JP2014216204A - 燃料電池用触媒ペースト組成物、触媒インキ組成物、触媒層もしくは撥水層、電極膜接合体、燃料電池 - Google Patents
燃料電池用触媒ペースト組成物、触媒インキ組成物、触媒層もしくは撥水層、電極膜接合体、燃料電池 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2014216204A JP2014216204A JP2013092909A JP2013092909A JP2014216204A JP 2014216204 A JP2014216204 A JP 2014216204A JP 2013092909 A JP2013092909 A JP 2013092909A JP 2013092909 A JP2013092909 A JP 2013092909A JP 2014216204 A JP2014216204 A JP 2014216204A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- substituent
- catalyst
- group
- general formula
- 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.)
- Granted
Links
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 title claims abstract description 284
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 162
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims abstract description 129
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 61
- 239000005871 repellent Substances 0.000 title claims description 44
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 35
- 230000002940 repellent Effects 0.000 title claims description 26
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 117
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 103
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims abstract description 92
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims abstract description 92
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 90
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 66
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims abstract description 45
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 34
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 claims abstract description 32
- 229920002554 vinyl polymer Polymers 0.000 claims abstract description 30
- 239000011354 acetal resin Substances 0.000 claims abstract description 29
- 229920006324 polyoxymethylene Polymers 0.000 claims abstract description 29
- DHKHKXVYLBGOIT-UHFFFAOYSA-N 1,1-Diethoxyethane Chemical compound CCOC(C)OCC DHKHKXVYLBGOIT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 125000001424 substituent group Chemical group 0.000 claims description 106
- 125000000217 alkyl group Chemical group 0.000 claims description 39
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 35
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 claims description 24
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 claims description 22
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 claims description 22
- 125000003342 alkenyl group Chemical group 0.000 claims description 21
- 125000001072 heteroaryl group Chemical group 0.000 claims description 20
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 16
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims description 13
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 11
- 125000005647 linker group Chemical group 0.000 claims description 11
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 24
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 abstract description 22
- 238000003860 storage Methods 0.000 abstract description 13
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 56
- -1 porphyrin compounds Chemical class 0.000 description 56
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 51
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 33
- XPFVYQJUAUNWIW-UHFFFAOYSA-N furfuryl alcohol Chemical compound OCC1=CC=CO1 XPFVYQJUAUNWIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 30
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 28
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 24
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 23
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 23
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 19
- 239000012948 isocyanate Substances 0.000 description 18
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 description 17
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 17
- IMROMDMJAWUWLK-UHFFFAOYSA-N Ethenol Chemical compound OC=C IMROMDMJAWUWLK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 16
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 16
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 14
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 14
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 14
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 14
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 14
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 13
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 13
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 13
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 13
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 12
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 12
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 12
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 12
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 12
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 11
- 239000007849 furan resin Substances 0.000 description 11
- IEQIEDJGQAUEQZ-UHFFFAOYSA-N phthalocyanine Chemical class N1C(N=C2C3=CC=CC=C3C(N=C3C4=CC=CC=C4C(=N4)N3)=N2)=C(C=CC=C2)C2=C1N=C1C2=CC=CC=C2C4=N1 IEQIEDJGQAUEQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229920002037 poly(vinyl butyral) polymer Polymers 0.000 description 11
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 11
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 11
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 10
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 description 10
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 10
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 238000007127 saponification reaction Methods 0.000 description 10
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 description 10
- WSFSSNUMVMOOMR-UHFFFAOYSA-N Formaldehyde Chemical compound O=C WSFSSNUMVMOOMR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 9
