫酸セシウム等が挙げられる。また、上記リン酸セシウムとしては、リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)、二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO4)2)等が挙げられる。 Examples of the metal phosphate or metal sulfate represented by the general formula (3) include cesium phosphate (cesium phosphate) and cesium sulfate. Examples of the cesium phosphate include cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ), cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ), and the like.
また、上記固体酸としては、セシウムリン酸とリン酸ケイ素(SiP2O7)の複合体を用いても良い。上記セシウムリン酸としては、リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)、二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO4)2)等を挙げることができる。なお、セシウムリン酸、リン酸ケイ素、及びそれらの複合体は、例えば、“Toshiaki Matsui, Tomokazu Kukino, Ryuji Kikuchi, and koichi Eguchi, The Electrochemical Society 153 (2) A339−A342頁(2006)”、或いは、“Toshiaki Matsui, Tomokazu Kukino, Ryuji Kikuchi, and koichi Eguchi, Electrochemical Acta 51 (2006) 3719−3723頁”等を参照して製造することができる。 Further, as the solid acid, a complex of cesium phosphoric acid and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) may be used. Examples of the cesium phosphoric acid include cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ), cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ), and the like. In addition, cesium phosphate, silicon phosphate, and those composites are, for example, “Toshiaki Matsui, Tomokazu Kukino, Ryuji Kikuchi, and Koichi Eguchi, The 3 A3, A3. "Toshiaki Matsui, Tomokazu Kukino, Ryuji Kikuchi, and koichi Eguchi, Electrochemical Acta 51 (2006) 3719-3723" and the like.
リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)とリン酸ケイ素(SiP2O7)の複合体又は二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO4)2)とリン酸ケイ素(SiP2O7)の複合体は、例えば、以下のようにして作製する。 Complex of cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) or cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) For example, the composite is prepared as follows.
まず、リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)又は二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO4)2)を、以下のようにして作製する。炭酸セシウム(Cs2CO3)及び水を混合し、スターラー等を用いて撹拌子で撹拌する。次いで、液体リン酸を少量ずつ滴下し、100〜150℃の温度で、1〜3時間、撹拌しながら水を蒸発させる。その後、オーブンに入れて、例えば、100〜150℃の温度で乾燥する。乾燥する時間は、例えば、1日〜数日である。次いで、得られた生成物をめのう鉢で粉砕して粉末状にし、所望のリン酸二水素セシウム(CsH2PO4)又は二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO4)2)を得ることができる。 First, cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) or cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) is prepared as follows. Cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ) and water are mixed and stirred with a stir bar using a stirrer or the like. Subsequently, liquid phosphoric acid is dripped little by little, and water is evaporated, stirring at the temperature of 100-150 degreeC for 1-3 hours. Then, it puts into oven and is dried at the temperature of 100-150 degreeC, for example. The drying time is, for example, 1 day to several days. Next, the obtained product is pulverized in an agate bowl into a powder form to obtain the desired cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) or cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ). Can do.
次に、リン酸ケイ素(SiP2O7)は、以下のようにして作製する。二酸化ケイ素(SiO2)と液体リン酸を混合した混合物をめのうばちに入れ、水あめ状になるまで混ぜる。その後、アルミナ坩堝に入れて、100〜700℃の温度で焼成する。焼成する時間は、例えば、30〜80時間である。次いで、得られた生成物をめのう鉢で粉砕して、所望のリン酸ケイ素(SiP2O7)を得ることができる。 Next, silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) is produced as follows. A mixture of silicon dioxide (SiO 2 ) and liquid phosphoric acid is placed in an agate noodle and mixed until it becomes a starchy candy. Then, it puts into an alumina crucible and fires at a temperature of 100 to 700 ° C. The firing time is, for example, 30 to 80 hours. Then, the obtained product can be pulverized in an agate bowl to obtain the desired silicon phosphate (SiP 2 O 7 ).
次に、リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)又は二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO4)2)と、リン酸ケイ素(SiP2O7)を所定のモル数で配合する。得られた混合物をポッドミルやボールミル等で分散させて、リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)とリン酸ケイ素(SiP2O7)の複合体又は二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO4)2)とリン酸ケイ素(SiP2O7)の複合体を得る。分散時間は、例えば、1〜30時間である。リン酸二水素セシウム又は二リン酸五水素セシウムとリン酸ケイ素の配合量は、モル比で1:4〜2:1であることが好ましい。 Next, cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) or cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) are blended in a predetermined number of moles. The obtained mixture is dispersed by a pod mill, a ball mill or the like, and a composite of cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) or cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) A composite of 2 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) is obtained. The dispersion time is, for example, 1 to 30 hours. The blending amount of cesium dihydrogen phosphate or cesium dihydrogen phosphate and silicon phosphate is preferably 1: 4 to 2: 1 in molar ratio.
また、上記固体酸としては、カリウムリン酸、リン酸ケイ素(SiP2O7)、又はカリウムリン酸とリン酸ケイ素(SiP2O7)の複合体を用いても良い。上記カリウムリン酸としては、リン酸二水素カリウム(KH2PO4)、二リン酸五水素カリウム(KH5(PO4)2)等を挙げることができる。リン酸二水素カリウム(KH2PO4)とリン酸ケイ素(SiP2O7)の複合体又は二リン酸五水素カリウム(KH5(PO4)とリン酸ケイ素(SiP2O7)の複合体は、炭酸セシウム(Cs2CO3)の替わりに炭酸カリウム(K2CO3)を用いる以外は、それぞれ上述したリン酸二水素セシウム(CsH2PO4)とリン酸ケイ素(SiP2O7)の複合体又は二リン酸五水素セシウム(CsH5(PO4)2)とリン酸ケイ素(SiP2O7)の複合体の製造方法と同様の方法で製造することができる。 As the solid acid, potassium phosphate, silicon phosphate (SiP 2 O 7 ), or a complex of potassium phosphate and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) may be used. Examples of the potassium phosphoric acid include potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ) and potassium pentahydrogen diphosphate (KH 5 (PO 4 ) 2 ). Complex of potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) or complex of potassium dihydrogen phosphate (KH 5 (PO 4 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) The bodies are cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ), respectively, except that potassium carbonate (K 2 CO 3 ) is used instead of cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ). ) Or a complex of cesium dihydrogen phosphate (CsH 5 (PO 4 ) 2 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ).
有機固体酸は溶媒に溶けることからバインダー成分との馴染みが良く、電解質組成物作製時に分散性が良好になるため、電解質膜の膜質が良好になるという効果が得られやすい。一方、無機固体酸は耐熱性及び耐久性に優れるため、電解質を膜化した後の機械的強度が良好になるという効果が得られやすい。 Since the organic solid acid dissolves in the solvent, the compatibility with the binder component is good, and the dispersibility becomes good at the time of preparing the electrolyte composition, so that the effect of improving the quality of the electrolyte membrane is easily obtained. On the other hand, since an inorganic solid acid is excellent in heat resistance and durability, it is easy to obtain an effect that the mechanical strength after forming an electrolyte into a film becomes good.
上記固体酸は、特に限定されないが、触媒層中において、粒径が0.1〜200μm、好ましくは0.1〜150μmである。なお、触媒層を形成する前の原料としての固体酸も、粒径が0.1〜200μm、好ましくは0.1〜150μmである。固体酸の粒径が0.1〜200μmであることにより、固体酸を含む組成物作製時の分散性が向上し、良好な膜質の触媒層が得られやすい。本発明において、固体酸の粒径は、走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)等を用いて測定することができる。 Although the said solid acid is not specifically limited, In a catalyst layer, a particle size is 0.1-200 micrometers, Preferably it is 0.1-150 micrometers. In addition, the solid acid as a raw material before forming the catalyst layer also has a particle size of 0.1 to 200 μm, preferably 0.1 to 150 μm. When the particle size of the solid acid is 0.1 to 200 μm, the dispersibility at the time of preparing the composition containing the solid acid is improved, and a catalyst layer having good film quality is easily obtained. In the present invention, the particle size of the solid acid can be measured using a scanning electron microscope (SEM) or the like.
<バインダー>
上記触媒層は、さらにバインダーを含有しても良い。バインダーを含むことにより、触媒層の機械的強度が向上する。
<Binder>
The catalyst layer may further contain a binder. By including the binder, the mechanical strength of the catalyst layer is improved.
バインダーは、結着性を有するものであればよく、特に限定されないが、例えば、フッ素系ポリマー、炭化水素系ポリマー、フッ素系イオノマー、炭化水素系イオノマー、エポキシ系樹脂及びアクリル系樹脂等を用いることができる。中でも、pH1〜3の範囲における耐酸性、50〜300℃の温度範囲における耐熱性を有するものが好ましい。また、イオン伝導性を有していても良い。 The binder is not particularly limited as long as it has binding properties. For example, a fluorine polymer, a hydrocarbon polymer, a fluorine ionomer, a hydrocarbon ionomer, an epoxy resin, an acrylic resin, or the like is used. Can do. Especially, what has the acid resistance in the range of pH 1-3 and the heat resistance in the temperature range of 50-300 degreeC is preferable. Moreover, you may have ion conductivity.
上記フッ素系ポリマーとしては、特に限定されないが、例えばテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン、フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体(FEP)、四フッ化エチレンパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)等のフッ素樹脂を用いることができる。 Although it does not specifically limit as said fluorine-type polymer, For example, tetrafluoroethylene (PTFE), a polyvinylidene fluoride, a fluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), a tetrafluoroethylene perfluoroalkyl vinyl ether copolymer A fluororesin such as (PFA) can be used.
上記炭化水素系ポリマーとしては、炭化水素系化合物を主骨格とする高分子であって、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリスチレンスルファイド、ポリベンズイミダゾール、ポリピリジン、ポリピリミジン、ポリイミダゾ−ル、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾオキザゾール、ポリオキサジアゾ−ル、ポリキリノン、ポリキノキサリン、ポリチアジアゾ−ル、ポリテトラザビレン、ポリオキサゾ−ル、ポリチアゾール、ポリビニールピリジン及びポリビニールイミダゾール等を用いることができる。 The hydrocarbon polymer is a polymer having a hydrocarbon compound as a main skeleton, such as polyimide, polyamideimide, polystyrene sulfide, polybenzimidazole, polypyridine, polypyrimidine, polyimidazole, polybenzothiazole, poly Benzooxazole, polyoxadiazol, polyxylone, polyquinoxaline, polythiadiazol, polytetrazavilen, polyoxazole, polythiazole, polyvinyl pyridine, polyvinyl imidazole, and the like can be used.
上記フッ素系イオノマーとしては、特に限定されないが、例えばデュポン社製のNafion(登録商標)、旭硝子社製のフレミオン(登録商標)、旭化成社製のアシプレックス(登録商標)のようなパーフルオロスルホン酸系、旭化成社製のアクイヴィオン(登録商標)のようなスルホニルフロリドビニルエーテル(SFVE)−テトラフルオロエチレン共重合体等を用いることができる。 The fluorine ionomer is not particularly limited. For example, perfluorosulfonic acid such as Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., and Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Corporation. For example, a sulfonyl fluoride vinyl ether (SFVE) -tetrafluoroethylene copolymer such as Aquivion (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Corporation can be used.
上記炭化水素系イオノマーとしては、特に限定されないが、例えばポリアリーレンエーテルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、シンジオタクチックポリスチレンスルホン酸、ポリフェニレンエーテルスルホン酸、変性ポリフェニレンエーテルスルホン酸、ポリエーテルスルホンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸及びポリフェニレンサルファイドスルホン酸等を用いることができる。 The hydrocarbon ionomer is not particularly limited. For example, polyarylene ether sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, syndiotactic polystyrene sulfonic acid, polyphenylene ether sulfonic acid, modified polyphenylene ether sulfonic acid, polyether sulfone sulfonic acid, polyether. Ether ketone sulfonic acid and polyphenylene sulfide sulfonic acid can be used.
上記エポキシ系樹脂としては、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ノボラック型フェノール樹脂等を用いることができる。また、上記の樹脂とシリカとのハイブリッド樹脂等を用いることもできる。 As the epoxy resin, bisphenol A type epoxy resin, novolac type phenol resin, or the like can be used. Also, a hybrid resin of the above resin and silica can be used.
上記アクリル系樹脂としては、ポリメタクリル酸メチル、ポリスチレン等を用いることができる。また、上記の樹脂とシリカとのハイブリッド樹脂等を用いることもできる。 As the acrylic resin, polymethyl methacrylate, polystyrene, or the like can be used. Also, a hybrid resin of the above resin and silica can be used.
また、バインダーは、セルロース系ポリマーであっても良い。セルロース系ポリマーとしては、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、酢酸セルロース等が挙げられる。 The binder may be a cellulosic polymer. Examples of the cellulose polymer include methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, and cellulose acetate.
上述したバインダーの中でも、耐久性及び結着性に優れるという観点から、PTFE、ポリフッ化ビニリデン、パーフルオロスルホン酸、酢酸セルロース、スルホニルフロリドビニルエーテル(SFVE)−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸(スルホン化ポリエーテルエーテルケトン)、ポリベンズイミダゾール、ポリイミダゾール、ポリピリジン、ポリピリミジンが好適に用いられる。なお、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸は、特に限定されないが、例えばM.L.Di Vona et al、Polymer 46(2005)1754−1758頁に記載されている方法により合成したものを用いることができる。 Among the above-mentioned binders, PTFE, polyvinylidene fluoride, perfluorosulfonic acid, cellulose acetate, sulfonyl fluoride vinyl ether (SFVE) -tetrafluoroethylene copolymer, polyether ether from the viewpoint of excellent durability and binding properties. Ketone sulfonic acid (sulfonated polyetheretherketone), polybenzimidazole, polyimidazole, polypyridine, and polypyrimidine are preferably used. The polyether ether ketone sulfonic acid is not particularly limited. L. Those synthesized by the method described in Di Vona et al, Polymer 46 (2005), pages 1754-1758 can be used.
上述したバインダーは、一種類のみを用いても良いし、二種類以上を適宜組合せて用いても良い。 Only one type of the binder described above may be used, or two or more types may be used in appropriate combination.
以下、燃料電池用触媒層の製造方法について説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the catalyst layer for fuel cells is demonstrated.
(燃料電池用触媒層の製造方法)
燃料電池用触媒層は、特に限定されないが、例えば、以下のような方法で製造することができる。
(1)イオン液体と固体酸とリン酸類と触媒とを含む触媒層形成用組成物を用いて触媒層を形成し、イオン液体と固体酸とリン酸類と触媒とを含む燃料電池用触媒層を得る。
(2)固体酸と触媒とを含む触媒層形成用組成物を用いて触媒層を形成した後、得られた触媒層の主面上にイオン液体とリン酸類を塗布し、イオン液体と固体酸とリン酸類と触媒とを含む燃料電池用触媒層を得る。
(3)固体酸とイオン液体と触媒とを含む触媒層形成用組成物を用いて触媒層を形成した後、得られた触媒層の主面上にリン酸類を塗布し、イオン液体と固体酸とリン酸類と触媒とを含む燃料電池用触媒層を得る。
(4)固体酸とリン酸類と触媒とを含む触媒層形成用組成物を用いて触媒層を形成した後、得られた触媒層の主面上にイオン液体を塗布し、イオン液体と固体酸とリン酸類と触媒とを含む燃料電池用触媒層を得る。
(Method for producing catalyst layer for fuel cell)
The catalyst layer for the fuel cell is not particularly limited, but can be manufactured by the following method, for example.
(1) A catalyst layer is formed using a composition for forming a catalyst layer containing an ionic liquid, a solid acid, phosphoric acids and a catalyst, and a fuel cell catalyst layer containing an ionic liquid, a solid acid, phosphoric acids and a catalyst is formed. obtain.
(2) After forming a catalyst layer using a catalyst layer forming composition containing a solid acid and a catalyst, an ionic liquid and phosphoric acid are applied to the main surface of the obtained catalyst layer, and the ionic liquid and the solid acid are applied. And a catalyst layer for a fuel cell containing phosphoric acid and a catalyst.
(3) After forming a catalyst layer using a composition for forming a catalyst layer containing a solid acid, an ionic liquid, and a catalyst, phosphoric acid is applied on the main surface of the obtained catalyst layer, and the ionic liquid and the solid acid are applied. And a catalyst layer for a fuel cell containing phosphoric acid and a catalyst.
(4) After forming a catalyst layer using a composition for forming a catalyst layer containing a solid acid, phosphoric acid and a catalyst, an ionic liquid is applied onto the main surface of the obtained catalyst layer, and the ionic liquid and the solid acid are applied. And a catalyst layer for a fuel cell containing phosphoric acid and a catalyst.
上記(1)〜(4)の製造方法において、触媒層形成時の乾燥工程での熱によるリン酸類及びイオン液体の消失を防ぐという観点から、イオン液体及び/又はリン酸類を含んでいない触媒層を形成した後、イオン液体及び/又はリン酸類を触媒層の主面上に塗布する(2)〜(4)の製造方法が好ましく、触媒層中のイオン液体及び/又はリン酸類の分散性の観点から、イオン液体と固体酸とリン酸類と触媒とを含む触媒層形成用組成物を用いて触媒層を形成する(1)の製造方法が好ましい。 In the manufacturing method of said (1)-(4), from a viewpoint of preventing the loss | disappearance of phosphoric acids and ionic liquid by the heat | fever in the drying process at the time of catalyst layer formation, the catalyst layer which does not contain an ionic liquid and / or phosphoric acid (2) to (4) are preferable, in which the ionic liquid and / or phosphoric acid is applied on the main surface of the catalyst layer, and the dispersibility of the ionic liquid and / or phosphoric acid in the catalyst layer is preferable. From the viewpoint, the production method of (1) in which a catalyst layer is formed using a composition for forming a catalyst layer containing an ionic liquid, a solid acid, phosphoric acid, and a catalyst is preferable.
<触媒層形成用組成物>
触媒層形成用組成物としては、ペースト状にした触媒ペーストを用いることができる。上記触媒ペーストは、固体酸と触媒と溶媒とを含む混合物を分散機で混合・分散して得られる。なお、上記触媒ペーストは、必要に応じてイオン液体及び/又はリン酸類を含んでもよい。分散機としては、超音波分散機、ホモゲナイザー、ボールミル等を用いることができる。イオン液体、固体酸、リン酸類及び触媒としては、上述したものを用いれば良い。
<Composition for forming catalyst layer>
As the catalyst layer forming composition, a paste of catalyst paste can be used. The catalyst paste is obtained by mixing and dispersing a mixture containing a solid acid, a catalyst, and a solvent with a disperser. In addition, the said catalyst paste may also contain an ionic liquid and / or phosphoric acid as needed. As the disperser, an ultrasonic disperser, a homogenizer, a ball mill, or the like can be used. What is necessary is just to use what was mentioned above as an ionic liquid, a solid acid, phosphoric acids, and a catalyst.
上記溶媒としては、触媒を分散できるものであればよく、特に限定されない。例えば、水、エタノール、メタノール、1−ブタノール、t−ブタノール、プロパノール、N−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド等を用いることができる。 The solvent is not particularly limited as long as it can disperse the catalyst. For example, water, ethanol, methanol, 1-butanol, t-butanol, propanol, N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, dimethylformamide and the like can be used.
上記触媒ペーストにおいて、固体酸及び触媒とを含む固形分とイオン液体のトータル濃度は、塗工性の観点から、50質量%以下であることが好ましく、より好ましくは40質量%以下である。また、塗工性及びプロトン伝導性の観点から、固体酸とイオン液体の配合量は、質量比で、1:50〜10:1であることが好ましく、より好ましくは1:50〜1:5である。また、プロトン伝導性の観点から、固体酸と触媒の配合量は、質量比で、1:10〜1:0.1であることが好ましく、より好ましくは1:5〜1:0.25である。また、プロトン伝導性の観点から、固体酸とリン酸類の配合量は、質量比で、1:50〜10:1であることが好ましく、より好ましくは1:50〜1:5である。 In the catalyst paste, the total concentration of the solid content and the ionic liquid containing the solid acid and the catalyst is preferably 50% by mass or less, more preferably 40% by mass or less, from the viewpoint of coatability. Further, from the viewpoint of coating properties and proton conductivity, the blending amount of the solid acid and the ionic liquid is preferably 1:50 to 10: 1, more preferably 1:50 to 1: 5, in terms of mass ratio. It is. Further, from the viewpoint of proton conductivity, the blending amount of the solid acid and the catalyst is preferably 1:10 to 1: 0.1, more preferably 1: 5 to 1: 0.25 in terms of mass ratio. is there. Further, from the viewpoint of proton conductivity, the blending amount of the solid acid and phosphoric acid is preferably 1:50 to 10: 1, more preferably 1:50 to 1: 5 in terms of mass ratio.
また、固体酸として、上記一般式(1)で表される金属リン酸塩を用いる場合、触媒ペーストにおいて、金属リン酸塩の金属元素の原子数[m]、ドープされる金属元素の原子数[n]及び金属リン酸塩のリンの原子数[p]は、下記数式(1)を満たすことが好ましい。 Further, when the metal phosphate represented by the above general formula (1) is used as the solid acid, the number of atoms of the metal element of the metal phosphate [m] and the number of atoms of the metal element to be doped in the catalyst paste [N] and the number of phosphorus atoms [p] of the metal phosphate preferably satisfy the following mathematical formula (1).
[数1]
2<[p]/([m]+[n])≦4 (1)
[Equation 1]
2 <[p] / ([m] + [n]) ≦ 4 (1)
より好ましくは、下記数式(2)を満たす。 More preferably, the following mathematical formula (2) is satisfied.
[数2]
2.4≦[p]/([m]+[n])≦3.2 (2)
[Equation 2]
2.4 ≦ [p] / ([m] + [n]) ≦ 3.2 (2)
上記数式(1)を満たすことにより、高いプロトン伝導性を有するとともに、成形性が良好な触媒層が得られる。上記数式[p]/([m]+[n])の値が2以下であると、リンの量が少なくなり、プロトン伝導性が向上しにくい恐れがある。一方、上記数式[p]/([m]+[n])の値が4を超えると、リンの量が多すぎて触媒層からのリン酸の染み出しを防止できない恐れがある。大気中の水分の吸湿が高く触媒層が脆くなるので形状が維持できない恐れがある。 By satisfy | filling the said Numerical formula (1), while having high proton conductivity, a catalyst layer with favorable moldability is obtained. When the value of the above formula [p] / ([m] + [n]) is 2 or less, the amount of phosphorus is decreased, and there is a possibility that proton conductivity is difficult to improve. On the other hand, if the value of the above formula [p] / ([m] + [n]) exceeds 4, there is a possibility that the amount of phosphorus is too large to prevent the seepage of phosphoric acid from the catalyst layer. Since the moisture absorption in the atmosphere is high and the catalyst layer becomes brittle, the shape may not be maintained.