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 9
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N Tetrahydrofuran Chemical compound C1CCOC1 WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 8
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 8
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 8
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 8
- 239000002585 base Substances 0.000 description 7
- 125000005842 heteroatom Chemical group 0.000 description 7
- 239000003273 ketjen black Substances 0.000 description 7
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229920000877 Melamine resin Polymers 0.000 description 6
- LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N N-Butanol Chemical compound CCCCO LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- DNIAPMSPPWPWGF-UHFFFAOYSA-N Propylene glycol Chemical compound CC(O)CO DNIAPMSPPWPWGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L Sodium Carbonate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]C([O-])=O CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 6
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000006232 furnace black Substances 0.000 description 6
- JDSHMPZPIAZGSV-UHFFFAOYSA-N melamine Chemical compound NC1=NC(N)=NC(N)=N1 JDSHMPZPIAZGSV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 6
- YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran Natural products C=1C=COC=1 YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N Phenol Chemical compound OC1=CC=CC=C1 ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000010757 Reduction Activity Effects 0.000 description 5
- 125000002947 alkylene group Chemical group 0.000 description 5
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 5
- 125000001997 phenyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(*)C([H])=C1[H] 0.000 description 5
- 239000000047 product Substances 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- DKGAVHZHDRPRBM-UHFFFAOYSA-N Tert-Butanol Chemical compound CC(C)(C)O DKGAVHZHDRPRBM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 4
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 4
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 4
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 4
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 4
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 4
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 4
- 239000005011 phenolic resin Substances 0.000 description 4
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 4
- 239000011882 ultra-fine particle Substances 0.000 description 4
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- NIPNSKYNPDTRPC-UHFFFAOYSA-N N-[2-oxo-2-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)ethyl]-2-[[3-(trifluoromethoxy)phenyl]methylamino]pyrimidine-5-carboxamide Chemical compound O=C(CNC(=O)C=1C=NC(=NC=1)NCC1=CC(=CC=C1)OC(F)(F)F)N1CC2=C(CC1)NN=N2 NIPNSKYNPDTRPC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 241000282320 Panthera leo Species 0.000 description 3
- 239000006230 acetylene black Substances 0.000 description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- BTANRVKWQNVYAZ-UHFFFAOYSA-N butan-2-ol Chemical compound CCC(C)O BTANRVKWQNVYAZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 3
- 125000001495 ethyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 3
- 125000001153 fluoro group Chemical group F* 0.000 description 3
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 3
- 125000001449 isopropyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])(*)C([H])([H])[H] 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 125000002496 methyl group Chemical group [H]C([H])([H])* 0.000 description 3
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 description 3
- 229910017464 nitrogen compound Inorganic materials 0.000 description 3
- 125000001436 propyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- 229910000029 sodium carbonate Inorganic materials 0.000 description 3
- 125000000542 sulfonic acid group Chemical group 0.000 description 3
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 description 3
- 125000002088 tosyl group Chemical group [H]C1=C([H])C(=C([H])C([H])=C1C([H])([H])[H])S(*)(=O)=O 0.000 description 3
- 125000003903 2-propenyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])=C([H])[H] 0.000 description 2
- KCXVZYZYPLLWCC-UHFFFAOYSA-N EDTA Chemical compound OC(=O)CN(CC(O)=O)CCN(CC(O)=O)CC(O)=O KCXVZYZYPLLWCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 2
- XTXRWKRVRITETP-UHFFFAOYSA-N Vinyl acetate Chemical compound CC(=O)OC=C XTXRWKRVRITETP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 150000001299 aldehydes Chemical class 0.000 description 2
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 2
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 2
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 2
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 2
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 description 2
- 238000010000 carbonizing Methods 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- MPMSMUBQXQALQI-UHFFFAOYSA-N cobalt phthalocyanine Chemical class [Co+2].C12=CC=CC=C2C(N=C2[N-]C(C3=CC=CC=C32)=N2)=NC1=NC([C]1C=CC=CC1=1)=NC=1N=C1[C]3C=CC=CC3=C2[N-]1 MPMSMUBQXQALQI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013329 compounding Methods 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 125000006165 cyclic alkyl group Chemical group 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N fluorosulfonic acid Chemical compound OS(F)(=O)=O UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000002425 furfuryl group Chemical group C(C1=CC=CO1)* 0.000 description 2
- 125000003630 glycyl group Chemical group [H]N([H])C([H])([H])C(*)=O 0.000 description 2
- 125000005843 halogen group Chemical group 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 239000003456 ion exchange resin Substances 0.000 description 2