上記触媒ペーストは、さらにバインダーを含んで良い。上記バインダー(固形分)の添加量は、触媒ペースト中の固形分と、イオン液体のトータル質量に対して50質量以下%であることが好ましく、40質量%以下であることがより好ましい。この場合、触媒と固体酸をバインダーの溶液若しくはディスパージョンに添加した後、溶媒を加えて触媒ペーストを作製しても良い。溶媒は、バインダーを凝集させないものが用いられる。具体的には水、エタノール、メタノール、1−ブタノール、t−ブタノール、プロパノール、N−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド等を用いることができる。 The catalyst paste may further contain a binder. The amount of the binder (solid content) added is preferably 50% by mass or less, and more preferably 40% by mass or less, based on the total mass of the solid content in the catalyst paste and the ionic liquid. In this case, after adding the catalyst and the solid acid to the binder solution or dispersion, a solvent may be added to produce a catalyst paste. A solvent that does not aggregate the binder is used. Specifically, water, ethanol, methanol, 1-butanol, t-butanol, propanol, N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, dimethylformamide and the like can be used.
<触媒層の形成>
触媒層の形成方法は、特に限定されないが、例えば、基材上に触媒ペーストを塗布した後、乾燥することにより、燃料電池用触媒層を形成することができる。なお、触媒層の形成方法については、実施形態2で詳細に説明する。
<Formation of catalyst layer>
Although the formation method of a catalyst layer is not specifically limited, For example, after apply | coating a catalyst paste on a base material and drying, the catalyst layer for fuel cells can be formed. The method for forming the catalyst layer will be described in detail in
上記のように、触媒層にイオン液体と、固体酸と、リン酸類と、触媒とを含ませることで、高温かつ無加湿状態で優れた発電性能を有する触媒層が得られる。また、このように、イオン液体若しくはリン酸類のみではなく、イオン液体とリン酸類と固体酸を併せて触媒層中に電解質として含ませることにより、触媒層からのイオン液体やリン酸類の流出を防ぐことができ、イオン液体やリン酸類の流出による電池性能の低下やリン酸類の浸出による燃料電池の腐食も防止できる。 As described above, by including an ionic liquid, a solid acid, phosphoric acid, and a catalyst in the catalyst layer, a catalyst layer having excellent power generation performance at a high temperature and in a non-humidified state can be obtained. In addition, in this way, not only the ionic liquid or phosphoric acid but also the ionic liquid, phosphoric acid and solid acid are combined and contained as an electrolyte in the catalyst layer, thereby preventing the ionic liquid and phosphoric acid from flowing out of the catalyst layer. It is also possible to prevent deterioration of battery performance due to outflow of ionic liquid and phosphoric acid, and corrosion of the fuel cell due to leaching of phosphoric acid.
[実施形態2]
以下、本発明の実施形態2として、基材付き燃料電池用触媒層について説明する。
[Embodiment 2]
Hereinafter, a catalyst layer for a fuel cell with a substrate will be described as
<基材付き燃料電池用触媒層>
図1は、本発明の実施形態2に係る基材付き燃料電池用触媒層の一例を示す模式的断面図である。基材付き燃料電池用触媒層11は、図1に示すように、触媒層2と、基材7とを備えており、触媒層2が基材7の一方の主面上に形成されている。
<Catalyst layer for fuel cell with substrate>
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of a catalyst layer for a fuel cell with a substrate according to
上記基材は、触媒ペーストを塗布できる支持体であればよく、特に限定されない。例えば、基材としては、例えば、フィルム基材、塗工紙、非塗工紙等を用いることができる。フィルム基材としては、シート状或いはフィルム状の基材であればよく、特に限定されない。例えば、金属箔、高分子フィルム等を用いることができる。塗工紙としては、例えば、アート紙、コート紙、軽量コート紙等を用いることができ、非塗工紙としては、例えば、ノート用紙、コピー用紙等を用いることができる。 The said base material should just be a support body which can apply | coat a catalyst paste, and is not specifically limited. For example, as the substrate, for example, a film substrate, coated paper, non-coated paper, or the like can be used. The film substrate is not particularly limited as long as it is a sheet-like or film-like substrate. For example, a metal foil, a polymer film, etc. can be used. As the coated paper, for example, art paper, coated paper, lightweight coated paper or the like can be used, and as the non-coated paper, for example, notebook paper, copy paper or the like can be used.
高分子フィルムとしては、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリパルバン酸アラミド、ポリアミド(ナイロン)、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレート等で構成される高分子フィルムが挙げられる。また、ポリエチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の耐熱性フッ素樹脂で構成される高分子フィルムを用いることもできる。中でも、耐熱性及び耐久性に優れるという観点から、ポリエステル、ポリイミド、PTFE等で構成される高分子フィルムを用いることが好ましい。また、触媒層の製造工程における寸法安定性及び剥離性の点から、PTFE、ポリエステルで構成される高分子フィルムがより好ましい。なお、触媒層との剥離性を向上させるため、離型層・剥離層などを設けた高分子フィルムなどの基材を用いても良い。 Polymer films include polyimide, polyethylene terephthalate (PET), polyparvanic acid aramid, polyamide (nylon), polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone, polyetherimide, polyarylate, polyethylene naphthalate, etc. An example of the polymer film is shown. Further, heat resistance of polyethylene tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroperfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), polytetrafluoroethylene (PTFE), etc. A polymer film made of a conductive fluororesin can also be used. Especially, it is preferable to use the polymer film comprised from polyester, a polyimide, PTFE, etc. from a viewpoint that it is excellent in heat resistance and durability. Moreover, the polymer film comprised from PTFE and polyester is more preferable from the point of the dimensional stability in the manufacturing process of a catalyst layer, and peelability. In order to improve the releasability from the catalyst layer, a base material such as a polymer film provided with a release layer, a release layer or the like may be used.
基材付き燃料電池用触媒層11は、例えば、基材上に触媒ペーストを塗布した後、乾燥することにより得られる。上記塗布方法は、特に限定されるものではなく、例えば、スクリーン印刷、ブレードコート、ダイコート、スプレー塗工、ディスペンサー塗工、インクジェット塗工等の塗布方法を用いることができる。中でも、触媒ペーストの作製の簡便さから、スクリーン印刷、ブレードコートを用いることが好ましい。また、基材として転写基材を用いる場合は、塗布方法として、ナイフコーター、バーコーター、スプレー、ディップコーター、スピンコーター、ロールコーター、ダイコーター、カーテンコーター、スクリーン印刷、圧延法等の一般的な塗布方法を用いることができ、厚塗りの場合は、圧延法を用いるのが好ましい。 The catalyst layer 11 for a fuel cell with a substrate is obtained, for example, by applying a catalyst paste on a substrate and then drying it. The coating method is not particularly limited, and for example, a coating method such as screen printing, blade coating, die coating, spray coating, dispenser coating, and ink jet coating can be used. Among these, it is preferable to use screen printing or blade coating from the viewpoint of easy preparation of the catalyst paste. In addition, when a transfer substrate is used as the substrate, the coating method includes general methods such as knife coater, bar coater, spray, dip coater, spin coater, roll coater, die coater, curtain coater, screen printing, rolling method, etc. A coating method can be used, and in the case of thick coating, it is preferable to use a rolling method.
なお、上記において、基材付き燃料電池用触媒層11から基材を剥離することにより、触媒層2を形成することができる。また、基材の剥離は、通常の方法で行えばよく、特に限定されないが、例えば、180度剥離などにより行うことができる。
In addition, in the above, the
上記基材への触媒ペーストの塗工量としては、例えば、触媒として白金担持カーボンを用いる場合、白金担持量として0.1〜3.0mg/cm2、好ましくは0.1〜1.5mg/cm2である。 As the coating amount of the catalyst paste on the substrate, for example, when platinum-supported carbon is used as a catalyst, the platinum-supported amount is 0.1 to 3.0 mg / cm 2 , preferably 0.1 to 1.5 mg / cm 2 . cm 2 .
また、上記において、乾燥温度は、例えば50〜300℃、好ましくは100〜250℃である。乾燥温度が50℃より低いと、触媒ペーストに含まれる溶媒が除去できない恐れがある。一方、乾燥温度が300℃を超えると、バインダーが熱分解する恐れがある。また、乾燥時間は、例えば10分〜5時間、好ましくは10分〜3時間である。また、乾燥方法としては、自然乾燥、遠赤乾燥、熱風乾燥、減圧乾燥、加熱等の方法が挙げられる。 Moreover, in the above, drying temperature is 50-300 degreeC, for example, Preferably it is 100-250 degreeC. If the drying temperature is lower than 50 ° C, the solvent contained in the catalyst paste may not be removed. On the other hand, when the drying temperature exceeds 300 ° C., the binder may be thermally decomposed. The drying time is, for example, 10 minutes to 5 hours, preferably 10 minutes to 3 hours. Examples of the drying method include natural drying, far-red drying, hot air drying, reduced pressure drying, and heating.
また、イオン液体及び/又はリン酸類を含んでいない触媒層の主面上へのイオン液体及び/又はリン酸類の塗布は、上述した基材上へ触媒ペーストを塗布する場合と同様の塗布方法で行うことができる。塗工性及びプロトン伝導性の観点から、触媒ペースト中の固体酸の配合量とイオン液体の塗布量は、質量比で、1:50〜10:1であることが好ましく、より好ましくは1:50〜1:5である。また、塗工性及びプロトン伝導性の観点から、触媒ペースト中の固体酸の配合量とリン酸類の塗布量は、質量比で、1:50〜10:1であることが好ましく、より好ましくは1:50〜1:5である。 In addition, the application of the ionic liquid and / or phosphoric acid to the main surface of the catalyst layer not containing the ionic liquid and / or phosphoric acid is performed by the same application method as that for applying the catalyst paste onto the substrate. It can be carried out. From the viewpoint of coating properties and proton conductivity, the blending amount of the solid acid in the catalyst paste and the coating amount of the ionic liquid is preferably 1:50 to 10: 1, more preferably 1: 50-1: 5. Further, from the viewpoint of coating properties and proton conductivity, the blending amount of the solid acid and the coating amount of phosphoric acids in the catalyst paste is preferably 1:50 to 10: 1, more preferably, by mass ratio. 1: 50-1: 5.
[実施形態3]
以下、本発明の実施形態3として、燃料電池用ガス拡散電極について説明する。
[Embodiment 3]
Hereinafter, a fuel cell gas diffusion electrode will be described as a third embodiment of the present invention.
<燃料電池用ガス拡散電極>
図2は、本発明の実施形態3に係る燃料電池用ガス拡散電極の一例を示す模式的断面図である。燃料電池用ガス拡散電極12は、図2に示すように、触媒層2と、ガス拡散層4とを備えており、触媒層2がガス拡散層4の主面上に配置されている。なお、図2では、図1と同一の部分には同一の符合を付けており、重複する説明は省略する。また、図2と図1において同一の部分は、同様の機能を有する。
<Gas diffusion electrode for fuel cell>
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a fuel cell gas diffusion electrode according to Embodiment 3 of the present invention. As shown in FIG. 2, the fuel cell
ガス拡散層4は、多孔質体等ガス拡散性を有する導電性材料で構成されており、燃料ガス又は酸化剤ガスが流通できるようになっている。
The
ガス拡散層4の厚みは、触媒層や電解質膜の厚み等を考慮して適宜決定すれば良い。ガス拡散層4の厚みは、例えば100〜400μm、好ましくは150〜350μmである。
The thickness of the
ガス拡散層としては、例えばカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等が用いられる。また、これらに撥水処理を行ったものを用いても良い。また、ガス拡散層に触媒ペーストを塗工した場合のガス拡散層への触媒ペーストの染み込みを防ぐため平坦化層を設けたガス拡散層を用いることが望ましい。 As the gas diffusion layer, for example, carbon paper, carbon cloth, carbon felt or the like is used. Moreover, you may use what performed the water-repellent process to these. Further, it is desirable to use a gas diffusion layer provided with a planarization layer in order to prevent the catalyst paste from penetrating into the gas diffusion layer when the catalyst paste is applied to the gas diffusion layer.
燃料電池用ガス拡散電極12は、例えばガス拡散層4上の一方の主面上に実施形態1で述べたのと同様の触媒ペーストを塗布し、乾燥して触媒層を形成することで製造することができる。
The fuel cell
ガス拡散層4への触媒ペーストの塗布は、上記実施形態2における触媒層形成時の基材への触媒ペーストの塗布方法と同様な方法で行うことができる。また、乾燥は、上記実施形態2における触媒層の形成時の乾燥と同様な条件で行うことができる。
The application of the catalyst paste to the
また、ガス拡散層への触媒ペーストの塗工量としては、例えば、白金担持カーボンを用いる場合、白金担持量として0.1〜3.0mg/cm2、好ましくは0.1〜1.5mg/cm2である。 Moreover, as a coating amount of the catalyst paste on the gas diffusion layer, for example, when platinum-supported carbon is used, the platinum-supported amount is 0.1 to 3.0 mg / cm 2 , preferably 0.1 to 1.5 mg / cm 2 . cm 2 .
或いは、燃料電池用ガス拡散電極12は、実施形態2の基材付き燃料電池用触媒層11を、触媒層2の主面とガス拡散層4の主面が接するように、ガス拡散層4上に配置し、得られた積層物の両側からホットプレス等の熱プレス処理を行い、その後基材7を剥離することで作製することができる。
Alternatively, the fuel cell
熱プレス処理は、特に限定されず、各種のプレス処理で行うことができる。また、熱プレスする際の圧力は、特に限定されないが、例えば、通常0.5〜10MPa、好ましくは1〜10MPaである。また、熱プレスする際の温度は、特に限定されないが、例えば、通常30〜200℃、好ましくは50〜250℃である。また、熱プレスする際のプレス時間は、温度に応じて適宜決めればよく、例えば、通常10〜240秒、好ましくは30〜150秒である。 The hot press process is not particularly limited, and can be performed by various press processes. Moreover, the pressure at the time of hot pressing is not particularly limited, but is usually 0.5 to 10 MPa, preferably 1 to 10 MPa, for example. Moreover, the temperature at the time of hot pressing is not particularly limited, but is usually 30 to 200 ° C., preferably 50 to 250 ° C., for example. Moreover, what is necessary is just to determine suitably the press time at the time of hot pressing according to temperature, for example, is 10 to 240 seconds normally, Preferably it is 30 to 150 seconds.
なお、イオン液体及び/又はリン酸類を含んでいない触媒ペーストを用いた場合は、燃料電池用ガス拡散電極12は、ガス拡散層4上の一方の主面上に実施形態1〜2で述べたのと同様にイオン液体及び/又はリン酸類を含んでいない触媒層を形成した後、イオン液体及び/又はリン酸類を触媒層の主面上に塗布し、固体酸、イオン液体、リン酸類、触媒を含む触媒層を形成することで製造することができる。
In addition, when the catalyst paste which does not contain an ionic liquid and / or phosphoric acid is used, the
本実施形態によれば、高温かつ無加湿状態で優れた発電性能を有する燃料電池用ガス拡散電極を提供することができる。 According to the present embodiment, it is possible to provide a gas diffusion electrode for a fuel cell that has excellent power generation performance in a high temperature and non-humidified state.
[実施形態4]
以下、本発明の実施形態4として、燃料電池用触媒層−電解質膜積層体について説明する。
[Embodiment 4]
Hereinafter, as a fourth embodiment of the present invention, a fuel cell catalyst layer-electrolyte membrane laminate will be described.
<燃料電池用触媒層−電解質膜積層体>
図3は、本発明の実施形態4に係る燃料電池用触媒層−電解質膜積層体の一例を示す模式的断面図である。燃料電池用触媒層−電解質膜積層体13は、図3に示すように、触媒層2(2a、2b)と、電解質膜1とを備えており、触媒層2(2a、2b)がガス拡散層4の両方の主面上に配置されている。なお、図3では、図1と同一の部分には同一の符合を付けており、重複する説明は省略する。また、図3と図1において同一の部分は、同様の機能を有する。
<Catalyst layer for fuel cell-electrolyte membrane laminate>
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a fuel cell catalyst layer-electrolyte membrane laminate according to
電解質膜1は、例えばフッ素系電解質膜又は炭化水素系電解質膜であることが好ましい。また、上述した固体酸、イオン液体、リン酸類等のプロトン伝導性電解質で構成された電解質膜であっても良い。また、リン酸ドープポリベンズイミダゾールで構成された電解質膜を用いることもできる。
The
上記フッ素系電解質膜としては、例えばパーフルオロスルホン酸等で構成された電解質膜が挙げられる。上記炭化水素系電解質膜としては、例えばポリアリーレンエーテルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、シンジオタクチックポリスチレンスルホン酸、ポリフェニレンエーテルスルホン酸、変性ポリフェニレンエーテルスルホン酸、ポリエーテルスルホンスルホン酸、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸、ポリフェニレンサルファイドスルホン酸等で構成される電解質膜が挙げられる。 Examples of the fluorine-based electrolyte membrane include an electrolyte membrane composed of perfluorosulfonic acid or the like. Examples of the hydrocarbon electrolyte membrane include polyarylene ether sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, syndiotactic polystyrene sulfonic acid, polyphenylene ether sulfonic acid, modified polyphenylene ether sulfonic acid, polyether sulfone sulfonic acid, and polyether ether ketone sulfonic acid. And an electrolyte membrane composed of polyphenylene sulfide sulfonic acid or the like.
燃料電池用触媒層−電解質膜積層体13は、実施形態1で述べたのと同様の触媒ペーストを電解質膜1上の両方の主面上に塗布し、乾燥して触媒層2(2a、2b)を形成することで作製することができる。
In the catalyst layer-electrolyte membrane laminate 13 for the fuel cell, the same catalyst paste as described in the first embodiment is applied on both main surfaces of the
電解質膜1への触媒ペーストの塗布は、上記実施形態2における触媒層の形成時の基材への塗布方法と同様な方法で行うことができる。また、乾燥は、上記実施形態2における触媒層の形成時の乾燥と同様な条件で行うことができる。
The application of the catalyst paste to the
電解質膜1への触媒ペーストの塗工量としては、例えば、白金担持カーボンを用いる場合、白金担持量として0.1〜3.0mg/cm2、好ましくは0.1〜1.5mg/cm2である。
The coating amount of the catalyst paste to the
或いは、燃料電池用触媒層−電解質膜積層体13は、実施形態2の基材付き燃料電池用触媒層11を、触媒層2の主面と電解質膜1の主面が接するように、電解質膜1上に配置し、得られた積層物の両側からホットプレス等の熱プレス処理を行い、その後基材7を剥離することで作製することができる。なお、熱プレスは、上記実施形態3で述べた熱プレスと同様の条件で行うことができる。
Alternatively, the fuel cell catalyst layer-electrolyte membrane laminate 13 is the same as the fuel cell catalyst layer 11 with the base material of
なお、イオン液体及び/又はリン酸類を含んでいない触媒ペーストを用いた場合は、燃料電池用触媒層−電解質膜積層体13は、電解質膜1上の両方の主面上に実施形態1〜2で述べたのと同様にイオン液体及び/又はリン酸類を含んでいない触媒層を形成した後、イオン液体及び/又はリン酸類を触媒層の主面上に塗布し、固体酸、イオン液体、リン酸類、触媒を含む触媒層を形成することで製造することができる。
In addition, when the catalyst paste which does not contain an ionic liquid and / or phosphoric acid is used, the catalyst layer-electrolyte membrane laminated body 13 for fuel cells is Embodiment 1-2 on both main surfaces on the
本実施形態によれば、高温かつ無加湿状態で優れた発電性能を有する燃料電池用触媒層−電解質膜積層体を提供することができる。 According to this embodiment, it is possible to provide a fuel cell catalyst layer-electrolyte membrane laminate having excellent power generation performance at high temperatures and in a non-humidified state.
[実施形態5]
以下、本発明の実施形態5として、燃料電池用膜電極接合体について説明する。
[Embodiment 5]
Hereinafter, a fuel cell membrane electrode assembly will be described as Embodiment 5 of the present invention.
<燃料電池用膜電極接合体>
図4は、本発明の実施形態5に係る燃料電池用膜電極接合体の一例を示す模式的断面図である。燃料電池用膜電極接合体14は、図4に示すように、触媒層2(2a、2b)と、電解質膜1と、ガス拡散層4(4a、4b)を備えており、電解質膜1の両方の主面上に、触媒層2a、2bとガス拡散層4a、4bがこの順番でそれぞれ積層されている。なお、図4では、図1〜3と同一の部分には同一の符合を付けており、重複する説明は省略する。また、図4と図1〜3において同一の部分は、同様の機能を有する。
<Membrane electrode assembly for fuel cell>
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of a membrane electrode assembly for a fuel cell according to Embodiment 5 of the present invention. As shown in FIG. 4, the fuel cell
燃料電池用膜電極接合体14は、例えば実施形態3で述べた燃料電池用ガス拡散電極12を、触媒層2(2a、2b)の主面と電解質膜1の主面が接するように、電解質膜1上にそれぞれ配置し、得られた積層物の両側からホットプレス等の熱プレス処理を行うことで作製することができる。熱プレスは実施形態3で述べたのと同様の条件で行うことができる。なお、ガス拡散電極12は、カソード側に配置されるカソード側触媒電極12aと、アノード側に配置されるアノード側触媒電極12bを含む。
For example, the fuel cell
本実施形態によれば、高温かつ無加湿状態で優れた発電性能を有する燃料電池用膜電極接合体を提供することができる。 According to this embodiment, it is possible to provide a membrane electrode assembly for a fuel cell that has excellent power generation performance at high temperatures and in a non-humidified state.
[実施形態6]
以下、本発明の実施形態6として、燃料電池について説明する。
[Embodiment 6]
Hereinafter, a fuel cell will be described as a sixth embodiment of the present invention.
(燃料電池)
図5は、本発明の実施形態6に係る燃料電池の一例を示す模式的断面図である。図5に示すように、本発明の実施形態6に係る燃料電池20は、燃料電池用触媒層2(2a、2b)と、電解質膜1とガス拡散層4(4a、4b)とセパレータ22、23とを備え、電解質膜1の両方の主面上に、触媒層2a、2bと、ガス拡散層4a、4bとセパレータ22、23とがこの順番でそれぞれ積層されている。図5では、図1〜図4と同一の部分には同一の符合を付け、重複する説明は省略する。また、図5と図1〜図4において同一の部分は、同様の機能を有する。
(Fuel cell)
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of a fuel cell according to Embodiment 6 of the present invention. As shown in FIG. 5, the
セパレータ22は、酸化剤ガスをカソード側触媒電極12aに供給するためのものであり、酸化剤ガスを流通するための酸化剤ガス流路24を有する。一方、セパレータ23は、燃料をアノード側触媒電極12bに供給するためのものであり、燃料を流通するための燃料流路25を有する。
The
セパレータ22、23の材質としては、燃料電池20内の環境においても安定的な導電性を有するものであれば良い。一般的には、カーボン板に流路を形成したものが用いられる。また、セパレータ22、23は、ステンレススチール等の金属で構成し、その金属の表面にクロム、白金族金属、白金族金属の酸化物、導電性ポリマー等の導電性材料からなる被膜を形成したものであっても良い。
The
なお、セパレータ22、23は、燃料電池20を複数個積層して構成した燃料電池に用いる場合、集電体としての機能を有することができる。
The
<燃料電池の動作原理>
燃料流路25により、水素ガス又はメタノール等の水素供給可能な燃料が、アノード側触媒電極12bに供給され、この燃料からプロトン(H+)と電子(e-)が生成される。生成されたプロトンは電解質膜1によってカソード側触媒電極12aへと搬送される。一方、酸化剤ガス流路24により、空気又は酸素ガス等の酸化剤ガスが、カソード側触媒電極12aに供給され、電解質膜1によって搬送されてきたプロトンと外部回路26からくる電子及び酸化剤ガスとが反応して水が生成される。このようにして燃料電池として機能する。
<Operating principle of fuel cell>
A fuel capable of supplying hydrogen, such as hydrogen gas or methanol, is supplied to the anode
本実施形態に係る燃料電池20は、燃料電池の作製に用いられる公知の技術を用いて、電解質膜1の両方の主面上にガス拡散電極12(12a、12b)及びセパレータ22、23をそれぞれ順次積層することにより、製造することができる。
In the
本実施形態によれば、高温かつ無加湿状態で優れた発電性能を有する燃料電池用触媒層を用いることにより、安定性に優れ、高性能な燃料電池を提供することができる。 According to the present embodiment, by using a fuel cell catalyst layer having excellent power generation performance at high temperatures and in a non-humidified state, a fuel cell having excellent stability and high performance can be provided.