- 229920003303 ion-exchange polymer Polymers 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229910021392 nanocarbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002064 nanoplatelet Substances 0.000 description 2
- 150000002830 nitrogen compounds Chemical class 0.000 description 2
- 125000000843 phenylene group Chemical group C1(=C(C=CC=C1)*)* 0.000 description 2
- 239000000049 pigment Substances 0.000 description 2
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 2
- 230000000379 polymerizing effect Effects 0.000 description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 2
- 229920002717 polyvinylpyridine Polymers 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 2
- 238000010298 pulverizing process Methods 0.000 description 2
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 2
- 150000005846 sugar alcohols Polymers 0.000 description 2
- 125000001544 thienyl group Chemical group 0.000 description 2
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 2
- NWUYHJFMYQTDRP-UHFFFAOYSA-N 1,2-bis(ethenyl)benzene;1-ethenyl-2-ethylbenzene;styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1.CCC1=CC=CC=C1C=C.C=CC1=CC=CC=C1C=C NWUYHJFMYQTDRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004973 1-butenyl group Chemical group C(=CCC)* 0.000 description 1
- 125000006019 1-methyl-1-propenyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000006021 1-methyl-2-propenyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000006017 1-propenyl group Chemical group 0.000 description 1
- KMHSUNDEGHRBNV-UHFFFAOYSA-N 2,4-dichloropyrimidine-5-carbonitrile Chemical compound ClC1=NC=C(C#N)C(Cl)=N1 KMHSUNDEGHRBNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VZSRBBMJRBPUNF-UHFFFAOYSA-N 2-(2,3-dihydro-1H-inden-2-ylamino)-N-[3-oxo-3-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)propyl]pyrimidine-5-carboxamide Chemical compound C1C(CC2=CC=CC=C12)NC1=NC=C(C=N1)C(=O)NCCC(N1CC2=C(CC1)NN=N2)=O VZSRBBMJRBPUNF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004974 2-butenyl group Chemical group C(C=CC)* 0.000 description 1
- 125000006020 2-methyl-1-propenyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000006022 2-methyl-2-propenyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000004975 3-butenyl group Chemical group C(CC=C)* 0.000 description 1
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920003934 Aciplex® Polymers 0.000 description 1
- NLHHRLWOUZZQLW-UHFFFAOYSA-N Acrylonitrile Chemical compound C=CC#N NLHHRLWOUZZQLW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N Bromine atom Chemical compound [Br] WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000557626 Corvus corax Species 0.000 description 1
- 241000721047 Danaus plexippus Species 0.000 description 1
- 229920003935 Flemion® Polymers 0.000 description 1
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical group [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000005058 Isophorone diisocyanate Substances 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006244 Medium Thermal Substances 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 229910001260 Pt alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- TZHYBRCGYCPGBQ-UHFFFAOYSA-N [B].[N] Chemical compound [B].[N] TZHYBRCGYCPGBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DSVGQVZAZSZEEX-UHFFFAOYSA-N [C].[Pt] Chemical compound [C].[Pt] DSVGQVZAZSZEEX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 125000005073 adamantyl group Chemical group C12(CC3CC(CC(C1)C3)C2)* 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001491 aromatic compounds Chemical class 0.000 description 1
- WDEQGLDWZMIMJM-UHFFFAOYSA-N benzyl 4-hydroxy-2-(hydroxymethyl)pyrrolidine-1-carboxylate Chemical class OCC1CC(O)CN1C(=O)OCC1=CC=CC=C1 WDEQGLDWZMIMJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000001797 benzyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(C([H])=C1[H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 150000001639 boron compounds Chemical class 0.000 description 1
- GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N bromine Substances BrBr GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052794 bromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 description 1
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002322 conducting polymer Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 150000004696 coordination complex Chemical class 0.000 description 1
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 125000000392 cycloalkenyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000001995 cyclobutyl group Chemical group [H]C1([H])C([H])([H])C([H])(*)C1([H])[H] 0.000 description 1
- 125000000113 cyclohexyl group Chemical group [H]C1([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])(*)C([H])([H])C1([H])[H] 0.000 description 1
- 125000004210 cyclohexylmethyl group Chemical group [H]C([H])(*)C1([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C1([H])[H] 0.000 description 1
- 125000001511 cyclopentyl group Chemical group [H]C1([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])(*)C1([H])[H] 0.000 description 1
- 125000001559 cyclopropyl group Chemical group [H]C1([H])C([H])([H])C1([H])* 0.000 description 1
- 238000010908 decantation Methods 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 238000002296 dynamic light scattering Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 125000003700 epoxy group Chemical group 0.000 description 1
- PSLIMVZEAPALCD-UHFFFAOYSA-N ethanol;ethoxyethane Chemical compound CCO.CCOCC PSLIMVZEAPALCD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 125000002541 furyl group Chemical group 0.000 description 1
- 238000007429 general method Methods 0.000 description 1
- GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N hydron Chemical compound [H+] GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002484 inorganic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 1