以下において、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明はこれら
の実施例によって何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜
変更実施可能である。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples. However, the present invention is not limited to these examples, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
(実施例1) Example 1
<固体酸>
固体酸として、以下のように作製した金属リン酸塩(リン酸スズ)を用いた。まず、酸化スズ(SnO2、Nano Tec社製)13.56g(0.09モル)及び酸化インジウム(In2O3、ナカライテスク社製)1.40g(0.0050モル)にリン酸水素二アンモニウム(ナカライテスク社製)27.99g(0.212モル)を加え、混合した。その後、得られた混合物を坩堝に投入し、約650℃で、約2時間程度焼成し、焼結後得られた生成物をめのうばちで粉砕してリン酸スズを得た。なお、得られたリン酸スズはインジウムが一部ドープされたピロリン酸塩であった(Sn0.9In0.1P2O7)。
<Solid acid>
As a solid acid, a metal phosphate (tin phosphate) produced as follows was used. First, 13.56 g (0.09 mol) of tin oxide (SnO 2 , manufactured by Nano Tec) and 1.40 g (0.0050 mol) of indium oxide (In 2 O 3 , manufactured by Nacalai Tesque) were added to dihydrogen phosphate. 27.99 g (0.212 mol) of ammonium (Nacalai Tesque) was added and mixed. Then, the obtained mixture was put into a crucible, fired at about 650 ° C. for about 2 hours, and the product obtained after sintering was pulverized with an agate nail to obtain tin phosphate. The obtained tin phosphate was a pyrophosphate salt partially doped with indium (Sn 0.9 In 0.1 P 2 O 7 ).
<バインダー>
バインダーとして、M.L.Di Vona et al、Polymer 46(2005)1754−1758頁に記載されている方法に基づいて下記のように合成したスルホン化ポリエーテルエーテルケトン(以下において、SPEEKとも記す。)を用いた。
<Binder>
As a binder, M.I. L. A sulfonated polyetheretherketone (hereinafter also referred to as SPEEK) synthesized as described below based on the method described in Di Vona et al, Polymer 46 (2005), pages 1754-1758 was used.
還流冷却管の付いた500mlの丸底フラスコにポリエーテルエーテルケトン(VICTREX社製、以下においてPEEKとも記す。)5gと、96%濃硫酸250mlとを入れ、オイルバス中で50℃に保ち、撹拌しながら18時間還流させた。その後、ガラスフィルターでろ過し、反応固形物を純水にて洗浄した。ろ液が中性付近になるまで洗浄を繰り返した後、50℃で24時間乾燥し、その後60℃で6時間真空乾燥してSPEEKを得た。 A 500 ml round bottom flask equipped with a reflux condenser is charged with 5 g of polyetheretherketone (manufactured by VICTREX, hereinafter also referred to as PEEK) and 250 ml of 96% concentrated sulfuric acid, and kept at 50 ° C. in an oil bath and stirred. The mixture was refluxed for 18 hours. Then, it filtered with the glass filter and wash | cleaned the reaction solid substance with the pure water. Washing was repeated until the filtrate became nearly neutral, then dried at 50 ° C. for 24 hours, and then vacuum dried at 60 ° C. for 6 hours to obtain SPEEK.
得られたSPEEK1gとDMA(N’N−ジメチルアセトアミド)9gを混合し、室温で約3時間撹拌し、10質量%のSPEEK溶液を作製した。 1 g of the obtained SPEEK and 9 g of DMA (N′N-dimethylacetamide) were mixed and stirred at room temperature for about 3 hours to prepare a 10 mass% SPEEK solution.
<触媒ペースト>
上記で得られたリン酸スズ0.2gに、イオン液体2gと、85質量%リン酸水溶液(以下において、単に85%リン酸とも記す。)1.5gと、白金担持カーボン(「TEC10E50E」、田中貴金属社製)1gと、水5gを添加した後、ビーズ4gを用いて遊星ボールミルにより24時間混合し、触媒ペーストを作製した。なお、イオン液体は、1−Ethyl−3−methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imide(三菱マテリアル株式会社製、以下においてEMIm−SFIとも記す。)を用いた。
<Catalyst paste>
To 0.2 g of tin phosphate obtained above, 2 g of ionic liquid, 1.5 g of 85 mass% phosphoric acid aqueous solution (hereinafter also simply referred to as 85% phosphoric acid), platinum-supported carbon (“TEC10E50E”, After adding 1 g of Tanaka Kikinzoku Co., Ltd. and 5 g of water, 4 g of beads were mixed for 24 hours by a planetary ball mill to prepare a catalyst paste. As the ionic liquid, 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (fluorosulfonyl) imide (manufactured by Mitsubishi Materials Corporation, hereinafter also referred to as EMIm-SFI) was used.
<ガス拡散電極の作製>
上記で得られた触媒ペーストをブレードコーターにてガス拡散層(「SGL34BC」、SGLカーボン社製)上に白金担持量が0.5mg/cm2となるように塗工し、100℃で、30分間乾燥して触媒層を形成し、燃料電池用ガス拡散電極を得た。
<Production of gas diffusion electrode>
The catalyst paste obtained above was applied onto a gas diffusion layer (“SGL34BC”, manufactured by SGL Carbon Co., Ltd.) with a blade coater so that the amount of platinum supported was 0.5 mg / cm 2. The catalyst layer was formed by drying for a minute to obtain a fuel cell gas diffusion electrode.
<膜電極接合体の作製>
上記で得られたリン酸スズ5gに、上記で得られた10質量%SPEEK溶液5gを加えて、分散機で分散して電解質ペーストを作製した。得られた電解質ペーストをPETフィルム(厚み50μm)上にブレードコーターで塗工し、約120℃で、約30分程度、乾燥し、厚み70μmの電解質膜を得た。次に、得られた電解質膜からPETフィルムを剥離した後、上記で得られたガス拡散電極を、触媒層の主面と電解質膜の主面が接するように、電解質膜の両方の主面上に配置し、得られた積層物を両側から160℃、3MPaの条件で熱プレスし、燃料電池用膜電極接合体を得た。
<Preparation of membrane electrode assembly>
5 g of the 10 mass% SPEEK solution obtained above was added to 5 g of the tin phosphate obtained above, and dispersed with a disperser to prepare an electrolyte paste. The obtained electrolyte paste was coated on a PET film (thickness 50 μm) with a blade coater and dried at about 120 ° C. for about 30 minutes to obtain an electrolyte membrane having a thickness of 70 μm. Next, after peeling the PET film from the obtained electrolyte membrane, the gas diffusion electrode obtained above is placed on both major surfaces of the electrolyte membrane so that the major surface of the catalyst layer and the major surface of the electrolyte membrane are in contact with each other. And the obtained laminate was hot-pressed from both sides under the conditions of 160 ° C. and 3 MPa to obtain a membrane electrode assembly for a fuel cell.
(実施例2)
<ガス拡散電極及び膜電極接合体の作製>
イオン液体として1−Ethyl−3−methylimidazolium triflate(メルク株式会社製、以下においてEMIm−TfOとも記す。)を用いた以外は実施例1と同様にして燃料電池用ガス拡散電極と燃料電池用膜電極接合体を得た。
(Example 2)
<Production of gas diffusion electrode and membrane electrode assembly>
Gas diffusion electrode for fuel cell and membrane electrode for fuel cell in the same manner as in Example 1 except that 1-Ethyl-3-methylimidazolium triflate (manufactured by Merck Co., Ltd., hereinafter also referred to as EMIm-TfO) was used as the ionic liquid A joined body was obtained.
(実施例3)
<ガス拡散電極及び膜電極接合体の作製>
イオン液体として1−Ethyl−3−methylimidazolium hydrogensulfate(メルク株式会社製、以下においてEMIm−HSO4 -とも記す。)を用いた以外は実施例1と同様にして燃料電池用ガス拡散電極と燃料電池用膜電極接合体を得た。
(Example 3)
<Production of gas diffusion electrode and membrane electrode assembly>
A gas diffusion electrode for a fuel cell and a fuel cell as in Example 1 except that 1-Ethyl-3-methylimidazolium hydrogensulfate (manufactured by Merck Ltd., hereinafter also referred to as EMIm-HSO 4 − ) was used as the ionic liquid. A membrane electrode assembly was obtained.
(実施例4)
<固体酸>
固体酸として、以下のように作製したリン酸二水素セシウム(CsH2PO4)とリン酸ケイ素(SiP2O7)の複合体(CsH2PO4/SiP2O7)を用いた。
Example 4
<Solid acid>
As a solid acid, a composite of cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) and silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) prepared as follows (CsH 2 PO 4 / SiP 2 O 7 ) was used.
まず、リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)を以下のようにして作製した。炭酸セシウム(Cs2CO3、Aldrich社製)28.4g(0.09モル)及び水10gをビーカーに撹拌子と共に入れ、スターラーにて撹拌した。次いで、スターラーにて撹拌しながら85%リン酸水溶液20.1g(0.17モル)を少量ずつ滴下した。その後、ホットプレート上で、約120℃で、約2時間乾燥し、水を蒸発させた。得られた生成物を坩堝に投入し、約120℃で、約3日間乾燥し、得られた生成物をめのうばちで粉砕し、リン酸二水素セシウム(CsH2PO4)を得た。 First, cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) was produced as follows. 28.4 g (0.09 mol) of cesium carbonate (Cs 2 CO 3 , manufactured by Aldrich) and 10 g of water were placed in a beaker with a stirrer and stirred with a stirrer. Next, 20.1 g (0.17 mol) of 85% aqueous phosphoric acid solution was added dropwise little by little while stirring with a stirrer. Then, it dried at about 120 degreeC on the hotplate for about 2 hours, and water was evaporated. The obtained product was put into a crucible and dried at about 120 ° C. for about 3 days, and the obtained product was pulverized with an agate nail to obtain cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ).
次に、リン酸ケイ素(SiP2O7)を以下のようにして作製した。二酸化ケイ素(SiO2、東ソーシリカ社製)8.0g(0.13モル)及び85質量%リン酸水溶液38.4g(0.33モル)をめのうばちに入れ、水あめ状になるまで混合した。得られた混合物をアルミナ坩堝に投入し、100〜200℃で、約60時間の仮焼成した後、約700℃、約4時間程度焼成し、得られた生成物をめのうばちで粉砕し、リン酸ケイ素(SiP2O7)を得た。 Next, silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) was produced as follows. 8.0 g (0.13 mol) of silicon dioxide (SiO 2 , manufactured by Tosoh Silica) and 38.4 g (0.33 mol) of 85% by weight aqueous phosphoric acid solution were placed in an agate noodle and mixed until it became a candy-like shape. . The obtained mixture was put into an alumina crucible, calcined at 100 to 200 ° C. for about 60 hours, then calcined at about 700 ° C. for about 4 hours, and the resulting product was pulverized with an agate noodle, Silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) was obtained.