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 1
- HDLAKZKIMOHJAH-UHFFFAOYSA-N iron(2+);pyridine Chemical compound [Fe+2].C1=CC=NC=C1 HDLAKZKIMOHJAH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000000959 isobutyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])(C([H])([H])[H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- IQPQWNKOIGAROB-UHFFFAOYSA-N isocyanate group Chemical group [N-]=C=O IQPQWNKOIGAROB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002513 isocyanates Chemical class 0.000 description 1
- 125000004491 isohexyl group Chemical group C(CCC(C)C)* 0.000 description 1
- 125000001972 isopentyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])(C([H])([H])[H])C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- NIMLQBUJDJZYEJ-UHFFFAOYSA-N isophorone diisocyanate Chemical compound CC1(C)CC(N=C=O)CC(C)(CN=C=O)C1 NIMLQBUJDJZYEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical compound [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- WSFSSNUMVMOOMR-NJFSPNSNSA-N methanone Chemical compound O=[14CH2] WSFSSNUMVMOOMR-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 1
- 125000002950 monocyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 125000004108 n-butyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- HNHVTXYLRVGMHD-UHFFFAOYSA-N n-butyl isocyanate Chemical compound CCCCN=C=O HNHVTXYLRVGMHD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000000740 n-pentyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- 125000004123 n-propyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- 239000002116 nanohorn Substances 0.000 description 1
- LKKPNUDVOYAOBB-UHFFFAOYSA-N naphthalocyanine Chemical class N1C(N=C2C3=CC4=CC=CC=C4C=C3C(N=C3C4=CC5=CC=CC=C5C=C4C(=N4)N3)=N2)=C(C=C2C(C=CC=C2)=C2)C2=C1N=C1C2=CC3=CC=CC=C3C=C2C4=N1 LKKPNUDVOYAOBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000001971 neopentyl group Chemical group [H]C([*])([H])C(C([H])([H])[H])(C([H])([H])[H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000002868 norbornyl group Chemical group C12(CCC(CC1)C2)* 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 1
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 239000009719 polyimide resin Substances 0.000 description 1
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 1
- 229920005672 polyolefin resin Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 125000004309 pyranyl group Chemical group O1C(C=CC=C1)* 0.000 description 1
- 125000004076 pyridyl group Chemical group 0.000 description 1
- 229920003987 resole Polymers 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 125000002914 sec-butyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])C([H])(*)C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 125000004079 stearyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 125000000999 tert-butyl group Chemical group [H]C([H])([H])C(*)(C([H])([H])[H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 125000001973 tert-pentyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])C(*)(C([H])([H])[H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 238000012719 thermal polymerization Methods 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011135 tin Substances 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000003944 tolyl group Chemical group 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N vanadium Chemical compound [V]#[V] GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000000391 vinyl group Chemical group [H]C([*])=C([H])[H] 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
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)
- Catalysts (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
Abstract
Description
第一の発明は、一般式(1)により示される樹脂と、非白金系炭素系触媒材料とを含んでなる燃料電池用触媒ペースト組成物に関する。
第二の発明は、前記樹脂が、ポリビニルアルコール樹脂(a)またはポリビニルアセタール樹脂(b)と、一般式(3)または一般式(4)により示される化合物とを反応させてなることを特徴とする前記燃料電池用触媒ペースト組成物に関する。
第三の発明は、前記樹脂が、ポリビニルアルコール樹脂(a)またはポリビニルアセタール樹脂(b)と、一般式(3)により示される化合物とを反応させてなることを特徴とする前記燃料電池用触媒ペースト組成物に関する。
第四の発明は、前記樹脂が、ポリビニルアセタール樹脂(b)と、一般式(3)により示される化合物とを反応させてなることを特徴とする前記燃料電池用触媒ペースト組成物に関する。
第五の発明は、前記燃料電池用触媒ペースト組成物と、プロトン伝導性ポリマーもしくは撥水性材料の少なくとも一方とを含んでなる燃料電池用触媒インキ組成物に関する。
第六の発明は、前記燃料電池用触媒インキ組成物から形成されてなる燃料電池用触媒層もしくは燃料電池用撥水層に関する。
第七の発明は、固体高分子電解質膜と、前記燃料電池用触媒層もしくは燃料電池用撥水層のうち少なくとも一方と、ガス拡散層とを具備してなる燃料電池用電極膜接合体に関する。
第八の発明は、前記燃料電池用電極膜接合体を具備してなる燃料電池に関する。
本発明のペースト組成物は、少なくとも非白金系炭素系触媒材料と、樹脂とを含有し、好ましくはさらに溶剤を含有するものである。非白金系炭素系触媒材料、樹脂、及び溶剤の割合は、特に限定されるものではなく、広い範囲内で適宜選択され得る。
非白金系炭素系触媒材料(以下、炭素系触媒材料ともいう)とは、炭素(C)原子の集合体を主体とした多成分系からなり、それらの構成単位間に物理的・化学的な相互作用(結合)を有し、異種元素、たとえば窒素(N)、ホウ素(B)、リン(P)などのヘテロ原子や遷移金属が含まれる触媒材料で、従来公知のものを使用することができる。
ヘテロ原子と遷移金属を含有することは、酸素還元活性を有するうえで重要な意味をなす。一般的に炭素系触媒材料の場合、その触媒活性点として、炭素材料表面に遷移金属を中心に、例えば、4個の窒素が平面上に並んだ構造(遷移金属−N4構造と呼ぶ)部分中の遷移金属や、炭素材料表面のエッジ部に導入されたヘテロ原子近傍の炭素原子などが挙げられ、本発明における炭素系触媒材料においても、ヘテロ原子と遷移金属元素の存在は重要である。
このような炭素系触媒材料は、従来公知の白金を担持させた炭素材料と同様に、酸素還元触媒能を有し、燃料電池用電極触媒として好適に使用することができる。炭素系触媒材料は、カソード、アノードの両方に使用することができるが、カソードとして通常用いられることが多い。
本発明における炭素系触媒材料の主構成成分である炭素材料としては、カーボンブラック(ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ミディアムサーマルカーボンブラック)、活性炭、黒鉛、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、グラフェンナノプレートレット、ナノポーラスカーボン、炭素繊維等が挙げられる。炭素材料は、種類やメーカーによって、粒子径、形状、BET比表面積、細孔容積、細孔径、嵩密度、DBP吸油量、表面酸塩基度、表面親水度、導電性など様々な物性やコストが異なるため、使用する用途や要求性能に合わせて最適な材料を選択する。
ケッチェンブラックEC−300J、及びEC−600JD等のアクゾ社製ケッチェンブラック;
トーカブラック#4300、#4400、#4500、及び#5500等の東海カーボン社製ファーネスブラック;
プリンテックスL等のデグサ社製ファーネスブラック;
Raven7000、5750、5250、5000ULTRAIII、5000ULT
RA、Conductex SC ULTRA、975 ULTRA、PUER BLACK100、115、及び205等のコロンビヤン社製ファーネスブラック;
#2350、#2400B、#2600B、#30050B、#3030B、#3230B、#3350B、#3400B、及び#5400B等の三菱化学社製ファーネスブラック;
MONARCH1400、1300、900、VulcanXC−72R、及びBlackPearls2000等のキャボット社製ファーネスブラック;
Ensaco250G、Ensaco260G、Ensaco350G、及びSuperP−Li等のTIMCAL社製ファーネスブラック;
デンカブラック、デンカブラックHS−100、FX−35等の電気化学工業社製アセチレンブラック;
VGCF、VGCF−H、VGCF−X等の昭和電工社製カーボンナノチューブ;
名城ナノカーボン社製カーボンナノチューブ;
xGnP−C−750、xGnP−M−5等のXGSciences社製グラフェンナノプレートレット;
Easy−N社製ナノポーラスカーボン;
カイノール炭素繊維、カイノール活性炭繊維などの群栄化学工業社製炭素繊維;