最後に、上記で得られたリン酸二水素セシウム(CsH2PO4)2.0g(0.0087モル)と、上記で得られたリン酸ケイ素(SiP2O7)3.5g(0.017モル)をポットミルで分散混合し、リン酸二水素セシウムとリン酸ケイ素の複合体を得た。 Finally, 2.0 g (0.0087 mol) of cesium dihydrogen phosphate (CsH 2 PO 4 ) obtained above and 3.5 g of silicon phosphate (SiP 2 O 7 ) obtained above (0. 017 mol) was dispersed and mixed in a pot mill to obtain a composite of cesium dihydrogen phosphate and silicon phosphate.
<ガス拡散電極及び膜電極接合体の作製>
固体酸として上記で得られたリン酸二水素セシウムとリン酸ケイ素の複合体を用いた以外は実施例1と同様にして燃料電池用ガス拡散電極と燃料電池用膜電極接合体を得た。
<Production of gas diffusion electrode and membrane electrode assembly>
A fuel cell gas diffusion electrode and a fuel cell membrane electrode assembly were obtained in the same manner as in Example 1 except that the composite of cesium dihydrogen phosphate and silicon phosphate obtained above was used as the solid acid.
(実施例5)
<ガス拡散電極及び膜電極接合体の作製>
イオン液体としてEMIm−TfO(メルク株式会社製)を用いた以外は実施例4と同様にして燃料電池用ガス拡散電極と燃料電池用膜電極接合体を得た。
(Example 5)
<Production of gas diffusion electrode and membrane electrode assembly>
A fuel cell gas diffusion electrode and a fuel cell membrane electrode assembly were obtained in the same manner as in Example 4 except that EMIm-TfO (manufactured by Merck) was used as the ionic liquid.
(実施例6)
<ガス拡散電極及び膜電極接合体の作製>
イオン液体としてEMIm−HSO4 -(メルク株式会社製)を用いた以外は実施例4と同様にして燃料電池用ガス拡散電極と燃料電池用膜電極接合体を得た。
(Example 6)
<Production of gas diffusion electrode and membrane electrode assembly>
A gas diffusion electrode for a fuel cell and a membrane electrode assembly for a fuel cell were obtained in the same manner as in Example 4 except that EMIm-HSO 4 − (Merck Co., Ltd.) was used as the ionic liquid.
(実施例7)
<触媒ペースト>
実施例1と同様にして得られたリン酸スズ0.2gに、イオン液体(EMIm−SFI、三菱マテリアル株式会社製)2gと、85質量%リン酸水溶液1.5gと、白金担持カーボン(「TEC10E50E」、田中貴金属社製)1gと、実施例1と同様にして得られた10質量%SPEEK溶液1.8gと、水5gを添加した後、ビーズ4gを用いて遊星ボールミルにより約24時間混合し、触媒ペーストを作製した。
(Example 7)
<Catalyst paste>
To 0.2 g of tin phosphate obtained in the same manner as in Example 1, 2 g of ionic liquid (EMIm-SFI, manufactured by Mitsubishi Materials Corporation), 1.5 g of 85 mass% phosphoric acid aqueous solution, and platinum-supported carbon (“ TEC10E50E (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) 1 g, 1.8 g of a 10 mass% SPEEK solution obtained in the same manner as in Example 1, and 5 g of water were added, and then mixed with a planetary ball mill for 4 hours using 4 g of beads. Thus, a catalyst paste was produced.
<ガス拡散電極及び膜電極接合体の作製>
上記で得られた触媒ペーストを用いた以外は実施例1と同様にして燃料電池用ガス拡散電極と燃料電池用膜電極接合体を得た。
<Production of gas diffusion electrode and membrane electrode assembly>
A gas diffusion electrode for a fuel cell and a membrane electrode assembly for a fuel cell were obtained in the same manner as in Example 1 except that the catalyst paste obtained above was used.
(実施例8)
<ガス拡散電極及び膜電極接合体の作製>
イオン液体としてEMIm−TfO(メルク株式会社製)を用いた以外は実施例7と同様にして燃料電池用ガス拡散電極と燃料電池用膜電極接合体を得た。
(Example 8)
<Production of gas diffusion electrode and membrane electrode assembly>
A gas diffusion electrode for a fuel cell and a membrane electrode assembly for a fuel cell were obtained in the same manner as in Example 7 except that EMIm-TfO (manufactured by Merck) was used as the ionic liquid.
(実施例9)
<ガス拡散電極及び膜電極接合体の作製>
イオン液体としてEMIm−HSO4 -(メルク株式会社製)を用いた以外は実施例7と同様にして燃料電池用ガス拡散電極と燃料電池用膜電極接合体を得た。
Example 9
<Production of gas diffusion electrode and membrane electrode assembly>
A gas diffusion electrode for a fuel cell and a membrane electrode assembly for a fuel cell were obtained in the same manner as in Example 7 except that EMIm-HSO 4 − (Merck Co., Ltd.) was used as the ionic liquid.
(実施例10)
<触媒ペースト>
実施例4と同様にして得られたリン酸二水素セシウムとリン酸ケイ素の複合体0.2gに、イオン液体(EMIm−SFI、三菱マテリアル株式会社製)2gと、85質量%リン酸水溶液1.5gと、白金担持カーボン(「TEC10E50E」、田中貴金属社製)1gと、実施例1と同様にして得られた10質量%SPEEK溶液1.8gと、水5gを添加した後、ビーズ4gを用いて遊星ボールミルにより約24時間混合し、触媒ペーストを作製した。
(Example 10)
<Catalyst paste>
Into 0.2 g of the complex of cesium dihydrogen phosphate and silicon phosphate obtained in the same manner as in Example 4, 2 g of ionic liquid (EMIm-SFI, manufactured by Mitsubishi Materials Corporation) and 85 mass% phosphoric acid
<ガス拡散電極及び膜電極接合体の作製>
上記で得られた触媒ペーストを用いた以外は実施例1と同様にして燃料電池用ガス拡散電極と燃料電池用膜電極接合体を得た。
<Production of gas diffusion electrode and membrane electrode assembly>
A gas diffusion electrode for a fuel cell and a membrane electrode assembly for a fuel cell were obtained in the same manner as in Example 1 except that the catalyst paste obtained above was used.
(実施例11)
<ガス拡散電極及び膜電極接合体の作製>
イオン液体としてEMIm−TfO(メルク株式会社製)を用いた以外は実施例10と同様にして燃料電池用ガス拡散電極と燃料電池用膜電極接合体を得た。
(Example 11)
<Production of gas diffusion electrode and membrane electrode assembly>
A fuel cell gas diffusion electrode and a fuel cell membrane electrode assembly were obtained in the same manner as in Example 10 except that EMIm-TfO (manufactured by Merck) was used as the ionic liquid.
(実施例12)
<ガス拡散電極及び膜電極接合体の作製>
イオン液体としてEMIm−HSO4 -(メルク株式会社製)を用いた以外は実施例10と同様にして燃料電池用ガス拡散電極と燃料電池用膜電極接合体を得た。
(Example 12)
<Production of gas diffusion electrode and membrane electrode assembly>
A fuel cell gas diffusion electrode and a fuel cell membrane electrode assembly were obtained in the same manner as in Example 10 except that EMIm-HSO 4 − (manufactured by Merck) was used as the ionic liquid.
<ガス拡散電極及び膜電極接合体の作製>
上記で得られた触媒ペーストを用いた以外は実施例1と同様にして燃料電池用ガス拡散電極と燃料電池用膜電極接合体を得た。
<Production of gas diffusion electrode and membrane electrode assembly>
A gas diffusion electrode for a fuel cell and a membrane electrode assembly for a fuel cell were obtained in the same manner as in Example 1 except that the catalyst paste obtained above was used.
(実施例13)
<触媒ペースト>
実施例1と同様にして得られたリン酸スズ0.2gに、イオン液体(EMIm−SFI、三菱マテリアル株式会社製)2gと、白金担持カーボン(「TEC10E50E」、田中貴金属社製)1gと、水5gを添加した後、ビーズ4gを用いて遊星ボールミルにより約24時間混合し、触媒ペーストを作製した。
(Example 13)
<Catalyst paste>
0.2 g of tin phosphate obtained in the same manner as in Example 1, 2 g of ionic liquid (EMIm-SFI, manufactured by Mitsubishi Materials Corporation), 1 g of platinum-supported carbon (“TEC10E50E”, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.), After adding 5 g of water, 4 g of beads were mixed with a planetary ball mill for about 24 hours to prepare a catalyst paste.
<ガス拡散電極の作製>
上記で得られた触媒ペーストをブレードコーターにてガス拡散層(「SGL34BC」、SGLカーボン社製)上に白金担持量が0.5mg/cm2となるように塗工し、100℃で、30分間乾燥して触媒層を形成した後、触媒層の主面上に85質量%リン酸水溶液1.5gを塗布し、燃料電池用ガス拡散電極を得た。
<Production of gas diffusion electrode>
The catalyst paste obtained above was applied onto a gas diffusion layer (“SGL34BC”, manufactured by SGL Carbon Co., Ltd.) with a blade coater so that the amount of platinum supported was 0.5 mg / cm 2. After drying for a minute to form a catalyst layer, 1.5 g of 85 mass% phosphoric acid aqueous solution was applied on the main surface of the catalyst layer to obtain a gas diffusion electrode for a fuel cell.
<膜電極接合体の作製>
上記で得られたガス拡散電極を用いた以外は、実施例1と同様にして燃料電池用膜電極接合体を作製した。
<Preparation of membrane electrode assembly>
A membrane electrode assembly for a fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the gas diffusion electrode obtained above was used.
(実施例14)
<触媒ペースト>
実施例1と同様にして得られたリン酸スズ0.2gに、85質量%リン酸水溶液1.5gと、白金担持カーボン(「TEC10E50E」、田中貴金属社製)1gと、水5gを添加した後、ビーズ4gを用いて遊星ボールミルにより約24時間混合し、触媒ペーストを作製した。
(Example 14)
<Catalyst paste>
To 0.2 g of tin phosphate obtained in the same manner as in Example 1, 1.5 g of 85 mass% phosphoric acid aqueous solution, 1 g of platinum-supporting carbon (“TEC10E50E”, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) and 5 g of water were added. Thereafter, 4 g of beads were mixed for about 24 hours by a planetary ball mill to prepare a catalyst paste.
<ガス拡散電極の作製>
上記で得られた触媒ペーストをブレードコーターにてガス拡散層(「SGL34BC」、SGLカーボン社製)上に白金担持量が0.5mg/cm2となるように塗工し、100℃で、30分間乾燥して触媒層を形成した後、触媒層の主面上にイオン液体(EMIm−SFI、三菱マテリアル株式会社製)2gを塗布し、燃料電池用ガス拡散電極を得た。
<Production of gas diffusion electrode>
The catalyst paste obtained above was applied onto a gas diffusion layer (“SGL34BC”, manufactured by SGL Carbon Co., Ltd.) with a blade coater so that the amount of platinum supported was 0.5 mg / cm 2. After drying for a minute to form a catalyst layer, 2 g of ionic liquid (EMIm-SFI, manufactured by Mitsubishi Materials Corporation) was applied on the main surface of the catalyst layer to obtain a fuel cell gas diffusion electrode.
<膜電極接合体の作製>
上記で得られたガス拡散電極を用いた以外は、実施例1と同様にして燃料電池用膜電極接合体を作製した。
<Preparation of membrane electrode assembly>
A membrane electrode assembly for a fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the gas diffusion electrode obtained above was used.