等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
本発明における炭素系触媒材料として、窒素やホウ素等のヘテロ原子や、遷移金属をドープする際に使用される原料としては、ヘテロ原子及び/又は遷移金属を含有する材料であれば使用可能であり、有機化合物(色素、ポリマーなど)、無機化合物(金属単体、金属酸化物、金属塩など)を問わないものである。遷移金属としては、コバルト、鉄、ニッケル、マンガン、銅、チタン、バナジウム、クロム、亜鉛、スズ、アルミニウム、マグネシウムから選ばれる一種以上を含有することが好ましい。
その中でも、窒素を含有した芳香族化合物であり、遷移金属を分子中に含有することができるフタロシアニン系化合物、ナフタロシアニン系化合物、ポルフィリン系化合物、テトラアザアヌレン系化合物等は、炭素系触媒材料中に効率的に窒素と遷移金属をドープしやすいため好ましい。また、上記芳香族化合物は、電子吸引性官能基や電子供与性官能基を導入されていても問題ない。特に、フタロシアニン系化合物は、様々な遷移金属を含んだ化合物が存在し、コスト的にも安価であるため、原料としては特に好ましいものであり、中でも、コバルトフタロシアニン系化合物、ニッケルフタロシアニン系化合物、鉄フタロシアニン系化合物は、高い酸素還元活性も有することで知られていることから、それらより合成した炭素系触媒材料は、安価で高い酸素還元活性を有する炭素系触媒材料となるためより好ましいものである。
窒素がドープされた炭素系触媒材料を製造するには、まず、窒素源としての、フタロシアニン、アクリロニトリル、EDTA(エチレンジアミン四酢酸)、メラミンなどの含窒素化合物と、フラン樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂の前駆体とを混合し、加熱反応させて、窒素化合物含有熱硬化性樹脂を得る。
ホウ素がドープされた炭素系触媒材料を製造するには、まず、ホウ素源としての、BF3メタノール錯体又はBF3テトラヒドロフラン(THF)錯体等の含ホウ素化合物と、フラン樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂の前駆体とを混合し、加熱反応させて、ホウ素化合物含有熱硬化性樹脂を得る。
窒素及びホウ素がドープされた炭素系触媒材料を製造するには、まず、含ホウ素化合物および含窒素化合物と、フラン樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂の前駆体とを混合した後、加熱反応させて、ホウ素−窒素化合物含有熱硬化性樹脂を得る。
窒素及びホウ素がドープされた炭素系触媒材料を製造する別の方法としては、次の亜臨界法がある。この方法では、まず、フルフリルアルコール又はレゾール型フェノール樹脂の溶液に、含窒素化合物と、ホウ素源としてのBF3メタノール錯体又はBF3テトラヒドロフラン(THF)錯体等の含ホウ素化合物とを溶解して、重合反応を行う。
本発明において使用する樹脂は、下記一般式(1)で示される。この樹脂は、主に炭素系触媒材料を溶媒中に良好に分散させる役割を担う。
一般式(1)におけるR1は、置換基を有していてもよいアルキル基、置換基を有していてもよいアルケニル基、または置換基を有していてもよいアリール基、置換基を有していてもよいヘテロアリール基、または一般式(2)で示される基であり、R2は、炭素数1〜3のアルキル基であり、
l=0.0〜99.8mol%
m=0.1〜99.9mol%
n=0.1〜30.5mol%
o=0.0〜75.5mol%
l+m+n+o=100mol%である。
一般式(2)
[R3は、置換基を有していてもよいアルキル基、置換基を有していてもよいアルケニル基、または置換基を有していてもよいアリール基、置換基を有していてもよいヘテロアリール基を表す。
R4は、置換または無置換の(α+1)価の連結基を表す。
αは、1〜3の整数を表す。]
一般式(2)のR3としては、置換基を有していてもよいアルキル基、もしくは置換基を有していてもよいアリール基が好ましく、置換基を有していてもよいアルキル基がより好ましく、無置換のアルキル基が特に好ましい。
一般式(2)のR3の置換基を有していてもよいアルキル基としては、炭素数1〜18のアルキル基が好ましく、
一般式(2)のR3の置換基を有していてもよいアルケニル基としては、2−メタクリロイルオキシエチル基、2−アクリロイルオキシエチル基が好ましく、
一般式(2)のR3の置換基を有していてもよいアリール基としては、フェニル基、トシル基が好ましく、フェニル基がより好ましく、
一般式(2)のR3のヘテロアリール基としては、グリシル基またはテトラヒドロフルフリル基が好ましく、テトラヒドロフルフリル基がより好ましい。
α=1の場合、R4としては、置換基を有していてもよい2価の連結基となり、具体的には、置換基を有していてもよいアルキレン基、置換基を有していてもよいフェニレン基、または下記の(5−1)〜(5−16)に示す基などが挙げられる。
炭素数1〜3のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基などがあげられる。
本発明の変性樹脂は公知の方法で得ることができ、
ポリビニルアルコール樹脂(a)を、一般式(3)または一般式(4)で示されるイソシアネート化合物と反応させてなる、変性ポリビニルアルコール樹脂(A)、または、
ポリビニルアセタール樹脂(b)を、一般式(3)または一般式(4)で示されるイソシアネート化合物と反応させてなる、変性ポリビニルアセタール樹脂(B)が挙げられ、好適に用いることができる。
以下、変性ポリビニルアルコール樹脂(A)、変性ポリビニルアセタール樹脂(B)について説明する。
変性ポリビニルアルコール樹脂(A)は、ポリビニルアルコール樹脂(a)を、一般式(3)または一般式(4)で示されるイソシアネート化合物と反応させて得ることができる。
[ポリビニルアルコール樹脂(a)]
本発明に用いるポリビニルアルコール樹脂(a)の製法については特に制限はなく、公知の方法で合成された各種ポリビニルアルコール樹脂および市販のポリビニルアルコール樹脂を使用することができる。代表的な合成方法としては、酢酸ビニルのようなビニルアルコール前駆体を重合させて得たポリマーをアルカリでケン化してポリビニルアルコールを製造する方法を挙げることができる。
一般式(7)におけるpは、69.5〜99.9mol%であり、qは0.1〜30.5mol%であり、p+q=100.0mol%である。
また、ポリビニルアルコール樹脂(a)の平均分子量は1,000〜800,000が好ましく、8,000〜110,000がより好ましい。
一般式(1)における、lは、0.0〜99.8mol%であり、mは0.1〜99.9mol%であり、nは、0.1〜30.5mol%であり、oは0.0mol%である。ただし、l+m+n+o=100.0mol%である。
lは7.0〜97.9mol%であり、mは1.4〜89.9mol%であることがより好ましく、lは20.9〜97.9mol%であり、mは1.4〜69.9mol%であることが特に好ましい。
変性ポリビニルアセタール樹脂(B)は、ポリビニルアセタール樹脂(b)を、一般式(3)または一般式(4)で示されるイソシアネート化合物と反応させて得ることができる。
本発明に用いるポリビニルアセタール樹脂(b)の製法については特に制限はなく、公知の方法で合成された各種ポリビニルアセタール樹脂および市販のポリビニルアセタール樹脂を使用することができる。代表的な合成方法としては、酢酸ビニルのようなビニルアルコール前駆体を重合させて得たポリマーをアルカリでケン化して、ビニルアルコール構造に変え、これにアルデヒド類を反応させてアセタール化する方法を挙げることができる。このとき作用させるアルデヒドの種類は、単独もしくは複数の種類を反応させることができる。
一般式(8)におけるsは2.9〜3.9mol%であり、R2は炭素数1〜3のアルキル基であり、rは20.6〜38.5mol%であり、tは58.7〜75.5mol%であり、r+s+t=100.0mol%である。一般式(8)におけるrは、29.4〜38.5mol%であり、tは58.7〜66.7mol%であることがより好ましい。
一般式(8)におけるR2は、一般式(1)におけるR2と同義である。
次いで、一般式(3)で示されるイソシアネート化合物について説明する。
[R1は、置換基を有していてもよいアルキル基、置換基を有していてもよいアルケニル基、置換基を有していてもよいアリール基、または置換基を有していてもよいヘテロアリール基を表す。]
一般式(3)のR1が置換基を有する場合は、置換する事が出来る基としては、一般式(1)中のR1の置換することが出来る基と同義である。
一般式(4)
[R3は、置換基を有していてもよいアルキル基、置換基を有していてもよいアルケニル基、置換基を有していてもよいアリール基、または置換基を有していてもよいヘテロアリール基を表す。
R4は、置換または無置換の(α+1)価の連結基を表す。
αは1〜3の整数を表す。]
一般式(2)中のR3の置換基を有していてもよいアルキル基、置換基を有していてもよいアルケニル基、置換基を有していてもよいアリール基、または置換基を有していてもよいヘテロアリール基と同義であり、
一般式(4)のR3が置換基を有する場合は、置換する事が出来る基としては、一般式(1)中のR1の置換することが出来る基と同義であり、
一般式(4)のR4の置換基を有していてもよい(α+1)価の連結基は、一般式(2)中のR4の置換基を有していてもよい(α+1)価の連結基と同義であり、
一般式(4)のR4が置換基を有する場合は、置換する事が出来る基としては、一般式(1)中のR1の置換することが出来る基と同義であり、
一般式(4)のR4のαは、一般式(2)中のR4のαと同義である。
多官能イソシアネートを変性せず、そのまま用いると、余剰のイソシアネート基により、組成物の経時での分散安定性をそこなうため好ましくない。
一般式(1)中で、lは、0.0〜99.8mol%であり、mは0.1〜99.9mol%であり、nは、2.9〜5.0mol%であり、oは0.0mol%である。ただし、l+m+n+o=100.0mol%である。
一般式(1)中のlは0.0〜38.3mol%であり、mは0.1〜38.5mol%であり、oは58.7〜75.5mol%であることが好ましく、lは、2.1〜37.7mol%であり、mは0.4〜34.6mol%、oは58.7〜75.5mol%であることがより好ましく、lは、8.8〜30.8mol%であり、mは5.9〜26.9mol%であり、oは58.7〜66.7mol%であることが特に好ましい。
溶剤としては、水または水と親和性が高い溶剤であれば特に限定されない。特に、アルコールが好適に使用できる。このようなアルコールとしては、例えば、沸点80〜200℃程度の1価のアルコールないし多価アルコールが利用でき、好ましくは炭素数が4以下のアルコール系溶剤が挙げられる。具体的には、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、t−ブタノール等が挙げられる。アルコールは、1種単独で又は2種以上混合して使用される。これらの1価のアルコールの中でも、2−プロパノール、1−ブタノール及びt−ブタノールが好ましい。多価アルコールとしては具体的には、水素イオン伝導性ポリマーとの相溶性及び触媒インキ組成物とした場合の乾燥効率の問題から、例えば、プロピレングリコール、エチレングリコール等が好ましく、中でもプロピレングリコールが特に好ましい。
本発明の触媒インキ組成物中に含まれる炭素系触媒材料、樹脂およびプロトン伝導性ポリマーもしくは撥水性材料の割合は、限定されるものではなく、広い範囲内で適宜選択され得る。
プロトン伝導性ポリマーは従来公知のものを使用することができる。プロトン伝導性ポリマーとしては、パーフルオロスルホン酸系等のフッ素系イオン交換樹脂、スルホン酸基などの強酸性官能基を導入したオレフィン系樹脂、ポリイミド系樹脂等が挙げられる。例えば電気陰性度の高いフッ素原子を導入する事で化学的に非常に安定し、スルホン酸基の乖離度が高く、高いイオン導電性が実現できる。このようなプロトン伝導性ポリマーの具体例としては、デュポン社製の「Nafion」等が挙げられる。通常、プロトン伝導性ポリマーは、ポリマーを5〜30重量%程度含むアルコール水溶液として使用される。アルコールとしては、例えば、メタノール、プロパノール、エタノールジエチルエーテル等が使用される。
撥水性材料としては、カソード側の触媒層において酸素と水素イオンが反応して生じる水、この余剰水の排水性がよく、ガス拡散性を妨げないものであればよい。撥水性材料の表面張力としては水の表面張力(約72dyn/cm)より低いものが良く、例えば、フッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレンが使用できるが、中でもフッ素系樹脂が好ましい。フッ素系樹脂としてはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、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)などが挙げられる。
燃料電池用触媒層は、前記触媒インキ組成物を電極基材(カーボンペーパなど)に直接塗布及び乾燥することにより形成されてもよく、また触媒インキ組成物をテフロン(登録商標)シート等の剥離可能な転写基材に塗布乾燥後、固体高分子電解質膜に転写することにより形成されてもよい。
固体高分子電解質膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂等が挙げられる。電気陰性度の高いフッ素原子を導入する事で化学的に非常に安定し、スルホン酸基の乖離度が高く、高いイオン導電性が実現できる。具体例としてはデュポン社製の「Nafion」、旭硝子(株)製の「Flemion」、旭化成(株)製の「Aciplex」、ゴア(Gore)社製の「Gore Select」等が挙げられる。電解質膜の膜厚は、通常20μm〜250μm程度、好ましくは10μm〜80μm程度である。
電極基材は、公知であり、アノード又はカソードを構成する各種の電極基材を使用できる。電極基材はガス拡散層あるいはGDLとも呼ばれ、カソード側では空気中の酸素を取り入れ、アノード側では水素を取り込めるように気体が通過および拡散できるような多孔質または繊維状のものであることが好ましい。更に電子の出し入れが必要なため導電性を有する材料を用いらなければならない。電極基材は導電性を有する材料であれば良いが、好ましくは炭素繊維からなるカーボンペーパなどがよい。具体例としては東レ(株)社製の「TGP−H−090」等が挙げられる。
転写基材は触媒インキ組成物を塗布することで燃料電池用触媒層を形成し、転写基材上にある触媒層をナフィオンなどの固体高分子電解質膜に転写するためのフィルム基材である。転写基材としては、安価で入手が容易な高分子フィルムが好ましく、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート等がより好ましい。具体例としてはテフロン(登録商標)シート等が挙げられる。転写基材の厚さは、取り扱い性及び経済性の観点から、通常6μm〜100μm程度、好ましくは10μm〜50μm程度、より好ましくは15μm〜30μm程度とするのがよい。
本発明の燃料電池は、従来の燃料電池と比べ、燃料電池用触媒ペースト組成物や燃料電池用触媒インキ組成物の分散性に優れるため炭素系触媒材料が酸素ガスなどの気体と好適に接触できることで酸素還元電位や酸素還元電流密度(単に電流密度ということがある)が向上し、塗工ムラやピンホールが少ないため耐久性にも優れるという利点がある。
(イソシアネート化合物 NCO(7)の合成)
ガス導入管、温度計、コンデンサー、攪拌機を備えた反応容器に、N−メチル−2−ピロリドン200.0部、イソホロンジイソシアネート100.0部(1等量)、及びメタノール14.42部(1等量)を仕込み、窒素ガスで置換した。反応容器内を80℃に加熱して、U−810(日東化成製)0.01部を添加した。反応容器内を100℃に加熱して、3時間反応を続けた。その後、NCO価の測定を行い、反応率が95%であることを確認した。その後、N−メチル−2−ピロリドンを加え固形分が30%となるように希釈した。その後、冷却し、イソシアネート化合物 NCO(7)溶液を得た。
表1に示す配合組成で、イソシアネート化合物 NCO(7)の合成と同様の方法で合成し、イソシアネート化合物 NCO(8)〜NCO(11)溶液を得た。
(樹脂(A−1)の合成(合成例1))
ガス導入管、温度計、コンデンサー、攪拌機を備えた反応容器に、N−メチル−2−ピロリドン 200.0部、及びPVA−102 50.0部を仕込み、窒素ガスで置換した。反応容器内を60℃に加熱して、ブチルイソシアネート1.11部を添加した。反応容器内を90℃に加熱して、ネオスタンU−810(日東化成製)0.01部を添加した。添加終了後、反応容器内を110℃に加熱して、2時間反応を続けた。その後、NCO価の測定を行い、反応率が95%以上であることを確認した。その後、N−メチル−2−ピロリドンを加え希釈し、N.V.=20%にした。その後、冷却し、変性ポリビニルアルコール樹脂(A−1)を含む樹脂溶液(A’−1)を得た。
ポリビニルアルコール樹脂(a)、ポリビニルアセタール樹脂(b)、イソシアネート化合物を表2に記載の種類と配合量に変更した以外は、合成例1と同様の方法で合成し、変性ポリビニルアルコール樹脂(A−2)〜(A−12)を含む樹脂溶液(A’−2)〜(A’−12)、変性ポリビニルアセタール樹脂(B−1)〜(B−13)を含む樹脂溶液(B’−1)〜(B’−13)、およびその他樹脂(C−1)〜(C−3)を含む樹脂溶液(C’−1)〜(C’−3)を得た。その他樹脂(C−1)〜(C−3)では、イソシアネート化合物として、多官能イソシアネート化合物を予めアルコールと反応させずに使用した。
<ポリビニルアルコール樹脂(a)>
・PVA−102:クラレポバールPVA−102(クラレ製):ケン化度:98.0―99.0%、重合度:200。
・PVA−103:クラレポバールPVA−103(クラレ製):ケン化度:98.0―99.0%、重合度:300。
・PVA−110:クラレポバールPVA−110(クラレ製):ケン化度:98.0―99.0%、重合度:1000。
・PVA−205:クラレポバールPVA−205(クラレ製):ケン化度:86.5―89.0%、重合度:500。
・PVA−405:クラレポバールPVA−405(クラレ製):ケン化度:78.5−81.5%、重合度:500。
・K−17C:デンカポバールK−17C(電気化学工業製):ケン化度:98.7―99.7%、重合度:1700。
・B−05:デンカポバールB−05(電気化学工業製):ケン化度:86.5%―89.5%、重合度:500。
・B−24:デンカポバールB−24(電気化学工業製):ケン化度:86.0%―89.0%、重合度:2400。
・PVA−HC:クラレポバールPVA−HC(クラレ製):ケン化度:99.85%以上。
・PVA−L8:クラレポバールPVA−L8(クラレ製):ケン化度:69.5%−72.5%。
・BL−1:エスレックBL−1(積水化学工業社製):ポリビニルブチラール樹脂、水酸基を含む繰り返し単位:25%、計算分子量:19,000。
・BL−S:エスレックBL−S(積水化学工業社製):ポリビニルブチラール樹脂、水酸基を含む繰り返し単位:15%、計算分子量:23,000。
・BM−1:エスレックBM−1(積水化学工業社製):ポリビニルブチラール樹脂、水酸基を含む繰り返し単位:24%、計算分子量:40,000。
・BM−S:エスレックBM−S(積水化学工業社製):ポリビニルブチラール樹脂、水酸基を含む繰り返し単位:22%、計算分子量:53,000。
・BH−3:エスレックBH−3(積水化学工業社製):ポリビニルブチラール樹脂、水酸基を含む繰り返し単位:24%、計算分子量:110,000。
・BH−6:エスレックBH−6(積水化学工業社製):ポリビニルブチラール樹脂、水酸基を含む繰り返し単位:30%、計算分子量:92,000。
・BH−S:エスレックBH−S(積水化学工業社製):ポリビニルブチラール樹脂、水酸基を含む繰り返し単位:14%、計算分子量:66,000。
・BX−L:エスレックBX−L(積水化学工業社製):ポリビニルアセタール樹脂、水酸基を含む繰り返し単位:37±3%、計算分子量:20,000。
・BL−5:エスレックBL−5(積水化学工業社製):ポリビニルブチラール樹脂、水酸基を含む繰り返し単位:21%、計算分子量:32,000。
ポリビニルピリジン(アルドリッチ製:Mw:6万)を出発原料としてポリビニルピリジン鉄(II)錯体10gを得、これとケッチェンブラックEC300(ライオン社製)10gを、乳鉢により、乾式混合20分行い、その後、電気炉にて窒素雰囲気下(0.5L/min)、800℃1時間(昇温1.5時間)で焼成した。焼成物を、乳鉢によって、乾式粉砕し、150メッシュのふるいで分級した。更に金属除去のため、37%塩酸中で、撹拌とデカンテーションを3回繰り返し、最後に電気炉に窒素雰囲気下(0.5L/min)、700℃、1時間(昇温2時間)で熱処理し、乾式粉砕し150メッシュで分級して炭素系触媒材料X1を得た。
含窒素化合物である無金属フタロシアニン13.1gをフラン樹脂の前駆体であるフルフリルアルコール10gに混合し、1M−塩酸を10g添加し、この混合物をオーブン中80℃で加熱することによりフタロシアニン含有フラン樹脂を得た。これを、さらに、窒素雰囲気下、オーブン中で室温から10℃/分の速度で昇温し、1000℃で1時間保持することにより熱処理した。これによりフタロシアニン含有フラン樹脂の炭素化物を得た。この炭素化物を遊星型ボールミル(レッチェ社製、PM100)で粉砕して、窒素原子が13.4モル%ドープされた平均粒径0.1μmの炭素系触媒材料X2を得た。
鉄フタロシアニン(山陽色素社製)とケッチェンブラック(ライオン社製EC−300J)を、重量比1:1で秤量し、乳鉢にて乾式混合を行い前駆体とした。
上記前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、700℃で2時間熱処理を行い、炭素系触媒材料X3を得た。
コバルトフタロシアニン(東京化成工業社製)とケッチェンブラック(ライオン社製EC−600JD)を、重量比0.5:1で秤量し、乳鉢にて乾式混合を行い前駆体とした。
上記前駆体粉末を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、800℃で2時間熱処理を行い、炭素系触媒材料X4を得た。
[実施例1−a]
炭素系触媒材料X1を9重量部、溶剤としてプロパノール(キシダ化学社製)58.75重量部、表2に示した樹脂溶液(A’−1)2.25重量部(炭素系触媒材料を100重量部に対して樹脂固形分で5重量部)を配合し、ディスパー(プライミクス社製、T.Kホモディスパー)にて攪拌混合することで本発明の触媒ペースト組成物1(固形分濃度12.9重量%)を調製した。
炭素系触媒材料、溶剤、および樹脂溶液の種類と組成を、表4に変更した以外は、実施例1−aと同様にして触媒ペースト組成物を調製した。
炭素系触媒材料、溶剤の種類と組成を、表4示すように変更した以外は、実施例1−aと同様にして、触媒ペースト組成物を調製した。
触媒ペースト組成物は、粘度と分散粒径によって分散性を評価した。
粘度は、E型粘度計(東機産業社製、「RE80型粘度計」)を使用し、50rpmの回転速度で、温度25℃において測定した。
粒径は、動的光散乱方式の粒度分布計(日機装社製「マイクロトラックUPA」)を用いて体積粒度分布を測定し、粒径の細かいものからその粒子の体積割合を積算していったときに50%となるところの平均粒径(D50)とした。
表4に触媒ペースト組成物の分散性評価の結果を示す。粘度が低く、粒径が小さいものほど、分散性が優れていることを示す。
実施例1−aで得た触媒ペースト組成物に、プロトン伝導性ポリマーとして20重量%ナフィオン(Nafion(R))分散溶液(デュポン社製、CStypeDE2020)30重量部を添加し、ディスパー(プライミクス社製、T.Kホモディスパー)にて攪拌混合することで触媒インキ組成物(固形分濃度15重量%、触媒インキ組成物100重量%としたときの炭素系触媒材料とプロトン伝導性ポリマーの合計した割合)を調製した。
実施例1−aで得た触媒ペースト組成物を、それぞれ、実施例2−a〜実施例36−a、比較例1−a〜比較例9−aで得た触媒ペースト組成物に変更した以外は、実施例1−bと同様にして、それぞれ、触媒インキ組成物を調整した。
触媒インキ組成物は、下記に示す保存安定性評価、分散性評価によって評価した。
触媒インキ組成物の保存安定性は、調製直後の粘度(初期粘度)と、50℃、10日保存後の粘度(経時粘度)をそれぞれ測定し、それらの粘度変化率(経時粘度/初期粘度)によって評価した。粘度は、いずれもE型粘度計(東機産業社製、「RE80型粘度計」)を使用し、50rpmの回転速度で、温度25℃において測定した。
分散性は、グラインドゲージによる判定(JIS K5600−2−5に準ず)よって触媒インキ組成物の粒度を求め、30μm以上の凝集物が無い場合、分散性が良好であると評価した。本発明の触媒インキ組成物はいずれも10〜20μmであり、分散性は良好であったのに対して、比較例1−b〜9−bで得た触媒インキ組成物は、いずれも30μm以上の凝集物が確認され、分散性が劣っていることを確認した。
[実施例1−c 燃料電池用触媒層I の作製]
実施例1−bで得た触媒インキ組成物を、ドクターブレードにより、乾燥後の炭素系触媒材料の目付け量が2mg/cm2になるようにテフロン(登録商標)フィルム上に塗布し、大気雰囲気下、95℃で60分間乾燥することにより、本発明のカソード用燃料電池用触媒層I を作製した。
実施例1−bで得た触媒インキ組成物を、それぞれ実施例2−b〜実施例36−b、比較例1−b〜比較例9−bで得た触媒インキ組成物に変更した以外は、実施例1−cと同様にして、それぞれ、カソード用燃料電池用触媒層I を作製した。
燃料電池用触媒層I は、下記に示す塗工性評価を実施した。テフロン(登録商標)フィルム上に形成された燃料電池用触媒層I を、ビデオマイクロスコープVHX−900(キーエンス社製)にて500倍で観察し、塗工ムラ(ムラ:触媒層の濃淡により評価)およびピンホール(触媒層が塗布されていない欠陥の有無により評価)について、下記の基準で判定した。結果を表6に示す。
(ムラ)
○:触媒層の濃淡が確認されない(良好)。
△:触媒層の濃淡が2〜3箇所あるが極めて微小領域である(実用上問題ない)。
×:触媒層の濃淡が多数確認される、または濃淡の縞の長さが5mm以上のもの1個以上(不良)。
(ピンホ−ル)
○:ピンホールが1つも確認されない(良好)。
△:ピンホールが2〜3個あるが極めて微小である(不良)。
×:ピンホールが多数確認される、または直径1mm以上のピンホールが1個以上(極めて不良)。
ここでは、燃料電池用電極膜接合体の作製に使用するアノード用燃料電池用触媒層の作成方法について以下に述べる。