(実施例15)
<触媒ペースト>
実施例1と同様にして得られたリン酸スズ0.2gに、白金担持カーボン(「TEC10E50E」、田中貴金属社製)1gと、水5gを添加した後、ビーズ4gを用いて遊星ボールミルにより約24時間混合し、触媒ペーストを作製した。
(Example 15)
<Catalyst paste>
To 0.2 g of tin phosphate obtained in the same manner as in Example 1, 1 g of platinum-supporting carbon (“TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) and 5 g of water were added, and then 4 g of beads were used to measure about The catalyst paste was produced by mixing for 24 hours.
<ガス拡散電極の作製>
上記で得られた触媒ペーストをブレードコーターにてガス拡散層(「SGL34BC」、SGLカーボン社製)上に白金担持量が0.5mg/cm2となるように塗工し、100℃で、30分間乾燥して触媒層を形成した後、触媒層の主面上に85質量%リン酸水溶液1.5gとイオン液体(EMIm−SFI、三菱マテリアル株式会社製)2gを塗布し、燃料電池用ガス拡散電極を得た。
<Production of gas diffusion electrode>
The catalyst paste obtained above was applied onto a gas diffusion layer (“SGL34BC”, manufactured by SGL Carbon Co., Ltd.) with a blade coater so that the amount of platinum supported was 0.5 mg / cm 2. After forming the catalyst layer by drying for a minute, 1.5 g of 85 mass% phosphoric acid aqueous solution and 2 g of ionic liquid (EMIm-SFI, manufactured by Mitsubishi Materials Corporation) are applied on the main surface of the catalyst layer, and the fuel cell gas A diffusion electrode was obtained.
<膜電極接合体の作製>
上記で得られたガス拡散電極を用いた以外は、実施例1と同様にして燃料電池用膜電極接合体を作製した。
<Preparation of membrane electrode assembly>
A membrane electrode assembly for a fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the gas diffusion electrode obtained above was used.
(比較例1)
<触媒ペースト>
イオン液体(EMIm−SFI、三菱マテリアル株式会社製)3.5gに、白金担持カーボン(「TEC10E50E」、田中貴金属社製)1gと、水5gを添加した後、ビーズ4gを用いて遊星ボールミルにより約24時間混合し、触媒ペーストを作製した。
(Comparative Example 1)
<Catalyst paste>
After adding 1 g of platinum-supported carbon (TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) and 5 g of water to 3.5 g of ionic liquid (EMIm-SFI, manufactured by Mitsubishi Materials Co., Ltd.) The catalyst paste was produced by mixing for 24 hours.
<ガス拡散電極及び膜電極接合体の作製>
上記で得られた触媒ペーストを用いた以外は実施例1と同様にして燃料電池用ガス拡散電極と燃料電池用膜電極接合体を得た。
<Production of gas diffusion electrode and membrane electrode assembly>
A gas diffusion electrode for a fuel cell and a membrane electrode assembly for a fuel cell were obtained in the same manner as in Example 1 except that the catalyst paste obtained above was used.
(比較例2)
<触媒ペースト>
イオン液体(EMIm−SFI、三菱マテリアル株式会社製)3.5gに、白金担持カーボン(「TEC10E50E」、田中貴金属社製)1gと、実施例1と同様にして得られた10質量%SPEEK溶液1.8gと、水5gを添加した後、ビーズ4gを用いて遊星ボールミルにより約24時間混合し、触媒ペーストを作製した。
(Comparative Example 2)
<Catalyst paste>
3.5 g of ionic liquid (EMIm-SFI, manufactured by Mitsubishi Materials Corporation), 1 g of platinum-supported carbon (“TEC10E50E”, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) and 10% by
<ガス拡散電極及び膜電極接合体の作製>
上記で得られた触媒ペーストを用いた以外は実施例1と同様にして燃料電池用ガス拡散電極と燃料電池用膜電極接合体を得た。
<Production of gas diffusion electrode and membrane electrode assembly>
A gas diffusion electrode for a fuel cell and a membrane electrode assembly for a fuel cell were obtained in the same manner as in Example 1 except that the catalyst paste obtained above was used.
(比較例3)
<触媒ペースト>
実施例1と同様にして得られたリン酸スズ0.2gに、イオン液体(EMIm−SFI、三菱マテリアル株式会社製)3.5gと、白金担持カーボン(「TEC10E50E」、田中貴金属社製)1gと、水5gを添加した後、ビーズ4gを用いて遊星ボールミルにより約24時間混合し、触媒ペーストを作製した。
(Comparative Example 3)
<Catalyst paste>
0.2 g of tin phosphate obtained in the same manner as in Example 1, 3.5 g of ionic liquid (EMIm-SFI, manufactured by Mitsubishi Materials Corporation), and 1 g of platinum-supported carbon (“TEC10E50E”, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) After adding 5 g of water, 4 g of beads were mixed for about 24 hours by a planetary ball mill to prepare a catalyst paste.
<ガス拡散電極及び膜電極接合体の作製>
上記で得られた触媒ペーストを用いた以外は実施例1と同様にして燃料電池用ガス拡散電極と燃料電池用膜電極接合体を得た。
<Production of gas diffusion electrode and membrane electrode assembly>
A gas diffusion electrode for a fuel cell and a membrane electrode assembly for a fuel cell were obtained in the same manner as in Example 1 except that the catalyst paste obtained above was used.
(比較例4)
<触媒ペースト>
実施例1と同様にして得られたリン酸スズ0.2gに、イオン液体(EMIm−SFI、三菱マテリアル株式会社製)3.5gと、白金担持カーボン(「TEC10E50E」、田中貴金属社製)1gと、実施例1と同様にして得られた10質量%SPEEK溶液1.8gと、水5gを添加した後、ビーズ4gを用いて遊星ボールミルにより約24時間混合し、触媒ペーストを作製した。
(Comparative Example 4)
<Catalyst paste>
0.2 g of tin phosphate obtained in the same manner as in Example 1, 3.5 g of ionic liquid (EMIm-SFI, manufactured by Mitsubishi Materials Corporation), and 1 g of platinum-supported carbon (“TEC10E50E”, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) Then, after adding 1.8 g of 10 mass% SPEEK solution obtained in the same manner as in Example 1 and 5 g of water, 4 g of beads were mixed by a planetary ball mill for about 24 hours to prepare a catalyst paste.
<ガス拡散電極及び膜電極接合体の作製>
上記で得られた触媒ペーストを用いた以外は実施例1と同様にして燃料電池用ガス拡散電極と燃料電池用膜電極接合体を得た。
<Production of gas diffusion electrode and membrane electrode assembly>
A gas diffusion electrode for a fuel cell and a membrane electrode assembly for a fuel cell were obtained in the same manner as in Example 1 except that the catalyst paste obtained above was used.
(比較例5)
<触媒ペースト>
実施例1と同様にして得られたリン酸スズ0.2gに、85質量%リン酸水溶液1.5g、白金担持カーボン(「TEC10E50E」、田中貴金属社製)1gと水5gを添加した後、ビーズ4gを用いて遊星ボールミルにより約24時間混合し、触媒ペーストを作製した。
(Comparative Example 5)
<Catalyst paste>
After adding 0.2 g of 85 mass% phosphoric acid aqueous solution, 1 g of platinum-supporting carbon (“TEC10E50E”, Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) and 5 g of water to 0.2 g of tin phosphate obtained in the same manner as in Example 1, 4 g of beads were mixed for about 24 hours by a planetary ball mill to prepare a catalyst paste.
<ガス拡散電極及び膜電極接合体の作製>
上記で得られた触媒ペーストを用いた以外は実施例1と同様にして燃料電池用ガス拡散電極と燃料電池用膜電極接合体を得た。
<Production of gas diffusion electrode and membrane electrode assembly>
A gas diffusion electrode for a fuel cell and a membrane electrode assembly for a fuel cell were obtained in the same manner as in Example 1 except that the catalyst paste obtained above was used.
(比較例6)
<触媒ペースト>
実施例1と同様にして得られたリン酸スズ0.2gに、85質量%リン酸水溶液1.5gと、白金担持カーボン(「TEC10E50E」、田中貴金属社製)1gと、実施例1と同様にして得られた10質量%SPEEK溶液1.8gと、水5gを添加した後、ビーズ4gを用いて遊星ボールミルにより約24時間混合し、触媒ペーストを作製した。
(Comparative Example 6)
<Catalyst paste>
0.2 g of tin phosphate obtained in the same manner as in Example 1, 1.5 g of 85 mass% phosphoric acid aqueous solution, 1 g of platinum-supporting carbon (“TEC10E50E”, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.), and the same as in Example 1 After adding 1.8 g of the 10% by mass SPEEK solution obtained in the above and 5 g of water, the mixture was mixed for about 24 hours with a planetary ball mill using 4 g of beads to prepare a catalyst paste.
<ガス拡散電極及び膜電極接合体の作製>
上記で得られた触媒ペーストを用いた以外は実施例1と同様にして燃料電池用ガス拡散電極と燃料電池用膜電極接合体を得た。
<Production of gas diffusion electrode and membrane electrode assembly>
A gas diffusion electrode for a fuel cell and a membrane electrode assembly for a fuel cell were obtained in the same manner as in Example 1 except that the catalyst paste obtained above was used.
(起電力の測定)
実施例及び比較例で得られた燃料電池用膜電極接合体を、JARI標準セルにセル組みし、160℃かつ無加湿雰囲気下で電流−電圧(IV)測定を行い、100mA/cm2における起電力(V)を測定し、その結果を下記表1〜表4に示した。ここで、JARIセル標準セルとは、(財)日本自動車研究所(JARI:Japan Auto mobile Research Institute)において、PEFCの基礎研究及びPEFC用材料(膜、電極触媒、構成部品等)の評価試験用として開発されたセルを意味する。なお、表1〜表4には、触媒層に含まれる電解質についても示した。
(Measurement of electromotive force)
The resulting fuel cell membrane electrode assembly in Examples and Comparative Examples, were assembled cell JARI standard cell, a current under 160 ° C. and no humidity atmosphere - performs voltage (IV) measurements, caused in 100 mA / cm 2 The power (V) was measured, and the results are shown in Tables 1 to 4 below. Here, the JARI cell standard cell is used for the basic research of PEFC and the evaluation test of PEFC materials (membranes, electrode catalysts, components, etc.) at the Japan Automobile Research Institute (JARI). Means a cell developed as Tables 1 to 4 also show electrolytes contained in the catalyst layer.
表1〜表4から分かるように、触媒層が電解質として固体酸、イオン液体及びリン酸類を含む実施例1〜15の燃料電池用膜電極接合体は、触媒層が電解質としてイオン液体しか含んでいない比較例1〜2の燃料電池用膜電極接合体、触媒層が電解質としてイオン液体と固体酸を含んでいる比較例3〜4の燃料電池用膜電極接合体及び触媒層が電解質としてリン酸類と固体酸を含んでいる比較例5〜6の燃料電池用膜電極接合体に比べて、160℃かつ無加湿雰囲気下、100mA/cm2における起電力が高かった。すなわち、実施例1〜15の燃料電池用膜電極接合体では、触媒層におけるプロトン伝導性が高く、電池性能が優れている一方、比較例1〜6の燃料電池用膜電極接合体では、触媒層におけるプロトン伝導パスがうまく機能せず、電池性能が低下している。 As can be seen from Tables 1 to 4, the membrane electrode assemblies for fuel cells of Examples 1 to 15 in which the catalyst layer contains a solid acid, an ionic liquid, and phosphoric acids as an electrolyte, the catalyst layer contains only an ionic liquid as an electrolyte. The fuel cell membrane electrode assemblies of Comparative Examples 1 and 2 and the catalyst layer containing ionic liquid and solid acid as electrolytes and the fuel cell membrane electrode assemblies and catalyst layers of Comparative Examples 3 to 4 containing phosphoric acids as electrolytes The electromotive force at 100 mA / cm 2 was higher at 160 ° C. and in a non-humidified atmosphere as compared with the fuel cell membrane electrode assemblies of Comparative Examples 5 to 6 containing the solid acid. That is, in the fuel cell membrane electrode assemblies of Examples 1 to 15, the proton conductivity in the catalyst layer is high and the cell performance is excellent. On the other hand, in the fuel cell membrane electrode assemblies of Comparative Examples 1 to 6, the catalyst The proton conduction path in the layer does not work well and the battery performance is degraded.
本発明は、電解質を含む触媒層及びそれを用いた燃料電池に関連した技術分野に好適に適用され得る。 The present invention can be suitably applied to a technical field related to a catalyst layer containing an electrolyte and a fuel cell using the same.
1 電解質膜
2、2a、2b 触媒層
4、4a、4b ガス拡散層
7 基材
11 基材付き燃料電池用触媒層
12、12a、12b 燃料電池用ガス拡散電極
13 燃料電池用触媒層−電解質膜積層体
14 燃料電池用電極接合体
12a カソード側触媒電極
12b アノード側触媒電極
20 燃料電池
22、23 セパレータ
24 酸化剤ガス流路
25 燃料流路
26 外部回路
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記電解質が、イオン液体と固体酸とリン酸類とを含むことを特徴とする燃料電池用触媒層。 A fuel cell catalyst layer comprising an electrolyte and a catalyst,
The fuel cell catalyst layer, wherein the electrolyte contains an ionic liquid, a solid acid, and phosphoric acids.
M1-xDxP2O7 (1)
但し、上記一般式(1)中、Xは0≦X<0.5であり、MはZr,Cs,Sn,Ti,Si,Ge,Pb,Hf,Ca,Mg,W,Na及びAlからなる群から選ばれる一種であり、DはAl,In,B,Ga,Sc,Yb,Ce,La,Sb,Y,Nb及びMgからなる群から選ばれる一種である。 The catalyst layer for a fuel cell according to claim 1, wherein the solid acid is a metal phosphate represented by the following general formula (1).
M 1-x D x P 2 O 7 (1)
However, in the general formula (1), X is 0 ≦ X <0.5, and M is Zr, Cs, Sn, Ti, Si, Ge, Pb, Hf, Ca, Mg, W, Na, and Al. D is a kind selected from the group consisting of Al, In, B, Ga, Sc, Yb, Ce, La, Sb, Y, Nb and Mg.
前記触媒層が、前記基材の一方の主面上に形成されていることを特徴とする基材付き燃料電池用触媒層。 A fuel cell catalyst layer according to claim 1 or 2, and a substrate.
The catalyst layer for a fuel cell with a substrate, wherein the catalyst layer is formed on one main surface of the substrate.
前記触媒層が、前記ガス拡散層の一方の主面上に配置されていることを特徴とする燃料電池用ガス拡散電極。 A fuel cell catalyst layer according to claim 1 or 2, and a gas diffusion layer,
The gas diffusion electrode for a fuel cell, wherein the catalyst layer is disposed on one main surface of the gas diffusion layer.
前記触媒層が、前記電解質膜の少なくとも一方の主面上に配置されていることを特徴とする燃料電池用触媒層−電解質膜積層体。 A fuel cell catalyst layer according to claim 1 or 2, and an electrolyte membrane,
A catalyst layer-electrolyte membrane laminate for a fuel cell, wherein the catalyst layer is disposed on at least one main surface of the electrolyte membrane.
前記電解質膜の両方の主面上に、前記触媒層と前記ガス拡散層とがこの順番でそれぞれ積層されていることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。 A fuel cell catalyst layer according to claim 1, comprising an electrolyte membrane and a gas diffusion layer,
The membrane electrode assembly for a fuel cell, wherein the catalyst layer and the gas diffusion layer are laminated in this order on both main surfaces of the electrolyte membrane.
前記電解質膜の両方の主面上に、前記触媒層と前記ガス拡散層と前記セパレータとがこの順番でそれぞれ積層されていることを特徴とする燃料電池。 A catalyst layer for a fuel cell according to claim 1, an electrolyte membrane, a gas diffusion layer, and a separator,
The fuel cell, wherein the catalyst layer, the gas diffusion layer, and the separator are respectively laminated in this order on both main surfaces of the electrolyte membrane.
電解質と触媒とを含む触媒層形成用組成物を用いて触媒層を形成する工程を含み、
前記触媒層形成用組成物に電解質として固体酸とイオン液体とリン酸類とを含ませること、又は、
前記触媒層形成用組成物がイオン液体及びリン酸類からなる群から選ばれる一種以上の電解質を含まない場合は、前記触媒層形成用組成物を用いて形成した触媒層にイオン液体及びリン酸類からなる群から選ばれる一種以上の電解質を塗布することにより、
電解質としてイオン液体と固体酸とリン酸類とを含む触媒層を得ることを特徴とする燃料電池用触媒層の製造方法。 A method for producing a fuel cell catalyst layer comprising an electrolyte and a catalyst,
Forming a catalyst layer using a catalyst layer forming composition containing an electrolyte and a catalyst,
Including a solid acid, an ionic liquid, and phosphoric acids as an electrolyte in the catalyst layer forming composition, or
In the case where the composition for forming a catalyst layer does not contain one or more electrolytes selected from the group consisting of an ionic liquid and phosphoric acids, the catalyst layer formed using the composition for forming a catalyst layer is converted from an ionic liquid and phosphoric acids. By applying one or more electrolytes selected from the group consisting of
A method for producing a fuel cell catalyst layer, comprising obtaining a catalyst layer containing an ionic liquid, a solid acid, and phosphoric acids as an electrolyte.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011079151A JP2012216313A (en) | 2011-03-31 | 2011-03-31 | Catalyst layer for fuel cell, catalyst layer for fuel cell provided with substrate using the same, gas diffusion electrode for fuel cell, laminate of catalyst layer for fuel cell and electrolyte membrane, membrane electrode assembly for fuel cell, fuel cell and method for producing the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011079151A JP2012216313A (en) | 2011-03-31 | 2011-03-31 | Catalyst layer for fuel cell, catalyst layer for fuel cell provided with substrate using the same, gas diffusion electrode for fuel cell, laminate of catalyst layer for fuel cell and electrolyte membrane, membrane electrode assembly for fuel cell, fuel cell and method for producing the same |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2012216313A true JP2012216313A (en) | 2012-11-08 |
Family
ID=47268938
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011079151A Withdrawn JP2012216313A (en) | 2011-03-31 | 2011-03-31 | Catalyst layer for fuel cell, catalyst layer for fuel cell provided with substrate using the same, gas diffusion electrode for fuel cell, laminate of catalyst layer for fuel cell and electrolyte membrane, membrane electrode assembly for fuel cell, fuel cell and method for producing the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2012216313A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016540355A (en) * | 2013-12-09 | 2016-12-22 | カウンシル オブ サイエンティフィック アンド インダストリアル リサーチ | Method of manufacturing a PBI-based membrane electrode assembly (MEA) with improved fuel cell performance and stability |
CN110197906A (en) * | 2018-02-27 | 2019-09-03 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | With the catalyst activity of ion liquid addictive enhancing PEM fuel cell electrode |
JP2021096940A (en) * | 2019-12-16 | 2021-06-24 | トヨタ自動車株式会社 | Membrane electrode assembly for fuel cell |
-
2011
- 2011-03-31 JP JP2011079151A patent/JP2012216313A/en not_active Withdrawn
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016540355A (en) * | 2013-12-09 | 2016-12-22 | カウンシル オブ サイエンティフィック アンド インダストリアル リサーチ | Method of manufacturing a PBI-based membrane electrode assembly (MEA) with improved fuel cell performance and stability |
CN110197906A (en) * | 2018-02-27 | 2019-09-03 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | With the catalyst activity of ion liquid addictive enhancing PEM fuel cell electrode |
JP2021096940A (en) * | 2019-12-16 | 2021-06-24 | トヨタ自動車株式会社 | Membrane electrode assembly for fuel cell |
JP7235408B2 (en) | 2019-12-16 | 2023-03-08 | トヨタ自動車株式会社 | Membrane electrode assembly for fuel cell |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN104094460B (en) | Electrode catalyst layer for fuel cell | |
JP5556434B2 (en) | Gas diffusion electrode and method for producing the same, membrane electrode assembly and method for producing the same | |
JP5488254B2 (en) | Hydrophilic porous layer for fuel cell, gas diffusion electrode, production method thereof, and membrane electrode assembly | |
CN100444437C (en) | Metal catalyst and fuel cell with electrode including the same | |
CN103563143B (en) | Gas diffusion layer for fuel cell | |
US9947934B2 (en) | Catalyst and electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and fuel cell using the catalyst | |
CN103165915B (en) | A kind of catalyst layer structure of effective reduction fuel cell Pt load amount | |
KR102225982B1 (en) | Catalyst | |
EP2680350B1 (en) | Supporter for fuel cell, method of preparing same, and electrode for fuel cell, membrane-electrode assembly for a fuel cell, and fuel cell system including same | |
JP2012204274A (en) | Electrolyte membrane and catalyst layer-electrolyte membrane laminate, membrane electrode assembly and fuel cell using the same, and manufacturing method thereof | |
JP2012064343A (en) | Catalyst layer-electrolyte membrane stack, membrane-electrode junction body and fuel cell using the stack, and manufacturing method of the stack | |
JP2010245019A (en) | Catalyst layer for fuel cell, gas diffusion electrode for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell, fuel cell, and catalyst layer for fuel cell with film base material | |
JP2012216313A (en) | Catalyst layer for fuel cell, catalyst layer for fuel cell provided with substrate using the same, gas diffusion electrode for fuel cell, laminate of catalyst layer for fuel cell and electrolyte membrane, membrane electrode assembly for fuel cell, fuel cell and method for producing the same | |
JP5099096B2 (en) | Proton conductive electrolyte manufacturing method, proton conductive electrolyte membrane manufacturing method, and fuel cell manufacturing method | |
JP2011096633A (en) | Proton conductive electrolyte membrane, catalyst layer-electrolyte membrane laminate, membrane-electrode assembly and fuel cell using the same, and method of manufacturing the same | |
JP2013175368A (en) | Anode gas diffusion layer | |
JP5439828B2 (en) | Fuel cell electrolyte membrane, fuel cell membrane / electrode assembly, fuel cell and method for producing fuel cell electrolyte membrane | |
JP2010199061A (en) | Electrolyte membrane for fuel cell, membrane electrode assembly for fuel cell, and fuel cell | |
JP2012049116A (en) | Electrolyte membrane for fuel cell, manufacturing method therefor, catalyst-layer/electrolyte-membrane laminate for fuel cell, membrane/electrode assembly for fuel cell, and fuel cell | |
JP2012195197A (en) | Electrolyte membrane, and catalyst layer-electrolyte membrane laminate, membrane electrode assembly and fuel cell including the electrolyte membrane | |
DK2229703T3 (en) | A fuel cell proton-conducting membrane, membrane-electrode assembly, use of ionomers and kits | |
JP6862792B2 (en) | Method of manufacturing electrode catalyst | |
JP2009032414A (en) | Electrolyte membrane and electrolyte membrane-catalyst layer assembly for solid polymer fuel cell, fuel cell using the same electrolyte membrane-catalyst layer assembly, and laminated body for forming electrode catalyst layer of solid polymer fuel cell | |
JP2006294267A (en) | Catalyst ink for fuel cell electrode formation | |
JP2012064342A (en) | Proton conductive electrolyte membrane, and catalyst layer-electrolyte membrane stack, membrane-electrode junction body and fuel cell using the membrane, and manufacturing method of the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20140603 |