炭素系触媒材料の代わりに、白金触媒担持カーボン4重量部(田中貴金属社製、白金量46%、TEC10E50E)、溶剤としてプロパノール(キシダ化学社製)56重量部、および水20重量部をディスパー(プライミクス社製、T.Kホモディスパー)にて攪拌混合することで触媒ペースト組成物(固形分濃度4重量%)を調製した。次いで、プロトン伝導性ポリマーとして20重量%ナフィオン(Nafion(R))分散溶液(デュポン社製、CStypeDE2020)20重量部を添加し、ディスパー(プライミクス製、T.Kホモディスパー)にて攪拌混合することで触媒インキ組成物(固形分濃度8重量%、触媒インキ組成物100重量%としたときの炭素系触媒材料とプロトン伝導性ポリマーの合計した割合)触媒インキ組成物を作製した。得られた触媒インキ組成物を白金触媒担持カーボンの目付け量が0.46mg/cm2になるようにテフロン(登録商標)フィルム上に塗布し、大気雰囲気中80℃の条件で60分間乾燥することにより、アノード用燃料電池用触媒層を作製した。
実施例1−cで作製したカソード用燃料電池用触媒層I と、アノード用燃料電池用触媒層とを、それぞれ固体高分子電解質膜(Nafion212、デュポン社製、膜厚51μm)の両面に密着して、150℃、5Mpaの条件で狭持した後、テフロン(登録商標)フィルムを剥離した。次いで、更に両側から電極基材(ガス拡散層GDL、炭素繊維からなるカーボンペーパ、TGP―H―090、東レ(株)製)を密着させ、本発明の燃料電池用電極膜接合体α(GDL/触媒層/固体高分子電解質膜/触媒層/GDL)を作製した。
実施例1−cで作製した燃料電池用触媒層I の代わりに、それぞれ実施例2−c〜実施例36−c、比較例1−c比較例9−c作製した燃料電池用触媒層I に変更した以外は、実施例1−dと同様にして、燃料電池用電極膜接合体αを作製した。
実施例1−dで得られた燃料電池用電極膜接合体αを5cm角の試料とし、その両側からガスケット2枚、次いでグラファイトプレートであるセパレータ2枚ではさみ、更に両側から集電板を2枚装着して燃料電池(単セル)として作製した。測定はAuto PEMシリース゛「PEFC評価システム」(東陽テクニカ社製)で実施した。カソード(空気極)側から加湿した酸素ガスを供給し、アノード(燃料極)側から加湿した水素ガスを供給して電池特性を測定した。
実施例1−eで使用した実施例1−dの燃料電池用電極膜接合体αの代わりに、それぞれ実施例2−d〜実施例36−d、比較例1−d〜比較例9−dで得た燃料電池用電極膜接合体αに変更した以外は、実施例1−eと同様にして燃料電池の単セルをそれぞれ作製した。
実施例1−e〜実施例36−e及び比較例1−e〜比較例9−eで作製した単セルの電流−電圧特性を測定することにより、電池性能を評価した。この結果を以下に示す。実施例1−eで作製した単セルでは、開放電圧は0.85V、短絡電流密度1200mA/cm2であり、実施例2−e〜36−eで作製した単セルでも、開放電圧は0.8V〜0.85V、短絡電流密度800〜1400mA/cm2であった。これに対し、比較例1−e〜比較例9−eで作成した単セルは、開放電圧0.7V〜0.77V、短絡電流密度400mA/cm2〜600mA/cm2であった。
以下では、ガス拡散層に本発明の触媒インキ組成物を直接塗工して燃料電池用触媒層を作成する方法について例示する。
実施例1−aにおいて、プロパノールを45重量部に変更した以外は、実施例1−aと同様にして固形分濃度12重量%の触媒ペースト組成物を得た。
実施例2−a〜実施例36−aにおいて、プロパノールもしくは水を45重量部に変更した以外は、実施例2−a〜実施例36−aと同様にして、それぞれ、固形分濃度12重量%の触媒ペースト組成物を得た。
比較例1−a〜比較例9−aにおいて、プロパノールを45重量部に変更した以外は、実施例1−IIaと同様にして、固形分濃度20重量%の触媒ペースト組成物を得ようとしたが、沈殿が生じてしまい、触媒ペースト組成物を得ることはできなかった。固形分濃度を高くしようとした結果、炭素系触媒材料の凝集が起こって沈降が生じてしまったものと思われる。
実施例1−IIaで調製した触媒ペースト組成物に、更にプロトン伝導性ポリマーとして20重量%ナフィオン(Nafion(R))分散溶液(デュポン社製、CStypeDE2020)12重量部を添加し、ディスパー(プライミクス製、T.Kホモディスパー)にて攪拌混合することで触媒インキ組成物(固形分濃度20重量%、触媒インキ組成物100重量%としたときの炭素系触媒材料とプロトン伝導性ポリマーの合計した割合)を調製した。粘度は96mPa・sであった。また、10日経過後の粘度は110mPa・sであった。
実施例1−IIaで得た触媒ペースト組成物を、それぞれ、実施例2−IIa〜実施例36−IIaで得た触媒ペースト組成物に変更した以外は、実施例1−IIbと同様にして、それぞれ、触媒インキ組成物を調製した。粘度は、いずれも80〜120mPa・sであった。また、10日経過後の粘度も大きな変化が見られず、粘度変化率は130%以下と保温安定性は良好であった。
実施例1−IIbで得た触媒インキ組成物を、ドクターブレードにより、乾燥後の炭素系触媒材料の目付け量が2mg/cm2になるように電極基材(ガス拡散層GDL、炭素繊維からなるカーボンペーパ、TGP−H−090、東レ(株)社製)上に塗布し、大気雰囲気中95℃、60分間乾燥して、本発明のカソード用燃料電池用触媒層IIを作製した。塗工ムラなく、またカーボンペーパからの液だれもなく良好な燃料電池用触媒層IIを形成できた。
実施例1−IIbで得た触媒インキ組成物を、それぞれ実施例2−IIb〜実施例36−IIbで得た触媒インキ組成物に変更した以外は、実施例1−IIcと同様にして、それぞれ、カソード用燃料電池用触媒層IIを作成した。
実施例1−IIc作製したカソード用燃料電池用触媒層II(カーボンペーパに触媒インキ組成物が固着)とアノード用燃料電池用触媒層を用いて、固体高分子電解質膜(Nafion212、デュポン社製、膜厚51μm)と接触するようにして150℃、5Mpaの条件で狭持した後、アノード側のテフロン(登録商標)フィルムを剥離し、更にアノード側は電極基材(ガス拡散層GDL、炭素繊維からなるカーボンペーパ、TGP−H−090、東レ(株)社製)を密着し、本発明の燃料電池用電極膜接合体β(GDL/触媒層/固体高分子電解質膜/触媒層/GDL)を作製した。
実施例1−IIcの燃料電池用触媒層IIの代わりに、それぞれ実施例2−IIc〜実施例36−IIcで得た燃料電池用触媒層IIに変更した以外は、実施例1−IIdと同様にして、燃料電池用電極膜接合体βを作製した。
実施例1−eと同様にして作製し、同様の方法にて電池特性を測定した。
実施例1−IIeで使用した実施例1−IIdの燃料電池用電極膜接合体βの代わりに、それぞれ実施例2−IId〜実施例36−IIdで得た燃料電池用電極膜接合体βに変更した以外は、実施例1−IIeと同様にして燃料電池を作製した。
実施例1−IIe〜実施例36−IIeで作製した単セルについて、それぞれ電流−電圧特性を測定することにより、電池性能を評価した。この結果を以下に示す。実施例1−IIeで作製した単セルでは、開放電圧は0.87V、短絡電流密度1300mA/cm2であり、実施例2−IIe〜実施例36−IIeで作製した単セルでも、開放電圧は0.8V〜0.88V、短絡電流密度900〜1500mA/cm2であった。
実施例1−1で得た触媒ペースト組成物に、20重量%PTFE分散溶液(PTFE 30−J;三井・デュポンフロロケミカル社製、60%ポリテトラフルオロエチレン水系分散体をイオン交換水にて希釈して使用)20重量部を添加し、ディスパー(プライミクス社製、T.Kホモディスパー)にて攪拌混合することで撥水性材料を含む触媒インキ組成物(固形分濃度12重量%、触媒インキ組成物100重量%としたときの炭素系触媒材料と撥水性材料の合計した割合)を調製した。粘度は28mPa・sであった。また、10日経過後の粘度は29mPa・sであった。
20重量%ナフィオン分散溶液を20重量%PTFE分散溶液に変更した以外は、実施例2−b〜実施例36−bと同様にして、それぞれ、固形分濃度12重量%の撥水性材料を含む触媒インキ組成物を調製した。粘度はいずれも20〜35mPa・sであった。また、10日経過後の粘度も大きな変化が見られず、粘度変化率は130%以下と保存安定性は良好であった。
比較例1−a〜比較例9−aにおいて、20重量%ナフィオン分散溶液を20重量%PTFE分散溶液に変更した以外は、実施例1−IIIbと同様にして、撥水性材料を含む触媒インキ組成物を調製した。粘度は、いずれも30〜60mPa・sであり、実施例1−IIIb〜9−IIIbのものよりもやや高かった。また、10日経過後の粘度には大きな変化が見られ、粘度変化率は180%以上で、一部沈降もみられた。
実施例1−IIIbで調製した撥水性材料を含む触媒インキ組成物を、ドクターブレードにより、乾燥後の炭素系触媒材料の目付け量が1mg/cm2になるように電極基材(ガス拡散層GDL、炭素繊維からなるカーボンペーパ、TGP−H−090、東レ(株)社製)上に塗布し、大気雰囲気中300℃、60分間焼成して、本発明のカソード用燃料電池用撥水層を作製した。塗工ムラなく良好なカソード用燃料電池用撥水層を形成できた。
実施例1−IIIbで調製した撥水性材料を含む触媒インキ組成物を、それぞれ実施例2−IIIb〜実施例36−IIIbで得た撥水性触媒インキ組成物に変更した以外は、実施例1−IIIcと同様にして、それぞれ、カソード用燃料電池用撥水層を作製した。
実施例1−IIIbで調製した撥水性材料を含む触媒インキ組成物を、それぞれ比較例1−IIIb〜比較例9−IIIbで調製した撥水性材料を含む触媒インキ組成物に変更した以外は、実施例1−IIIcと同様にして、カソード用燃料電池用撥水層を作製した。得られたカソード用燃料電池用撥水層は塗工ムラやヒビワレが多く見られた。
実施例1−3で作製したカソード用燃料電池用触媒層I と、アノード用燃料電池用触媒層とを、それぞれ固体高分子電解質膜(Nafion212、デュポン社製、膜厚51μm)の両面に密着して、150℃、5Mpaの条件で狭持した後、テフロン(登録商標)フィルムを剥離した。次いで、アノード側には電極基材(ガス拡散層GDL、炭素繊維からなるカーボンペーパ、TGP−H−090、東レ(株)社製)を密着させ、カソード側には実施例1−IIIcで作製したカソード用燃料電池用撥水層を密着させることで、本発明の燃料電池用電極膜接合体γ(GDL/触媒層/固体高分子電解質膜/触媒層/撥水層/GDL)を作製した。
実施例1−3で作製した燃料電池用触媒層I の代わりに、それぞれ実施例2−3〜実施例36−3で作製した燃料電池用触媒層I に変更し、また、カソード側には、実施例1−IIIcで作製したカソード用燃料電池用撥水層の代わりに、それぞれ実施例2−IIIc〜実施例36−IIIcで得たカソード用燃料電池用撥水層を密着させた以外は、実施例1−IIIdと同様にして、燃料電池用電極膜接合体γを作製した。
実施例1−3で作製した燃料電池用触媒層I の代わりに、それぞれ比較例1−IIIc〜比較例9−IIIcで作製した燃料電池用触媒層Iに変更し、また、カソード側には、実施例1−IIIcで作製したカソード用燃料電池用撥水層の代わりに、それぞれ比較例1−IIIc〜比較例9−IIIcで作製した燃料電池用撥水層を密着させた以外は、実施例1−IIIdと同様にして、燃料電池用電極膜接合体γを作製した。
実施例1−eと同様にして作製し、同様の方法にて電池特性を測定した。
実施例1−IIIeで使用した実施例1−IIIdの燃料電池用電極膜接合体γの代わりに、それぞれ実施例2−IIId〜実施例36−IIId、比較例1−IIId〜比較例9−IIIdで作製した燃料電池用電極膜接合体γに変更した以外は、実施例1−IIIeと同様にして燃料電池の単セルをそれぞれ作製した。
実施例1−IIIe〜実施例36−IIIe及び比較例1−IIIe〜比較例9−IIIeで作製した単セルの電流−電圧特性を測定することにより、電池性能を評価した。この結果を以下に示す。実施例1−IIIeで作製した単セルでは、開放電圧は0.88V、短絡電流1400mA/cm2であり、実施例2−IIIe〜実施例36−IIIeで作製した単セルでも、開放電圧は0.81V〜0.89V、短絡電流800〜1600mA/cm2であった。これに対し、比較例1−IIIe〜比較例9−IIIeで作製した単セルは、開放電圧0.7〜0.77V、短絡電流300mA/cm2〜600mA/cm2といずれも低性能であった。
Claims (8)
- 一般式(1)により示される樹脂と、非白金系炭素系触媒材料とを含んでなる燃料電池用触媒ペースト組成物。
一般式(1)
[R1は、置換基を有していてもよいアルキル基、置換基を有していてもよいアルケニル基、または置換基を有していてもよいアリール基、置換基を有していてもよいヘテロアリール基、または一般式(2)で示される基であり、R2は、炭素数1〜3のアルキル基であり、
l=0.0〜99.8mol%
m=0.1〜99.9mol%
n=0.1〜30.5mol%
o=0.0〜75.5mol%
l+m+n+o=100mol%である。]
一般式(2)
[R3は、各々置換基を有していてもよいアルキル基、置換基を有していてもよいアルケニル基、置換基を有していてもよいアリール基、または置換基を有していてもよいヘテロアリール基を表す。
R4は、置換基を有していてもよい(α+1)価の連結基を表し、
αは、1〜3の整数を表す。] - 前記樹脂が、ポリビニルアルコール樹脂(a)またはポリビニルアセタール樹脂(b)と、一般式(3)または一般式(4)により示される化合物とを反応させてなることを特徴とする請求項1記載の燃料電池用触媒ペースト組成物。
一般式(3)
[R1は、置換基を有していてもよいアルキル基、置換基を有していてもよいアルケニル基、置換基を有していてもよいアリール基、または置換基を有していてもよいヘテロアリール基を表す。]
一般式(4)
[R3は、置換基を有していてもよいアルキル基、置換基を有していてもよいアルケニル基、置換基を有していてもよいアリール基、または置換基を有していてもよいヘテロアリール基を表す。
R4は、置換基を有していてもよい(α+1)価の連結基を表す。
αは1〜3の整数を表す。] - 前記樹脂が、ポリビニルアルコール樹脂(a)またはポリビニルアセタール樹脂(b)と、一般式(3)により示される化合物とを反応させてなることを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池用触媒ペースト組成物。
一般式(3)
[R1は、置換基を有していてもよいアルキル基、置換基を有していてもよいアルケニル基、置換基を有していてもよいアリール基、または置換基を有していてもよいヘテロアリール基を表す。] - 前記樹脂が、ポリビニルアセタール樹脂(b)と、一般式(3)により示される化合物とを反応させてなることを特徴とする請求項1〜3いずれか記載の燃料電池用触媒ペースト組成物。
一般式(3)
[R1は、置換基を有していてもよいアルキル基、置換基を有していてもよいアルケニル基、置換基を有していてもよいアリール基、または置換基を有していてもよいヘテロアリール基を表す。] - 請求項1〜4記載の燃料電池用触媒ペースト組成物と、プロトン伝導性ポリマーもしくは撥水性材料の少なくとも一方とを含んでなる燃料電池用触媒インキ組成物。
- 請求項5記載の燃料電池用触媒インキ組成物から形成されてなる燃料電池用触媒層もしくは燃料電池用撥水層。
- 固体高分子電解質膜と、請求項6記載の燃料電池用触媒層もしくは燃料電池用撥水層のうち少なくとも一方と、ガス拡散層とを具備してなる燃料電池用電極膜接合体。
- 請求項7に記載の燃料電池用電極膜接合体を具備してなる燃料電池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013092909A JP5987775B2 (ja) | 2013-04-25 | 2013-04-25 | 燃料電池用触媒ペースト組成物、触媒インキ組成物、触媒層もしくは撥水層、電極膜接合体、燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013092909A JP5987775B2 (ja) | 2013-04-25 | 2013-04-25 | 燃料電池用触媒ペースト組成物、触媒インキ組成物、触媒層もしくは撥水層、電極膜接合体、燃料電池 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014216204A true JP2014216204A (ja) | 2014-11-17 |
JP5987775B2 JP5987775B2 (ja) | 2016-09-07 |
Family
ID=51941789
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013092909A Active JP5987775B2 (ja) | 2013-04-25 | 2013-04-25 | 燃料電池用触媒ペースト組成物、触媒インキ組成物、触媒層もしくは撥水層、電極膜接合体、燃料電池 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5987775B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017183172A (ja) * | 2016-03-31 | 2017-10-05 | 東洋インキScホールディングス株式会社 | 燃料電池用触媒ペースト組成物、及び燃料電池 |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5782971A (en) * | 1980-11-12 | 1982-05-24 | Hitachi Ltd | Production of electrode for fuel cell |
JPH08176372A (ja) * | 1994-12-21 | 1996-07-09 | Sekisui Chem Co Ltd | 水分散系離型剤組成物 |
JPH08236123A (ja) * | 1994-12-28 | 1996-09-13 | Tokyo Gas Co Ltd | 燃料電池用電極及びその製造方法 |
JPH08325518A (ja) * | 1995-05-30 | 1996-12-10 | Sekisui Chem Co Ltd | 水分散系離型剤組成物及びその製造方法 |
JP2001200126A (ja) * | 2000-01-17 | 2001-07-24 | Toyo Ink Mfg Co Ltd | イオン伝導性組成物 |
JP2008243436A (ja) * | 2007-03-26 | 2008-10-09 | Toshiba Corp | 燃料電池電極用担持触媒 |
WO2008126919A1 (ja) * | 2007-04-11 | 2008-10-23 | Sekisui Chemical Co., Ltd. | セラミック成型体の製造方法 |
JP2009295441A (ja) * | 2008-06-05 | 2009-12-17 | Seizo Miyata | 炭素触媒、炭素触媒の製造方法、膜電極接合体、及び、燃料電池 |
JP2010015970A (ja) * | 2008-06-06 | 2010-01-21 | Toyobo Co Ltd | 金属錯体複合体を用いた燃料電池用触媒、並びに膜電極接合体、燃料電池、及び酸化還元触媒 |
-
2013
- 2013-04-25 JP JP2013092909A patent/JP5987775B2/ja active Active
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5782971A (en) * | 1980-11-12 | 1982-05-24 | Hitachi Ltd | Production of electrode for fuel cell |
JPH08176372A (ja) * | 1994-12-21 | 1996-07-09 | Sekisui Chem Co Ltd | 水分散系離型剤組成物 |
JPH08236123A (ja) * | 1994-12-28 | 1996-09-13 | Tokyo Gas Co Ltd | 燃料電池用電極及びその製造方法 |
JPH08325518A (ja) * | 1995-05-30 | 1996-12-10 | Sekisui Chem Co Ltd | 水分散系離型剤組成物及びその製造方法 |
JP2001200126A (ja) * | 2000-01-17 | 2001-07-24 | Toyo Ink Mfg Co Ltd | イオン伝導性組成物 |
JP2008243436A (ja) * | 2007-03-26 | 2008-10-09 | Toshiba Corp | 燃料電池電極用担持触媒 |
WO2008126919A1 (ja) * | 2007-04-11 | 2008-10-23 | Sekisui Chemical Co., Ltd. | セラミック成型体の製造方法 |
JP2009295441A (ja) * | 2008-06-05 | 2009-12-17 | Seizo Miyata | 炭素触媒、炭素触媒の製造方法、膜電極接合体、及び、燃料電池 |
JP2010015970A (ja) * | 2008-06-06 | 2010-01-21 | Toyobo Co Ltd | 金属錯体複合体を用いた燃料電池用触媒、並びに膜電極接合体、燃料電池、及び酸化還元触媒 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017183172A (ja) * | 2016-03-31 | 2017-10-05 | 東洋インキScホールディングス株式会社 | 燃料電池用触媒ペースト組成物、及び燃料電池 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP5987775B2 (ja) | 2016-09-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7175930B2 (en) | Conducting polymer-grafted carbon material for fuel cell applications | |
US7413683B2 (en) | Sulfonated conducting polymer-grafted carbon material for fuel cell applications | |
JP6350092B2 (ja) | 微生物燃料電池用炭素触媒及びその製造方法、触媒インキ並びに微生物燃料電池 | |
JP6354393B2 (ja) | 燃料電池用水性触媒ペースト組成物、及び燃料電池 | |
JP6225545B2 (ja) | 炭素触媒造粒体、炭素触媒造粒体の製造方法、及び該炭素触媒造粒体を用いた触媒インキ並びに燃料電池 | |
US20040109816A1 (en) | Proton conductive carbon material for fuel cell applications | |
JP6244936B2 (ja) | 炭素触媒及びその製造方法、及び該炭素触媒を用いた触媒インキ並びに燃料電池 | |
US7459103B2 (en) | Conducting polymer-grafted carbon material for fuel cell applications | |
US7195834B2 (en) | Metallized conducting polymer-grafted carbon material and method for making | |
JP6736929B2 (ja) | 燃料電池用ペースト組成物、及び燃料電池 | |
TWI728612B (zh) | 觸媒、製造觸媒的方法、包含觸媒的電極、包括電極的膜電極組合物以及包括膜電極組合物的燃料電池 | |
US7390441B2 (en) | Sulfonated conducting polymer-grafted carbon material for fuel cell applications | |
JP6186959B2 (ja) | 触媒インキの製造方法、触媒インキ、触媒電極、燃料電池、および空気電池 | |
JP2017210638A (ja) | 水電解用炭素触媒及びその製造方法、及び該炭素触媒を用いた水電解用触媒インキ並びに水電解装置 | |
JP4429022B2 (ja) | 膜電極接合体とその製造法及びそれを用いた燃料電池とその製造法 | |
JP5987775B2 (ja) | 燃料電池用触媒ペースト組成物、触媒インキ組成物、触媒層もしくは撥水層、電極膜接合体、燃料電池 | |
JP2013206638A (ja) | 電極−電解質膜接合体形成用シート | |
JP6263969B2 (ja) | 酸化物系非白金触媒造粒体、酸化物系非白金触媒造粒体の製造方法、及び該酸化物系非白金触媒造粒体を用いた触媒インキ並びに燃料電池 | |
KR102199455B1 (ko) | 막-전극접합체 전극용 바인더, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 막-전극접합체 및 고분자전해질 연료전지 | |
JP6297939B2 (ja) | カソード電極構造体及び膜・電極接合体 | |
WO2004107359A1 (en) | Metallized conducting polymer-grafted carbon material and method for making | |
JP2014188389A (ja) | 炭素触媒、炭素触媒の製造方法、及び該炭素触媒を用いた触媒インキ並びに燃料電池 | |
JP2018098015A (ja) | 固体高分子形燃料電池用触媒ペースト組成物、及び固体高分子形燃料電池 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20151104 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20160712 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20160713 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20160725 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 5987775 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |