JP2015128058A - Anode catalyst - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an anode catalyst composition capable of more highly improving power generation performance by activating an oxidation reaction of fuel in a fuel-side electrode of a fuel battery.SOLUTION: In a fuel battery 1 supplied with liquid fuel, an anode catalyst contained in a fuel-side electrode 2 contains nickel-based metal and electron conductive particles, and the anode catalyst contains nickel-based metal of 80 pts. mass and more to a total amount of 100 pts. mass of the nickel-based metal and the electron conductive particles.

Description

本発明は、燃料電池のアノード触媒に関する。   The present invention relates to an anode catalyst for a fuel cell.

現在まで、燃料電池としては、アルカリ型(AFC)、固体高分子型(PEFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体電解質型(SOFC)などの各種のものが知られている。なかでも、固体高分子型燃料電池は、比較的低温で運転できることから、例えば、自動車用途などの、各種用途での使用が検討されている。   To date, various types of fuel cells such as alkaline type (AFC), solid polymer type (PEFC), phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), and solid electrolyte type (SOFC) are known. It has been. Especially, since a polymer electrolyte fuel cell can be operated at a relatively low temperature, use in various applications such as an automobile application is being studied.

例えば、固体高分子型燃料電池は、燃料が供給される燃料側電極(アノード)と、酸素が供給される酸素側電極(カソード)とを備えており、これらの電極は、固体高分子膜からなる電解質層を挟んで対向配置されている。   For example, a polymer electrolyte fuel cell includes a fuel-side electrode (anode) to which fuel is supplied and an oxygen-side electrode (cathode) to which oxygen is supplied. These electrodes are formed from a solid polymer membrane. Are arranged opposite to each other with an electrolyte layer interposed therebetween.

このような燃料電池では、通常、発電の効率化を図るため、各電極に触媒が含有されており、具体的には、固体高分子型燃料電池として、例えば、触媒として、コバルトとニッケルとを含む燃料側電極(アノード)と、酸素側電極(カソード)と、アニオン成分を移動させることができる電解質層とを備える燃料電池が、提案されている(例えば、特許文献1参照。)。   In such a fuel cell, a catalyst is usually contained in each electrode in order to increase the efficiency of power generation. Specifically, as a polymer electrolyte fuel cell, for example, as a catalyst, cobalt and nickel are used. A fuel cell including a fuel-side electrode (anode), an oxygen-side electrode (cathode), and an electrolyte layer that can move an anion component has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

特許文献1に記載されるように、燃料電池において、燃料側電極にコバルトおよびニッケルが含有される場合には、例えば、コバルトのみが含有される場合などに比べ、発電性能の向上を図ることができる。   As described in Patent Document 1, in the fuel cell, when cobalt and nickel are contained in the fuel-side electrode, for example, power generation performance can be improved as compared with a case where only cobalt is contained. it can.

また、このような固体高分子型燃料電池では、さらなる発電性能の向上を図るため、コバルトおよびニッケルに代えて、燃料側電極に、亜鉛およびニッケルを含有させることも、提案されている(例えば、非特許文献1参照。)。   Further, in such a polymer electrolyte fuel cell, in order to further improve the power generation performance, it has been proposed that the fuel side electrode contains zinc and nickel instead of cobalt and nickel (for example, (Refer nonpatent literature 1.).

特開2010−225471号公報JP 2010-225471 A

The Electrochemical Society, 2010年,ECS Transactions,33(1),1673−1680The Electrochemical Society, 2010, ECS Transactions, 33 (1), 1673-1680.

しかるに、近年、燃料電池の発電性能のさらなる向上が望まれており、そのため、より優れた燃料電池を実現できる触媒が要求されている。   However, in recent years, further improvement in the power generation performance of the fuel cell is desired, and therefore a catalyst capable of realizing a more excellent fuel cell is required.

本発明の目的は、燃料電池の燃料側電極における燃料の電気化学反応を活性化させ、より一層発電性能を向上させることができるアノード触媒を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an anode catalyst capable of activating a fuel electrochemical reaction at a fuel-side electrode of a fuel cell and further improving power generation performance.

上記目的を達成するために、本発明のアノード触媒は、液体燃料が供給される燃料電池のアノード触媒であって、ニッケル系金属と、電子伝導性粒子とを含有し、前記ニッケル系金属および前記電子伝導性粒子の総量100質量部に対して、ニッケル系金属が80質量部以上含まれていることを特徴としている。   In order to achieve the above object, an anode catalyst of the present invention is an anode catalyst of a fuel cell to which a liquid fuel is supplied, which contains a nickel-based metal and electron conductive particles, 80 mass parts or more of nickel-type metals are contained with respect to 100 mass parts of total amounts of electron conductive particles.

また、本発明のアノード触媒では、前記ニッケル系金属と前記電子伝導性粒子とを物理的に混合することにより得られることが好適である。   In addition, the anode catalyst of the present invention is preferably obtained by physically mixing the nickel-based metal and the electron conductive particles.

本発明のアノード触媒では、ニッケル系金属と電子伝導性粒子とを含有し、前記ニッケル系金属および前記電子伝導性粒子の総量100質量部に対して、ニッケル系金属が80質量部以上含まれている。   The anode catalyst of the present invention contains a nickel-based metal and electron conductive particles, and the nickel-based metal is contained in an amount of 80 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the total amount of the nickel-based metal and the electron conductive particles. Yes.

そのため、燃料電池の燃料側電極における燃料の電気化学反応を活性化させることにより、燃料電池を高出力化することができ、発電性能を向上させることができる。   Therefore, by activating the electrochemical reaction of the fuel at the fuel side electrode of the fuel cell, the output of the fuel cell can be increased and the power generation performance can be improved.

本発明のアノード触媒を含む燃料側電極を用いる燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows one Embodiment of the fuel cell using the fuel side electrode containing the anode catalyst of this invention. 実施例1〜3および比較例1のアノード触媒を含む燃料側電極のヒドラジン酸化活性の測定結果である。3 is a measurement result of hydrazine oxidation activity of fuel side electrodes including anode catalysts of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. FIG. 実施例1および実施例4のアノード触媒を含む燃料側電極のヒドラジン酸化活性の測定結果である。5 is a measurement result of hydrazine oxidation activity of a fuel side electrode including an anode catalyst of Example 1 and Example 4. FIG. 実施例5および比較例2のアノード触媒を含む燃料側電極のヒドラジン酸化活性の測定結果である。6 is a measurement result of hydrazine oxidation activity of a fuel side electrode including an anode catalyst of Example 5 and Comparative Example 2. FIG. 比較例3および比較例4のアノード触媒を含む燃料側電極のヒドラジン酸化活性の測定結果である。7 is a measurement result of hydrazine oxidation activity of a fuel side electrode including an anode catalyst of Comparative Example 3 and Comparative Example 4. 比較例5および比較例6のアノード触媒を含む燃料側電極のヒドラジン酸化活性の測定結果である。10 is a measurement result of hydrazine oxidation activity of a fuel side electrode including an anode catalyst of Comparative Example 5 and Comparative Example 6. FIG. 実施例1および比較例1のアノード触媒を含む燃料側電極を用いる燃料電池のセル発電特性の測定結果である。6 is a measurement result of cell power generation characteristics of a fuel cell using a fuel side electrode including an anode catalyst of Example 1 and Comparative Example 1. FIG.

本発明のアノード触媒は、ニッケル(Ni)系金属と電子伝導性粒子とを含んでいる。   The anode catalyst of the present invention contains a nickel (Ni) metal and electron conductive particles.

ニッケル系金属としては、例えば、ニッケル単独(ニッケルの金属単体)、ニッケルとその他(ニッケル以外)の金属との合金(ニッケル合金)、ニッケル含有複合酸化物などが挙げられる。   Examples of the nickel-based metal include nickel alone (nickel single metal), an alloy (nickel alloy) of nickel and other (other than nickel) metal, and a nickel-containing composite oxide.

ニッケルの金属単体は、公知の方法により得てもよく、また、市販品を入手してもよい。   The nickel simple metal may be obtained by a known method, or a commercially available product may be obtained.

その他(ニッケル以外)の金属としては、例えば、白金族元素(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)、鉄族元素(Fe、Co)などの周期表第8〜10(IUPAC Periodic Table of the Elements(version date 19 February 2010)に従う。以下同じ。)族元素や、例えば、Cu、Ag、Auなどの周期表第11族元素、例えば、Zn、Cd、Hgなどの周期表第12族元素など、例えば、Mn、Zr、Pb、Sn、W、Bi、Nb、Mo、Laなど、さらにはこれらの組み合わせなどが挙げられる。   Other metals (other than nickel) include, for example, platinum group elements (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt), periodic table elements 8 to 10 (IUPAC Periodic Table of) such as iron group elements (Fe, Co). according to the Elements (version date 19 February 2010). The same shall apply hereinafter.) Group elements and periodic table group 11 elements such as Cu, Ag and Au, for example, periodic table group 12 elements such as Zn, Cd and Hg For example, Mn, Zr, Pb, Sn, W, Bi, Nb, Mo, La, etc., and combinations thereof are also included.

その他(ニッケル以外)の金属として、好ましくは、Zn(亜鉛)が挙げられる。   The other metal (other than nickel) is preferably Zn (zinc).

ニッケル合金としては、具体的には、NiZn、NiMn、NiCo、NiAg、NiZr、NiPd、NiFe、NiCu、NiPb、NiSn、NiW、NiBi、NiNb、NiMo、NiRu、NiLaなどが挙げられる。 Specific examples of the nickel alloy include NiZn, Ni 3 Mn, Ni 3 Co, Ni 3 Ag, Ni 3 Zr, Ni 3 Pd, Ni 3 Fe, Ni 3 Cu, Ni 3 Pb, Ni 3 Sn, and Ni 3. W, Ni 3 Bi, Ni 3 Nb, Ni 3 Mo, NiRu, and the like Nila.

ニッケル合金では、ニッケルとその他(ニッケル以外)の金属との総モルに対して、ニッケルが、例えば、65〜95モル%、好ましくは、75〜95モル%、より好ましくは、80〜90モル%であり、また、その他の金属が、例えば、5〜35モル%、好ましくは、5〜25モル%、より好ましくは、10〜20モル%である。   In the nickel alloy, nickel is, for example, 65 to 95 mol%, preferably 75 to 95 mol%, more preferably 80 to 90 mol%, based on the total mol of nickel and other (other than nickel) metals. The other metal is, for example, 5 to 35 mol%, preferably 5 to 25 mol%, more preferably 10 to 20 mol%.

ニッケル合金における各金属の含有割合が、上記の割合であれば、優れた発電性能を得ることができる。   When the content ratio of each metal in the nickel alloy is the above ratio, excellent power generation performance can be obtained.

ニッケル合金は、公知の方法により合成してもよく、また、市販品を入手してもよい。   The nickel alloy may be synthesized by a known method, or a commercially available product may be obtained.

ニッケル含有複合酸化物は、好ましくは、下記一般式(1)で表されるペロブスカイト型複合酸化物である。   The nickel-containing composite oxide is preferably a perovskite composite oxide represented by the following general formula (1).

ANiO (1)
(式中、Aは、希土類元素およびアルカリ土類金属から選ばれる少なくとも1種の元素を示す。)
一般式(1)において、Aは、希土類元素およびアルカリ土類金属から選ばれる少なくとも1種の元素を示し、好ましくは、希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
ANiO 3 (1)
(In the formula, A represents at least one element selected from rare earth elements and alkaline earth metals.)
In the general formula (1), A represents at least one element selected from rare earth elements and alkaline earth metals, and preferably represents at least one element selected from rare earth elements.

一般式(1)において、Aで示される希土類元素としては、例えば、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Pr(プラセオジム)、Nd(ネオジム)、Pm(プロメチウム)、Sm(サマリウム)、Eu(ユーロピウム)、Gd(ガドリニウム)、Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Ho(ホルミウム)、Er(エルビウム)、Tm(ツリウム)、Yb(イッテルビウム)、Lu(ルテチウム)などが挙げられる。   In the general formula (1), examples of the rare earth element represented by A include Sc (scandium), Y (yttrium), La (lanthanum), Ce (cerium), Pr (praseodymium), Nd (neodymium), Pm ( Promethium), Sm (samarium), Eu (europium), Gd (gadolinium), Tb (terbium), Dy (dysprosium), Ho (holmium), Er (erbium), Tm (thulium), Yb (ytterbium), Lu ( Lutetium).

また、Aで示されるアルカリ土類金属としては、例えば、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)、Ra(ラジウム)などが挙げられる。   Examples of the alkaline earth metal represented by A include Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), Ba (barium), and Ra (radium).

これら希土類元素およびアルカリ土類金属は、単独使用または2種類以上併用することができる。希土類元素およびアルカリ土類金属として、好ましくは、La(ランタン)が挙げられる。   These rare earth elements and alkaline earth metals can be used alone or in combination of two or more. As the rare earth element and the alkaline earth metal, La (lanthanum) is preferable.

このようなニッケル含有複合酸化物は、特に制限されることなく、例えば、特開2004−243305号の段落番号[0039]〜[0059]の記載に準拠して、複合酸化物を調製するための適宜の方法、例えば、共沈法、クエン酸錯体法、アルコキシド法などの製造方法によって、製造することができる。   Such a nickel-containing composite oxide is not particularly limited. For example, in accordance with the description of paragraph numbers [0039] to [0059] of JP-A-2004-243305, a composite oxide can be prepared. It can be produced by an appropriate method, for example, a production method such as a coprecipitation method, a citric acid complex method, or an alkoxide method.

ニッケル含有複合酸化物としては、好ましくは、LaNiOが挙げられる。これらニッケル含有複合酸化物は、単独使用または2種類以上併用することができる。 As the nickel-containing composite oxide, LaNiO 3 is preferably used. These nickel-containing composite oxides can be used alone or in combination of two or more.

これらニッケル系金属は、単独使用または2種類以上併用することができる。   These nickel-based metals can be used alone or in combination of two or more.

ニッケル系金属として、好ましくはNi、NiZn、LaNiO、より好ましくは、Ni、NiZn、さらに好ましくは、NiZnが挙げられる。 The nickel-based metal is preferably Ni, NiZn, LaNiO 3 , more preferably Ni, NiZn, and still more preferably NiZn.

ニッケル系金属の平均粒子径は、例えば、0.01μm以上、好ましくは、0.05μm以上、より好ましくは、0.1μm以上であり、また、例えば、100μm以下、好ましくは、50μm以下、より好ましくは、10μm以下である。   The average particle diameter of the nickel-based metal is, for example, 0.01 μm or more, preferably 0.05 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, and, for example, 100 μm or less, preferably 50 μm or less, more preferably Is 10 μm or less.

ニッケル系金属の平均粒子径が、上記の範囲であれば、優れた発電性能を得ることができる。   When the average particle diameter of the nickel-based metal is in the above range, excellent power generation performance can be obtained.

電子伝導性粒子としては、例えば、カーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラックなどのカーボン、例えば、TiO、VO、WOなどの金属酸化物、例えば、ReO、SrTiO、BaTiO、LaTiO、CaVO、SrVO、CaCrO、SrCrO、CaFeO、SrFeO、LaCoOなどのペロブスカイト型酸化物などが挙げられる。 Examples of the electron conductive particles include carbon such as carbon black, ketjen black, and acetylene black, metal oxides such as TiO, VO, and WO 3 , such as ReO 3 , SrTiO 3 , BaTiO 3 , LaTiO 3 , Examples thereof include perovskite oxides such as CaVO 3 , SrVO 3 , CaCrO 3 , SrCrO 3 , CaFeO 3 , SrFeO 3 , and LaCoO 3 .

これら電子伝導性粒子は、単独使用または2種以上を併用することができる。   These electron conductive particles can be used alone or in combination of two or more.

電子伝導性粒子として、好ましくは、カーボン、より好ましくは、ケッチェンブラックが挙げられる。   The electron conductive particles are preferably carbon, more preferably ketjen black.

電子伝導性粒子の平均粒子径は、例えば、0.001μm以上、好ましくは、0.005μm以上、より好ましくは、0.01μm以上であり、また、例えば、1μm以下、好ましくは、0.5μm以下、より好ましくは、0.1μm以下である。   The average particle diameter of the electron conductive particles is, for example, 0.001 μm or more, preferably 0.005 μm or more, more preferably 0.01 μm or more, and for example, 1 μm or less, preferably 0.5 μm or less. More preferably, it is 0.1 μm or less.

電子伝導性粒子の平均粒子径が、上記の範囲であれば、優れた発電性能を得ることができる。   When the average particle diameter of the electron conductive particles is within the above range, excellent power generation performance can be obtained.

本発明のアノード触媒を製造するには、ニッケル系金属と電子伝導性粒子とを混合する。   In order to produce the anode catalyst of the present invention, a nickel-based metal and electron conductive particles are mixed.

混合方法としては、物理的に混合できれば、特に制限されず、例えば、乾式混合や湿式混合などの公知の混合方法が挙げられる。好ましくは、乾式混合が挙げられる。   The mixing method is not particularly limited as long as it can be physically mixed, and examples thereof include known mixing methods such as dry mixing and wet mixing. Preferably, dry mixing is used.

得られるアノード触媒の形態としては、ニッケル系金属と電子伝導性粒子とが物理的に混合されているものであり、ニッケル系金属が電子伝導性粒子に担持されているものではない。   As the form of the obtained anode catalyst, the nickel-based metal and the electron conductive particles are physically mixed, and the nickel-based metal is not supported on the electron conductive particles.

そのため、ニッケル系金属の含有割合を、ニッケル系金属が電子伝導性粒子に担持されている場合よりも多く含有させることができる。   Therefore, the nickel-based metal can be contained in a larger proportion than when the nickel-based metal is supported on the electron conductive particles.

これにより、ニッケル系金属と電子伝導性粒子とを含有するアノード触媒が得られる。   Thereby, an anode catalyst containing a nickel-based metal and electron conductive particles is obtained.

アノード触媒は、好ましくは、ニッケル系金属と電子伝導性粒子とのみからなる。   The anode catalyst is preferably composed only of nickel-based metal and electron conductive particles.

アノード触媒において、ニッケル系金属および電子伝導性粒子の含有割合は、ニッケル系金属および電子伝導性粒子の総量100質量部に対して、ニッケル系金属が、例えば、80質量部以上、好ましくは、83質量部以上、より好ましくは、85質量部以上、さらに好ましくは、90質量部以上であり、例えば、99質量部以下、好ましくは、98質量部以下、より好ましくは、96質量部以下であり、また、電子伝導性粒子が、例えば、1質量部以上、好ましくは、2質量部以上、より好ましくは、4質量部以上であり、例えば、20質量部以下、好ましくは、17質量部以下、より好ましくは、15質量部以下、さらに好ましくは、10質量部以下である。   In the anode catalyst, the content ratio of the nickel-based metal and the electron conductive particles is, for example, 80 parts by mass or more, preferably 83, of the nickel-based metal with respect to 100 parts by mass of the total amount of the nickel-based metal and the electron conductive particles. Part by mass, more preferably 85 parts by mass or more, more preferably 90 parts by mass or more, for example, 99 parts by mass or less, preferably 98 parts by mass or less, more preferably 96 parts by mass or less, Further, the electron conductive particles are, for example, 1 part by mass or more, preferably 2 parts by mass or more, more preferably 4 parts by mass or more, for example, 20 parts by mass or less, preferably 17 parts by mass or less, more Preferably, it is 15 mass parts or less, More preferably, it is 10 mass parts or less.

ニッケル系金属および電子伝導性粒子の含有割合が、上記の割合であれば、優れた発電性能を得ることができる。   When the content ratio of the nickel-based metal and the electron conductive particles is the above ratio, excellent power generation performance can be obtained.

ニッケル系金属の平均粒子径と、電子伝導性粒子の平均粒子径との比率は、ニッケル系金属の平均粒子径に対して、電子伝導性粒子の平均粒子径が、例えば、0.01%以上、好ましくは、0.05%以上、より好ましくは、0.1%以上であり、また、例えば、25%以下、好ましくは、10%以下、より好ましくは、5%以下、さらに好ましくは2%以下である。   The ratio between the average particle diameter of the nickel-based metal and the average particle diameter of the electron conductive particles is such that the average particle diameter of the electron conductive particles is, for example, 0.01% or more with respect to the average particle diameter of the nickel-based metal. , Preferably 0.05% or more, more preferably 0.1% or more, and for example, 25% or less, preferably 10% or less, more preferably 5% or less, and even more preferably 2%. It is as follows.

ニッケル系金属の平均粒子径と電子伝導性粒子の平均粒子径との比率が、上記の割合であれば、優れた発電性能を得ることができる。   When the ratio between the average particle diameter of the nickel-based metal and the average particle diameter of the electron conductive particles is the above ratio, excellent power generation performance can be obtained.

以下において、本発明のアノード触媒を含む燃料側電極が用いられる燃料電池の詳細を説明する。   Details of the fuel cell in which the fuel side electrode including the anode catalyst of the present invention is used will be described below.

図1は、本発明のアノード触媒を含む燃料側電極を用いる燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。図1において、この燃料電池1は、燃料電池セルSを備えており、燃料電池セルSは、燃料側電極2、酸素側電極3および電解質層4を備え、燃料側電極2および酸素側電極3が、それらの間に電解質層4を挟んだ状態で、対向配置されている。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a fuel cell using a fuel-side electrode including an anode catalyst of the present invention. In FIG. 1, the fuel cell 1 includes a fuel cell S, and the fuel cell S includes a fuel side electrode 2, an oxygen side electrode 3, and an electrolyte layer 4, and the fuel side electrode 2 and the oxygen side electrode 3. However, they are opposed to each other with the electrolyte layer 4 sandwiched therebetween.

燃料側電極2は、上記したアノード触媒を含んでおり、電解質層4の一方の面に対向接触されている。   The fuel-side electrode 2 includes the above-described anode catalyst, and is in opposed contact with one surface of the electrolyte layer 4.

このような燃料側電極2を形成するには、特に制限されないが、例えば、膜−電極接合体を形成する。膜−電極接合体は、公知の方法により形成することができる。例えば、まず、上記したアノード触媒と電解質溶液とを混合し、必要によりアルコールやエーテルなどの適宜の溶剤や、アイオノマーなどの樹脂などを添加して粘度を調整することにより、上記したアノード触媒のアノード電極インクを調製する。次いで、そのアノード電極インクを、電解質層4(アニオン交換膜)の表面にコーティングすることにより、上記したアノード触媒を電解質層4の表面に定着させる。   Although it does not restrict | limit especially in forming such a fuel side electrode 2, For example, a membrane-electrode assembly is formed. The membrane-electrode assembly can be formed by a known method. For example, first, the anode catalyst and the electrolyte solution described above are mixed, and if necessary, an appropriate solvent such as alcohol or ether, or a resin such as ionomer is added to adjust the viscosity. An electrode ink is prepared. Next, the anode electrode ink is coated on the surface of the electrolyte layer 4 (anion exchange membrane) to fix the anode catalyst to the surface of the electrolyte layer 4.

アノード触媒の使用量は、例えば、0.01〜5mg/cmである。 The usage-amount of an anode catalyst is 0.01-5 mg / cm < 2 >, for example.

この燃料側電極2では、後述するように、供給される、少なくとも水素および窒素を含有する化合物(以下、「燃料化合物」という。)と、電解質層4を通過した水酸化物イオン(OH)とを反応させて、電子(e)と窒素(N)と水(HO)とを生成させる。 In the fuel-side electrode 2, as will be described later, a supplied compound containing at least hydrogen and nitrogen (hereinafter referred to as “fuel compound”) and hydroxide ions (OH ) that have passed through the electrolyte layer 4 are supplied. To produce electrons (e ), nitrogen (N 2 ), and water (H 2 O).

酸素側電極3は、電解質層4の他方の面に対向接触されている。この酸素側電極3は、特に限定されないが、例えば、カソード触媒が担持される多孔質電極として形成されている。   The oxygen side electrode 3 is in opposed contact with the other surface of the electrolyte layer 4. Although this oxygen side electrode 3 is not specifically limited, For example, it is formed as a porous electrode with which a cathode catalyst is carry | supported.

上記カソード触媒としては、後述するように、酸素(O)と水(HO)とから水酸化物イオン(OH)を生成させる触媒作用を有するものであれば、特に限定されないが、例えば、白金族元素(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)、鉄族元素(Fe、Co、Ni)などの周期表第8〜10族(IUPAC Periodic Table of the Elements(version date 19 February 2010)に従う。以下同じ。)元素や、例えば、Cu、Ag、Auなどの周期表第11族元素など、さらにはこれらの組み合わせなどが挙げられる。なかでも、好ましくは、Feが挙げられる。カソード触媒の担持量は、例えば、0.1〜10mg/cm、好ましくは、0.1〜5mg/cmである。また、上記カソード触媒は、上記カーボンに担持させることが好ましい。 The cathode catalyst is not particularly limited as long as it has a catalytic action of generating hydroxide ions (OH ) from oxygen (O 2 ) and water (H 2 O), as will be described later. For example, Group 8-10 of the periodic table (IUPAC Periodic Table of the Elements (version date 19 February) such as platinum group elements (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt) and iron group elements (Fe, Co, Ni). The same applies hereinafter.) Elements, Group 11 elements of the periodic table such as Cu, Ag, Au, etc., and combinations thereof are also included. Among these, Fe is preferable. The supported amount of the cathode catalyst is, for example, 0.1 to 10 mg / cm 2 , preferably 0.1 to 5 mg / cm 2 . The cathode catalyst is preferably supported on the carbon.

また、カソード触媒として、フェナントロリンFe錯体を用いることもできる。   Moreover, a phenanthroline Fe complex can also be used as a cathode catalyst.

フェナントロリンFe錯体は、フェナントロリン系配位子が鉄に配位された遷移金属錯体であり、フェナントロリン系配位子は、フェナントロリンまたはその誘導体であり、好ましくは、1,10−フェナントロリンまたはその誘導体が挙げられる。   The phenanthroline Fe complex is a transition metal complex in which a phenanthroline-based ligand is coordinated to iron, and the phenanthroline-based ligand is phenanthroline or a derivative thereof, preferably 1,10-phenanthroline or a derivative thereof. It is done.

フェナントロリンFe錯体において、フェナントロリン系配位子は、2座配位子として、例えば、鉄に3分子配位している。   In the phenanthroline Fe complex, the phenanthroline-based ligand is coordinated with, for example, three molecules of iron as a bidentate ligand.

フェナントロリンFe錯体としては、具体的には、トリス(フェナントロリン)鉄(II)錯体などが挙げられる。   Specific examples of the phenanthroline Fe complex include tris (phenanthroline) iron (II) complex.

また、必要に応じて、フェナントロリンFe錯体とともに、フェナントロリンMn錯体、フェナントロリンNi錯体などを併用することもできる。   Moreover, a phenanthroline Mn complex, a phenanthroline Ni complex, etc. can also be used together with a phenanthroline Fe complex as needed.

このようなカソード触媒から酸素側電極3を形成するには、特に制限されないが、例えば、上記した燃料側電極2と同様にして、膜−電極接合体を形成する。   Forming the oxygen side electrode 3 from such a cathode catalyst is not particularly limited. For example, a membrane-electrode assembly is formed in the same manner as the fuel side electrode 2 described above.

すなわち、例えば、まず、上記したカソード触媒と電解質溶液とを混合し、必要によりアルコールやエーテルなどの適宜の溶剤や、アイオノマーなどの樹脂などを添加して粘度を調整することにより、上記したカソード触媒のカソード電極インクを調製する。次いで、そのカソード電極インクを、電解質層4(アニオン交換膜)の表面にコーティングすることにより、上記したカソード触媒を電解質層4の表面に定着させる。   That is, for example, first, the above-described cathode catalyst and the electrolyte solution are mixed, and if necessary, an appropriate solvent such as alcohol or ether, or a resin such as ionomer is added to adjust the viscosity. A cathode electrode ink is prepared. Next, the cathode electrode ink is coated on the surface of the electrolyte layer 4 (anion exchange membrane) to fix the cathode catalyst to the surface of the electrolyte layer 4.

この酸素側電極3では、後述するように、供給される酸素(O)と、水(HO)と、外部回路13を通過した電子(e)とを反応させて、水酸化物イオン(OH)を生成させる。 In the oxygen-side electrode 3, as will be described later, the supplied oxygen (O 2 ), water (H 2 O), and the electrons (e ) that have passed through the external circuit 13 are reacted to form a hydroxide. Ion (OH ) is generated.

電解質層4は、アニオン交換膜から形成されている。アニオン交換膜としては、酸素側電極3で生成される水酸化物イオン(OH)を、酸素側電極3から燃料側電極2へ移動させることができる媒体であれば、特に限定されないが、例えば、4級アンモニウム基、ピリジニウム基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜(アニオン交換樹脂)が挙げられる。 The electrolyte layer 4 is formed from an anion exchange membrane. The anion exchange membrane is not particularly limited as long as it is a medium that can move hydroxide ions (OH ) generated at the oxygen side electrode 3 from the oxygen side electrode 3 to the fuel side electrode 2. Examples thereof include a solid polymer membrane (anion exchange resin) having an anion exchange group such as a quaternary ammonium group or a pyridinium group.

燃料電池セルSは、さらに、燃料供給部材5および酸素供給部材6を備えている。燃料供給部材5は、ガス不透過性の導電性部材からなり、その一方の面が、燃料側電極2に対向接触されている。そして、この燃料供給部材5には、燃料側電極2の全体に燃料を接触させるための燃料側流路7が、一方の面から凹む葛折状の溝として形成されている。なお、この燃料側流路7は、その上流側端部および下流側端部に、燃料供給部材5を貫通する供給口8および排出口9がそれぞれ連続して形成されている。   The fuel cell S further includes a fuel supply member 5 and an oxygen supply member 6. The fuel supply member 5 is made of a gas-impermeable conductive member, and one surface thereof is in opposed contact with the fuel-side electrode 2. The fuel supply member 5 is formed with a fuel-side flow path 7 for bringing fuel into contact with the entire fuel-side electrode 2 as a distorted groove recessed from one surface. The fuel-side flow path 7 has a supply port 8 and a discharge port 9 that pass through the fuel supply member 5 formed continuously at the upstream end and the downstream end, respectively.

また、酸素供給部材6も、燃料供給部材5と同様に、ガス不透過性の導電性部材からなり、その一方の面が、酸素側電極3に対向接触されている。そして、この酸素供給部材6にも、酸素側電極3の全体に酸素(空気)を接触させるための酸素側流路10が、一方の面から凹む葛折状の溝として形成されている。なお、この酸素側流路10にも、その上流側端部および下流側端部に、酸素供給部材6を貫通する供給口11および排出口12がそれぞれ連続して形成されている。   Similarly to the fuel supply member 5, the oxygen supply member 6 is made of a gas-impermeable conductive member, and one surface thereof is opposed to the oxygen side electrode 3. The oxygen supply member 6 is also formed with an oxygen-side flow channel 10 for contacting oxygen (air) with the entire oxygen-side electrode 3 as a distorted groove recessed from one surface. The oxygen-side flow path 10 also has a supply port 11 and a discharge port 12 that pass through the oxygen supply member 6 continuously formed at the upstream end portion and the downstream end portion thereof.

そして、この燃料電池1は、実際には、上記した燃料電池セルSが、複数積層されるスタック構造として形成される。そのため、燃料供給部材5および酸素供給部材6は、実際には、両面に燃料側流路7および酸素側流路10が形成されるセパレータとして構成される。   The fuel cell 1 is actually formed as a stack structure in which a plurality of the fuel cells S described above are stacked. Therefore, the fuel supply member 5 and the oxygen supply member 6 are actually configured as separators in which the fuel side flow path 7 and the oxygen side flow path 10 are formed on both surfaces.

なお、図示しないが、この燃料電池1には、導電性材料によって形成される集電板が備えられており、集電板に備えられた端子から燃料電池1で発生した起電力を外部に取り出すことができるように構成されている。   Although not shown, the fuel cell 1 is provided with a current collector plate formed of a conductive material, and an electromotive force generated in the fuel cell 1 is taken out from a terminal provided on the current collector plate. It is configured to be able to.

また、試験的(モデル的)には、この燃料電池セルSの燃料供給部材5と酸素供給部材6とを外部回路13によって接続し、その外部回路13に電圧計14を介在させて、発生する電圧を計測することもできる。   Further, on a test (model) basis, the fuel supply member 5 and the oxygen supply member 6 of the fuel cell S are connected by an external circuit 13, and a voltmeter 14 is interposed in the external circuit 13 to generate the fuel cell S. The voltage can also be measured.

そして、本発明においては、上記燃料化合物を含む燃料、好ましくは、上記燃料化合物を含む液体燃料が、改質などを経由することなく、直接供給される。   And in this invention, the fuel containing the said fuel compound, Preferably the liquid fuel containing the said fuel compound is supplied directly, without passing through reforming etc.

この燃料化合物では、水素は窒素に直接結合していることが好ましい。また、燃料化合物は、窒素−窒素結合を有するものが好ましく、炭素−炭素結合を有しないものが好ましい。また、炭素の数はできる限り少ない(できればゼロである)ものが好ましい。   In this fuel compound, hydrogen is preferably bonded directly to nitrogen. The fuel compound preferably has a nitrogen-nitrogen bond, and preferably does not have a carbon-carbon bond. Further, it is preferable that the number of carbons is as small as possible (zero if possible).

また、このような燃料化合物には、その性能を阻害しない範囲において、酸素原子、イオウ原子などを含んでいてよく、より具体的には、カルボニル基、水酸基、水和物、スルホン酸基あるいは硫酸塩などとして、含まれていてもよい。   Further, such a fuel compound may contain an oxygen atom, a sulfur atom, etc. within a range not impairing its performance, and more specifically, a carbonyl group, a hydroxyl group, a hydrate, a sulfonic acid group or a sulfuric acid group. It may be contained as a salt or the like.

このような観点から、本発明において燃料化合物としては、具体的には、例えば、ヒドラジン(NHNH)、水加ヒドラジン(NHNH・HO)、炭酸ヒドラジン((NHNHCO)、硫酸ヒドラジン(NHNH・HSO)、モノメチルヒドラジン(CHNHNH)、ジメチルヒドラジン((CHNNH、CHNHNHCH)、カルボンヒドラジド((NHNHCO)などのヒドラジン類、例えば、尿素(NHCONH)、例えば、アンモニア(NH)、例えば、イミダゾール、1,3,5−トリアジン、3−アミノ−1,2,4−トリアゾールなどの複素環類、例えば、ヒドロキシルアミン(NHOH)、硫酸ヒドロキシルアミン(NHOH・HSO)などのヒドロキシルアミン類などが挙げられる。このような燃料化合物は、単独または2種類以上組み合わせて用いることができる。好ましくは、ヒドラジン類が挙げられる。 From this point of view, specific examples of the fuel compound in the present invention include hydrazine (NH 2 NH 2 ), hydrazine hydrate (NH 2 NH 2 .H 2 O), and hydrazine carbonate ((NH 2 NH). 2) 2 CO 2), hydrazine sulfate (NH 2 NH 2 · H 2 SO 4), monomethyl hydrazine (CH 3 NHNH 2), dimethylhydrazine ((CH 3) 2 NNH 2 , CH 3 NHNHCH 3), a carboxylic hydrazide ( Hydrazines such as (NHNH 2 ) 2 CO), eg urea (NH 2 CONH 2 ), eg ammonia (NH 3 ) eg imidazole, 1,3,5-triazine, 3-amino-1,2, heterocyclic compounds such as 4-triazoles, e.g., hydroxylamine (NH 2 OH), hydroxylamine sulfate (NH OH · H 2 SO 4), and the like hydroxylamines such. Such fuel compounds can be used alone or in combination of two or more. Preferably, hydrazines are used.

上記した燃料化合物のうち、炭素を含まない化合物、すなわち、ヒドラジン(NHNH)、水加ヒドラジン(NHNH・HO)、硫酸ヒドラジン(NHNH・HSO)、アンモニア(NH)、ヒドロキシルアミン(NHOH)、硫酸ヒドロキシルアミン(NHOH・HSO)などは、後述するヒドラジンの反応のように、COによる触媒の被毒がないので耐久性の向上を図ることができ、実質的なゼロエミッションを実現することができる。 Among the above fuel compounds, compounds not containing carbon, that is, hydrazine (NH 2 NH 2 ), hydrazine hydrate (NH 2 NH 2 .H 2 O), hydrazine sulfate (NH 2 NH 2 .H 2 SO 4 ) , Ammonia (NH 3 ), hydroxylamine (NH 2 OH), and hydroxylamine sulfate (NH 2 OH · H 2 SO 4 ) are durable because there is no poisoning of the catalyst by CO as in the case of hydrazine reaction described later. Can be improved and substantially zero emission can be realized.

燃料は、上記例示の燃料化合物をそのまま用いてもよいが、上記例示の燃料化合物を、例えば、水および/またはアルコール(例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどの低級アルコールなど)などの溶液として用いることができる。この場合、溶液中の燃料化合物の濃度は、燃料化合物の種類によっても異なるが、例えば、1〜90重量%、好ましくは、1〜30重量%である。   As the fuel, the fuel compound exemplified above may be used as it is, but the fuel compound exemplified above is used as a solution such as water and / or alcohol (for example, lower alcohol such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol). Can be used. In this case, the concentration of the fuel compound in the solution varies depending on the type of fuel compound, but is, for example, 1 to 90% by weight, preferably 1 to 30% by weight.

そして、酸素供給部材6の酸素側流路10に酸素(空気)を供給しつつ、燃料供給部材5の燃料側流路7に上記した燃料を供給すれば、酸素側電極3においては、次に述べるように、燃料側電極2で発生し、外部回路13を介して移動する電子(e)と、水(HO)と、酸素(O)とが反応して、水酸化物イオン(OH)を生成する。生成した水酸化物イオン(OH)は、アニオン交換膜からなる電解質層4を、酸素側電極3から燃料側電極2へ移動する。そして、燃料側電極2においては、電解質層4を通過した水酸化物イオン(OH)と、燃料とが反応して、電子(e)が生成する。生成した電子(e)は、燃料供給部材5から外部回路13を介して酸素供給部材6に移動され、酸素側電極3へ供給される。このような燃料側電極2および酸素側電極3における電気化学的反応によって、起電力が生じ、発電が行われる。 Then, if the above-described fuel is supplied to the fuel-side channel 7 of the fuel supply member 5 while supplying oxygen (air) to the oxygen-side channel 10 of the oxygen supply member 6, As described, the electrons (e ) generated in the fuel side electrode 2 and moving via the external circuit 13 react with water (H 2 O) and oxygen (O 2 ) to generate hydroxide ions. (OH ) is generated. The generated hydroxide ions (OH ) move from the oxygen side electrode 3 to the fuel side electrode 2 through the electrolyte layer 4 made of an anion exchange membrane. In the fuel-side electrode 2, the hydroxide ions (OH ) that have passed through the electrolyte layer 4 react with the fuel to generate electrons (e ). The generated electrons (e ) are moved from the fuel supply member 5 to the oxygen supply member 6 via the external circuit 13 and supplied to the oxygen side electrode 3. An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction in the fuel side electrode 2 and the oxygen side electrode 3, and power generation is performed.

そして、このような電気化学的反応には、燃料側電極2において、燃料に水酸化物イオン(OH)を直接反応させる一段反応と、燃料を、水素(H)と窒素(N)とに分解した後に、分解により生成した水素(H)に水酸化物イオン(OH)を反応させる二段反応との2種類の反応がある。 In such an electrochemical reaction, in the fuel side electrode 2, a one-stage reaction in which hydroxide ions (OH ) are directly reacted with the fuel, and the fuel is hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ). There are two types of reactions: a two-stage reaction in which a hydroxide ion (OH ) is reacted with hydrogen (H 2 ) generated by the decomposition.

例えば、燃料としてヒドラジン(NHNH)を用いた場合には、一段反応は、燃料側電極2、酸素側電極3および全体として、次の反応式(2)〜(4)で表すことができる。
(2) NHNH+4OH→4HO+N+4e (燃料側電極)
(3) O+2HO+4e→4OH (酸素側電極)
(4) NHNH+O→2HO+N (全体)
また、二段反応は、燃料側電極2、酸素側電極3および全体として、次の反応式(5)〜(8)で表すことができる。
(5) NHNH→2H+N (分解反応;燃料側電極)
(6) H+2OH→2HO+2e (燃料側電極)
(7) 1/2O+HO+2e→2OH (酸素側電極)
(8) H+1/2O→HO (全体)
上記反応式(5)に示すように、二段反応では、ヒドラジン(NHNH)が、一旦、水素(H)と窒素(N)とに分解するので、その分解反応のためのエネルギーロスを生じる。そのため、二段反応の一段反応に対する割合が多くなると、燃料利用効率の低下や発熱量の増加を招き、ひいては、発電性能の低下が不可避となる。
For example, when hydrazine (NH 2 NH 2 ) is used as the fuel, the one-stage reaction can be expressed by the following reaction formulas (2) to (4) as the fuel side electrode 2, the oxygen side electrode 3 and the whole. it can.
(2) NH 2 NH 2 + 4OH → 4H 2 O + N 2 + 4e (fuel side electrode)
(3) O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH (oxygen side electrode)
(4) NH 2 NH 2 + O 2 → 2H 2 O + N 2 (whole)
The two-stage reaction can be expressed by the following reaction formulas (5) to (8) as the fuel side electrode 2, the oxygen side electrode 3, and the whole.
(5) NH 2 NH 2 → 2H 2 + N 2 (decomposition reaction; fuel side electrode)
(6) H 2 + 2OH → 2H 2 O + 2e (fuel side electrode)
(7) 1 / 2O 2 + H 2 O + 2e → 2OH (oxygen side electrode)
(8) H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O (whole)
As shown in the above reaction formula (5), in the two-stage reaction, hydrazine (NH 2 NH 2 ) is once decomposed into hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ). Causes energy loss. For this reason, when the ratio of the two-stage reaction to the one-stage reaction is increased, the fuel utilization efficiency is decreased and the calorific value is increased.

しかし、この燃料電池1では、上記したように、燃料側電極2には、金属触媒として、ニッケル系金属と電子伝導性粒子とを含有するアノード触媒が含まれており、燃料側電極におけるニッケル系金属の含有割合が、ニッケル系金属および電子伝導性粒子の総量100質量部に対して、80質量部以上である。このアノード触媒は、燃料(上記の例ではヒドラジン)の分解反応(上記式(5)で示される分解反応)を抑制して、燃料の水酸化物イオン(OH)に対する直接反応(上記式(2)で示される反応)を促進することができる。それゆえ、燃料電池の燃料側電極における燃料の電気化学反応を活性化させることにより、燃料電池を高出力化することができ、発電性能を向上させることができる。 However, in the fuel cell 1, as described above, the fuel side electrode 2 includes an anode catalyst containing a nickel-based metal and electron conductive particles as a metal catalyst. The metal content is 80 parts by mass or more based on 100 parts by mass of the total amount of nickel-based metal and electron conductive particles. This anode catalyst suppresses the decomposition reaction (decomposition reaction represented by the above formula (5)) of the fuel (hydrazine in the above example) and directly reacts the fuel with hydroxide ions (OH ) (the above formula ( The reaction shown in 2) can be promoted. Therefore, by activating the electrochemical reaction of the fuel at the fuel side electrode of the fuel cell, the fuel cell can be increased in output and the power generation performance can be improved.

また、本発明のアノード触媒では、ニッケル系金属と電子伝導性粒子とを含有していることから、金属触媒として、ニッケル系金属のみを用いている場合と比べて、金属の使用量を低減させることができ、低コスト性の向上を図ることができる。   Moreover, since the anode catalyst of the present invention contains nickel-based metal and electron conductive particles, the amount of metal used is reduced as compared with the case where only nickel-based metal is used as the metal catalyst. Therefore, the cost can be improved.

さらに、燃料電池が高出力化されるため、燃料電池のセルスタック数を減らすことができ、燃料電池のコンパクト化(小型化)を図ることもできる。   Furthermore, since the output of the fuel cell is increased, the number of fuel cell stacks can be reduced, and the fuel cell can be made compact (downsized).

なお、この燃料電池1の運転条件は、特に限定されないが、例えば、燃料側電極2側の加圧が200kPa以下、好ましくは、100kPa以下であり、酸素側電極3側の加圧が200kPa以下、好ましくは、100kPa以下であり、燃料電池セルSの温度が0〜120℃、好ましくは、20〜80℃として設定される。   The operating conditions of the fuel cell 1 are not particularly limited. For example, the pressure on the fuel side electrode 2 side is 200 kPa or less, preferably 100 kPa or less, and the pressure on the oxygen side electrode 3 side is 200 kPa or less. Preferably, it is 100 kPa or less, and the temperature of the fuel cell S is set to 0 to 120 ° C., preferably 20 to 80 ° C.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜設計を変形することができる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, embodiment of this invention is not limited to this, A design can be suitably changed in the range which does not change the summary of this invention.

本発明の燃料電池の用途としては、例えば、自動車、船舶、航空機などにおける駆動用モータの電源や、携帯電話機などの通信端末における電源などが挙げられる。   Applications of the fuel cell of the present invention include, for example, power sources for driving motors in automobiles, ships, airplanes, etc., and power sources in communication terminals such as mobile phones.

次に、本発明を実施例および比較例に基づいて説明するが、本発明は、下記の実施例によって限定されるものではない。また、以下の説明において特に言及がない限り、「部」および「%」は質量基準である。なお、以下に示す実施例の数値は、実施形態において記載される対応する数値(すなわち、上限値または下限値)に代替することができる。
<アノード触媒組成物の合成>
(実施例1)
ニッケル系金属であるニッケル亜鉛合金(NiZn)(AQ672078、Ni:87質量%、Zn:13質量%、平均粒子径:3μm、Cabot社製)10mg、および、電子伝導性粒子であるケッチェンブラック(ケッチェンブラックECP−600JD、平均粒子径:0.05μm、Lion社製)1mgを、それぞれ、電子天秤を用いて秤量して、乳鉢に入れ、5分程度乳鉢棒で粉砕して、混和させ、アノード触媒Aを合成した。アノード触媒A中のニッケル系金属の含有割合は、ニッケル系金属および電子伝導性粒子の総量100質量部に対して、91質量部であった。
(実施例2)
ニッケル系金属であるニッケル亜鉛合金(NiZn)(AQ672078、Ni:87質量%、Zn:13質量%、平均粒子径:3μm、Cabot社製)10mg、および、電子伝導性粒子であるケッチェンブラック(ケッチェンブラックECP−600JD、平均粒子径:0.05μm、Lion社製)0.5mgを、それぞれ、電子天秤を用いて秤量して、乳鉢に入れ、5分程度乳鉢棒で粉砕して、混和させ、アノード触媒Bを合成した。アノード触媒B中のニッケル系金属の含有割合は、ニッケル系金属および電子伝導性粒子の総量100質量部に対して、95質量部であった。
(実施例3)
ニッケル系金属触媒であるニッケル亜鉛合金(NiZn)(AQ672078、Ni:87質量%、Zn:13質量%、平均粒子径:3μm、Cabot社製)10mg、および、電子伝導性粒子であるケッチェンブラック(ケッチェンブラックECP−600JD、平均粒子径:0.05μm、Lion社製)2mgを、それぞれ、電子天秤を用いて秤量して、乳鉢に入れ、5分程度乳鉢棒で粉砕して、混和させ、アノード触媒Cを合成した。アノード触媒C中のニッケル系金属の含有割合は、ニッケル系金属および電子伝導性粒子の総量100質量部に対して、83質量部であった。
(実施例4)
ニッケル系金属であるニッケル(Ni)(210H、平均粒子径:0.2μm、Inco社製)10mg、および、電子伝導性粒子であるケッチェンブラック(ケッチェンブラックECP−600JD、平均粒子径:0.05μm、Lion社製)1mgを、それぞれ、電子天秤を用いて秤量して、乳鉢に入れ、5分程度乳鉢棒で粉砕して、混和させ、アノード触媒Dを合成した。アノード触媒D中のニッケル系金属の含有割合は、ニッケル系金属および電子伝導性粒子の総量100質量部に対して、91質量部であった。
(実施例5)
硝酸ランタン六水和物(La(NO・6HO、キシダ化学社製)3.64g(ランタン換算:1.17g)および硝酸ニッケル六水和物(Ni(NO・6HO、キシダ化学社製)2.42g(ニッケル換算:0.49g)を50mlの純水に溶かして金属水溶液を調製した。次いで、調製した金属水溶液を、450rpmで攪拌しているテトラメチルアンモニウムヒドロキシド(C13NO、製品コード:T0676、東京化成工業社製)400ml中に5ml/minで供給し、その後、1時間以上攪拌して、沈澱(共沈物)を得た。その後、得られた沈殿を水洗して吸引濾過し、オーブンにおいて、110℃で12時間乾燥させた。次いで、得られた乾燥物を、大気雰囲気下、800℃で5時間焼成し、ニッケル系金属(ニッケル含有複合酸化物)であるLaNiO(平均粒子径:3μm)を得た。
Next, although this invention is demonstrated based on an Example and a comparative example, this invention is not limited by the following Example. In the following description, “part” and “%” are based on mass unless otherwise specified. In addition, the numerical value of the Example shown below can be substituted to the corresponding numerical value (namely, upper limit value or lower limit value) described in embodiment.
<Synthesis of anode catalyst composition>
Example 1
Nickel-based metal nickel-zinc alloy (NiZn) (AQ672078, Ni: 87% by mass, Zn: 13% by mass, average particle size: 3 μm, manufactured by Cabot) 10 mg, and ketjen black (Ek conductive particles) 1 mg of ketjen black ECP-600JD, average particle size: 0.05 μm, manufactured by Lion, respectively, was weighed using an electronic balance, put into a mortar, pulverized with a mortar for about 5 minutes, and mixed. Anode catalyst A was synthesized. The content ratio of the nickel-based metal in the anode catalyst A was 91 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the total amount of the nickel-based metal and the electron conductive particles.
(Example 2)
Nickel-based metal nickel-zinc alloy (NiZn) (AQ672078, Ni: 87% by mass, Zn: 13% by mass, average particle size: 3 μm, manufactured by Cabot) 10 mg, and ketjen black (Ek conductive particles) 0.5 mg of Ketjen Black ECP-600JD (average particle size: 0.05 μm, manufactured by Lion) was weighed using an electronic balance, placed in a mortar, ground with a mortar for about 5 minutes, and mixed. Thus, anode catalyst B was synthesized. The content ratio of the nickel-based metal in the anode catalyst B was 95 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the total amount of the nickel-based metal and the electron conductive particles.
(Example 3)
Nickel-based metal catalyst, nickel-zinc alloy (NiZn) (AQ672078, Ni: 87% by mass, Zn: 13% by mass, average particle size: 3 μm, manufactured by Cabot) 10 mg, and ketjen black, which is an electron conductive particle 2 mg (Ketjen Black ECP-600JD, average particle size: 0.05 μm, manufactured by Lion) are weighed using an electronic balance, put in a mortar, pulverized with a mortar for about 5 minutes, and mixed. Anode catalyst C was synthesized. The content ratio of the nickel-based metal in the anode catalyst C was 83 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the total amount of the nickel-based metal and the electron conductive particles.
Example 4
Nickel-based metal nickel (Ni) (210H, average particle size: 0.2 μm, manufactured by Inco) 10 mg and electron conductive particles Ketjen black (Ketjen black ECP-600JD, average particle size: 0) 0.05 mg, manufactured by Lion) was weighed using an electronic balance, put into a mortar, pulverized with a mortar stick for about 5 minutes, and mixed to synthesize anode catalyst D. The content ratio of the nickel-based metal in the anode catalyst D was 91 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the total amount of the nickel-based metal and the electron conductive particles.
(Example 5)
Lanthanum nitrate hexahydrate (La (NO 3) 3 · 6H 2 O, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) 3.64 g (lanthanum terms: 1.17 g) and nickel nitrate hexahydrate (Ni (NO 3) 2 · 6H 2 O, manufactured by Kishida chemical Co., Ltd.) 2.42 g (nickel terms: 0.49 g) to prepare a metallic aqueous solution dissolved in deionized water 50 ml. Next, the prepared aqueous metal solution was supplied at a rate of 5 ml / min into 400 ml of tetramethylammonium hydroxide (C 4 H 13 NO, product code: T0676, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) stirred at 450 rpm. The mixture was stirred for more than an hour to obtain a precipitate (coprecipitate). Thereafter, the obtained precipitate was washed with water, filtered with suction, and dried in an oven at 110 ° C. for 12 hours. Next, the obtained dried product was fired at 800 ° C. for 5 hours in an air atmosphere to obtain LaNiO 3 (average particle size: 3 μm) which is a nickel-based metal (nickel-containing composite oxide).

上記で得られたLaNiO(平均粒子径:3μm)10mg、および、電子伝導性粒子であるケッチェンブラック(ケッチェンブラックECP−600JD、平均粒子径:0.05μm、Lion社製)1mgを、それぞれ、電子天秤を用いて秤量して、乳鉢に入れ、5分程度乳鉢棒で粉砕して、混和させ、アノード触媒Eを合成した。アノード触媒E中のニッケル系金属の含有割合は、ニッケル系金属および電子伝導性粒子の総量100質量部に対して、91質量部であった。
(比較例1)
ニッケル系金属であるニッケル亜鉛合金(NiZn)(AQ672078、Ni:87質量%、Zn:13質量%、平均粒子径:3μm、Cabot社製)10mgを、電子天秤を用いて秤量して、乳鉢に入れ、5分程度乳鉢棒で粉砕して、アノード触媒Fを合成した。アノード触媒Fには、電子伝導性粒子は含有されていない。
(比較例2)
実施例5において得られたLaNiO(平均粒子径:3μm)10mgを、電子天秤を用いて秤量して、乳鉢に入れ、5分程度乳鉢棒で粉砕して、アノード触媒Gを合成した。アノード触媒Gには、電子伝導性粒子は含有されていない。
(比較例3)
硝酸ランタン六水和物(La(NO・6HO、キシダ化学社製)3.63g(ランタン換算:1.17g)および硝酸コバルト六水和物(Co(NO・6HO、キシダ化学社製)2.42g(コバルト換算:0.49g)を50mlの純水に溶かして金属水溶液を調製した。次いで、調製した金属水溶液を、450rpmで攪拌しているテトラメチルアンモニウムヒドロキシド(C13NO、製品コード:T0676、東京化成工業社製)400ml中に5ml/minで供給し、その後、1時間以上攪拌して、沈澱(共沈物)を得た。その後、得られた沈殿を水洗して吸引濾過し、オーブンにおいて、110℃で12時間乾燥させた。次いで、得られた乾燥物を、大気雰囲気下、800℃で5時間焼成し、複合酸化物であるLaCoO(平均粒子径:3μm)を得た。
10 mg of LaNiO 3 (average particle size: 3 μm) obtained above and 1 mg of Ketjen Black (Ketjen Black ECP-600JD, average particle size: 0.05 μm, manufactured by Lion), which is an electron conductive particle, Each was weighed using an electronic balance, placed in a mortar, pulverized with a mortar stick for about 5 minutes, and mixed to synthesize anode catalyst E. The content ratio of the nickel-based metal in the anode catalyst E was 91 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the total amount of the nickel-based metal and the electron conductive particles.
(Comparative Example 1)
A nickel-zinc alloy (NiZn) (AQ672078, Ni: 87% by mass, Zn: 13% by mass, average particle size: 3 μm, manufactured by Cabot Co.), 10 mg, which is a nickel-based metal, is weighed using an electronic balance and placed in a mortar. Anode catalyst F was synthesized by pulverizing with a mortar for about 5 minutes. The anode catalyst F does not contain electron conductive particles.
(Comparative Example 2)
10 mg of LaNiO 3 (average particle size: 3 μm) obtained in Example 5 was weighed using an electronic balance, placed in a mortar, and pulverized with a mortar bar for about 5 minutes to synthesize anode catalyst G. The anode catalyst G does not contain electron conductive particles.
(Comparative Example 3)
Lanthanum nitrate hexahydrate (La (NO 3) 3 · 6H 2 O, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) 3.63 g (lanthanum terms: 1.17 g) and cobalt nitrate hexahydrate (Co (NO 3) 2 · 6H 2 O, manufactured by Kishida chemical Co., Ltd.) 2.42 g (cobalt conversion: 0.49 g) to prepare a metallic aqueous solution dissolved in deionized water 50 ml. Next, the prepared aqueous metal solution was supplied at a rate of 5 ml / min into 400 ml of tetramethylammonium hydroxide (C 4 H 13 NO, product code: T0676, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) stirred at 450 rpm. The mixture was stirred for more than an hour to obtain a precipitate (coprecipitate). Thereafter, the obtained precipitate was washed with water, filtered with suction, and dried in an oven at 110 ° C. for 12 hours. Next, the obtained dried product was fired at 800 ° C. for 5 hours in an air atmosphere to obtain LaCoO 3 (average particle size: 3 μm) as a composite oxide.

上記で得られたLaCoO(平均粒子径:3μm)10mg、および、電子伝導性粒子であるケッチェンブラック(ケッチェンブラックECP−600JD、平均粒子径:0.05μm、Lion社製)1mgを、それぞれ、電子天秤を用いて秤量して、乳鉢に入れ、5分程度乳鉢棒で粉砕して、混和させ、アノード触媒Hを合成した。アノード触媒H中の複合酸化物の含有割合は、複合酸化物および電子伝導性粒子の総量100質量部に対して、91質量部であった。
(比較例4)
比較例3において得られたLaCoO(平均粒子径:3μm)10mgを、電子天秤を用いて秤量して、乳鉢に入れ、5分程度乳鉢棒で粉砕して、アノード触媒Iを合成した。アノード触媒Iには、電子伝導性粒子は含有されていない。
(比較例5)
硝酸ランタン六水和物(La(NO・6HO、キシダ化学社製)3.69g(ランタン換算:1.18g)および硝酸マンガン六水和物(Mn(NO・6HO、キシダ化学社製)2.42g(マンガン換算:0.46g)を50mlの純水に溶かして金属水溶液を調製した。次いで、調製した金属水溶液を、450rpmで攪拌しているテトラメチルアンモニウムヒドロキシド(C13NO、製品コード:T0676、東京化成工業社製)400ml中に5ml/minで供給し、その後、1時間以上攪拌して、沈澱(共沈物)を得た。その後、得られた沈殿を水洗して吸引濾過し、オーブンにおいて、110℃で12時間乾燥させた。次いで、得られた乾燥物を、大気雰囲気下、800℃で5時間焼成し、複合酸化物であるLaMnO(平均粒子径:3μm)を得た。
10 mg of LaCoO 3 (average particle size: 3 μm) obtained above and 1 mg of Ketjen Black (Ketjen Black ECP-600JD, average particle size: 0.05 μm, manufactured by Lion), which is an electron conductive particle, Each was weighed using an electronic balance, placed in a mortar, pulverized with a mortar stick for about 5 minutes, and mixed to synthesize anode catalyst H. The content ratio of the composite oxide in the anode catalyst H was 91 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the total amount of the composite oxide and the electron conductive particles.
(Comparative Example 4)
10 mg of LaCoO 3 (average particle size: 3 μm) obtained in Comparative Example 3 was weighed using an electronic balance, placed in a mortar, and ground with a mortar bar for about 5 minutes to synthesize anode catalyst I. The anode catalyst I does not contain electron conductive particles.
(Comparative Example 5)
Lanthanum nitrate hexahydrate (La (NO 3) 3 · 6H 2 O, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) 3.69 g (lanthanum terms: 1.18 g) and manganese nitrate hexahydrate (Mn (NO 3) 2 · 6H 2 O, manufactured by Kishida chemical Co.) 2.42 g (manganese terms: 0.46 g) to prepare a metallic aqueous solution dissolved in deionized water 50 ml. Next, the prepared aqueous metal solution was supplied at a rate of 5 ml / min into 400 ml of tetramethylammonium hydroxide (C 4 H 13 NO, product code: T0676, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) stirred at 450 rpm. The mixture was stirred for more than an hour to obtain a precipitate (coprecipitate). Thereafter, the obtained precipitate was washed with water, filtered with suction, and dried in an oven at 110 ° C. for 12 hours. Next, the obtained dried product was fired at 800 ° C. for 5 hours in an air atmosphere to obtain LaMnO 3 (average particle size: 3 μm) as a composite oxide.

上記で得られたLaMnO(平均粒子径:3μm)10mg、および、電子伝導性粒子であるケッチェンブラック(ケッチェンブラックECP−600JD、平均粒子径:0.05μm、Lion社製)1mgを、それぞれ、電子天秤を用いて秤量して、乳鉢に入れ、5分程度乳鉢棒で粉砕して、混和させ、アノード触媒Jを合成した。アノード触媒J中の複合酸化物の含有割合は、複合酸化物および電子伝導性粒子の総量100質量部に対して、91質量部であった。
(比較例6)
比較例5において得られたLaMnO(平均粒子径:3μm)10mgを、電子天秤を用いて秤量して、乳鉢に入れ、5分程度乳鉢棒で粉砕して、アノード触媒Kを合成した。アノード触媒Kには、電子伝導性粒子は含有されていない。
10 mg of LaMnO 3 (average particle size: 3 μm) obtained above and 1 mg of Ketjen Black (Ketjen Black ECP-600JD, average particle size: 0.05 μm, manufactured by Lion), which is an electron conductive particle, Each was weighed using an electronic balance, placed in a mortar, pulverized with a mortar stick for about 5 minutes, and mixed to synthesize anode catalyst J. The content ratio of the composite oxide in the anode catalyst J was 91 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the total amount of the composite oxide and the electron conductive particles.
(Comparative Example 6)
10 mg of LaMnO 3 (average particle size: 3 μm) obtained in Comparative Example 5 was weighed using an electronic balance, placed in a mortar, and ground with a mortar bar for about 5 minutes to synthesize anode catalyst K. The anode catalyst K does not contain electron conductive particles.

(評価)
各実施例および各比較例において得られたアノード触媒を用いて、各実施例および各比較例それぞれのアノード触媒を含む燃料側電極のテストピースを作製して、その活性を測定した。また、実施例1および比較例1により得られたアノード触媒を含む燃料側電極を用いて、燃料電池を製造して、そのセル発電特性を測定した。
<テストピースの作製>
純水3.2mL、2−プロパノール0.6mL、テトラヒドロフラン0.184mLおよびアニオン交換形アイオノマー(A3、アイオノマー濃度:2質量%、溶媒(テトラヒドロフラン:1−プロパノール=1:1(質量比))、トクヤマ社製)16μLの混合溶液に各実施例および各比較例のアノード触媒0.004gを加え、超音波分散器にて5分間、分散処理した。
(Evaluation)
Using the anode catalyst obtained in each example and each comparative example, a test piece of a fuel side electrode including the anode catalyst of each example and each comparative example was prepared, and its activity was measured. In addition, a fuel cell was manufactured using the fuel-side electrode containing the anode catalyst obtained in Example 1 and Comparative Example 1, and the cell power generation characteristics were measured.
<Production of test piece>
Pure water 3.2 mL, 2-propanol 0.6 mL, tetrahydrofuran 0.184 mL and anion exchange ionomer (A3, ionomer concentration: 2 mass%, solvent (tetrahydrofuran: 1-propanol = 1: 1 (mass ratio)), Tokuyama 0.004 g of the anode catalyst of each example and each comparative example was added to 16 μL of the mixed solution, and the mixture was subjected to dispersion treatment for 5 minutes using an ultrasonic disperser.

その後、得られた分散液をマイクロピペットにて20μL取り、電気化学活性評価用の作用電極(グラシーカーボン電極)上に滴下し、60℃、待機雰囲気下で約1時間乾燥させた。これにより、各実施例および各比較例それぞれのアノード触媒を含む燃料側電極のテストピースを得た。
<活性測定>
電解液として1MのKOHと0.1Mの水加ヒドラジンとの混合液を調製し、50mlガラスセル(PINE社製)に入れ、アルゴンガスで約15分間脱気した。次いで、そのガラスセルに参照電極、補助電極および各テストピースをセットした。次いで、3つの電極にポテンシオスタット(ALS660a、CH Instruments社製)を接続し、回転ディスク電極による電気化学測定法(サイクリックボルタンメトリー)により、ヒドラジンの酸化活性を測定した。なお、電位の走査範囲は、−1.2V(vs.Hg/HgO)〜−0.2V(vs.Hg/HgO)であり、電極回転数は1600rpmであった。
Thereafter, 20 μL of the obtained dispersion was taken with a micropipette, dropped onto a working electrode for evaluating electrochemical activity (glassy carbon electrode), and dried at 60 ° C. in a standby atmosphere for about 1 hour. As a result, a fuel-side electrode test piece including the anode catalyst of each example and each comparative example was obtained.
<Activity measurement>
A mixed solution of 1M KOH and 0.1M hydrazine as an electrolytic solution was prepared, put into a 50 ml glass cell (manufactured by PINE), and degassed with argon gas for about 15 minutes. Subsequently, the reference electrode, the auxiliary electrode, and each test piece were set in the glass cell. Subsequently, potentiostat (ALS660a, manufactured by CH Instruments) was connected to the three electrodes, and the hydrazine oxidation activity was measured by an electrochemical measurement method (cyclic voltammetry) using a rotating disk electrode. The scanning range of the potential was −1.2 V (vs. Hg / HgO) to −0.2 V (vs. Hg / HgO), and the electrode rotation speed was 1600 rpm.

測定条件を以下に示す。
初期電位;−1.2V (vs.Hg/HgO)
参照電極;Hg/HgO
補助電極;Pt板
スキャンスピード;0.02V/s
セグメント;4回
その結果を図2〜図6に示す。
<燃料電池の製造>
アニオン交換膜−電極接合体のセルユニットを製造して、そのセル発電特性を測定した。
The measurement conditions are shown below.
Initial potential: -1.2 V (vs. Hg / HgO)
Reference electrode; Hg / HgO
Auxiliary electrode; Pt plate scanning speed; 0.02 V / s
Segment: 4 times The results are shown in FIGS.
<Manufacture of fuel cells>
A cell unit of an anion exchange membrane-electrode assembly was produced, and its cell power generation characteristics were measured.

アニオン交換膜−電極接合体の製造では、まず、実施例1または比較例1のアノード触媒組成物0.15g、アニオン交換形アイオノマー(A3とAS4との混合溶液、アイオノマー濃度:2質量%、溶媒(テトラヒドロフラン:1−プロパノール=1:1(質量比))、トクヤマ社製)0.831gおよび1−プロパノールとテトラヒドロフランとの混合溶液(1−プロパノール:テトラヒドロフラン=1:1(質量比))1.5gを混合して、各アノード電極インクを調製した。   In the production of the anion exchange membrane-electrode assembly, first, 0.15 g of the anode catalyst composition of Example 1 or Comparative Example 1, an anion exchange ionomer (mixed solution of A3 and AS4, ionomer concentration: 2% by mass, solvent) (Tetrahydrofuran: 1-propanol = 1: 1 (mass ratio)), manufactured by Tokuyama) 0.831 g and a mixed solution of 1-propanol and tetrahydrofuran (1-propanol: tetrahydrofuran = 1: 1 (mass ratio)) Each anode electrode ink was prepared by mixing 5 g.

次いで、トリス(フェナントロリン)鉄(II)錯体(TSP06、フェナントロリンFe錯体触媒、ダイハツ工業社製)0.1g、アニオン交換形アイオノマー((A3とAS4との混合溶液、アイオノマー濃度:2質量%、溶媒(テトラヒドロフラン:1−プロパノール=1:1(質量比))、トクヤマ社製)1.0032gおよび1−プロパノールとテトラヒドロフランとの混合溶液(テトラヒドロフラン:1−プロパノール=1:1(質量比))2.0gを混合して、カソード電極インクを調製した。   Next, 0.1 g of tris (phenanthroline) iron (II) complex (TSP06, phenanthroline Fe complex catalyst, manufactured by Daihatsu Kogyo Co., Ltd.), anion exchange ionomer ((mixed solution of A3 and AS4, ionomer concentration: 2% by mass, solvent) (Tetrahydrofuran: 1-propanol = 1: 1 (mass ratio)), manufactured by Tokuyama) 1.0032 g and a mixed solution of 1-propanol and tetrahydrofuran (tetrahydrofuran: 1-propanol = 1: 1 (mass ratio)) 0 g was mixed to prepare a cathode electrode ink.

さらに、アニオン交換形電解質膜(A201CE トクヤマ社製)の一方側表面にアノード触媒の量が2.6mg/cmとなるようにアノード電極インクを、他方側表面にカソード触媒の量が1.0mg/cmとなるようにカソード電極インクを、それぞれ乾燥後の表面の面積が2cmとなるように塗布して、各アニオン交換膜−電極接合体を製造した。 Furthermore, the anode electrode ink was placed on one side surface of the anion exchange type electrolyte membrane (A201CE Tokuyama Co., Ltd.) so that the amount of the anode catalyst was 2.6 mg / cm 2, and the amount of the cathode catalyst was 1.0 mg on the other side surface. the cathode ink so that / cm 2, the area of each the dried surface was coated to a 2 cm 2, the anion exchange membrane - was prepared electrode assembly.

その後、溶媒を大気中で蒸発させ、得られた各アニオン交換膜−電極接合体を1MのKOHに12時間以上浸漬させた。
<セル発電特性の測定>
燃料電池評価セル(ラボセル、ダイハツ工業社製)に各アニオン交換膜−電極接合体をセットして、アノード側へ1MのKOHと20体積%濃度の水加ヒドラジンとの混合溶液を、カソード側へ空気を、それぞれ2cc/minおよび0.5L/minの流速で供給して、電子負荷装置(890e、Scribner Associates社製)で電流密度を制御して、そのときのセルの電圧を測定した。
Thereafter, the solvent was evaporated in the air, and each of the obtained anion exchange membrane-electrode assemblies was immersed in 1M KOH for 12 hours or more.
<Measurement of cell power generation characteristics>
Each anion exchange membrane-electrode assembly is set in a fuel cell evaluation cell (Lab cell, manufactured by Daihatsu Kogyo Co., Ltd.), and a mixed solution of 1M KOH and 20% by volume hydrated hydrazine is supplied to the anode side. Air was supplied at a flow rate of 2 cc / min and 0.5 L / min, respectively, and the current density was controlled with an electronic load device (890e, manufactured by Scriber Associates), and the voltage of the cell at that time was measured.

測定条件を以下に示す。
セル温度;80℃
背圧;アノード:10kPa、カソード:60kPa
その結果を図7に示す。
The measurement conditions are shown below.
Cell temperature: 80 ° C
Back pressure; anode: 10 kPa, cathode: 60 kPa
The result is shown in FIG.

2 燃料側電極
3 酸素側電極
4 電解質層
S 燃料電池セル
2 Fuel side electrode 3 Oxygen side electrode 4 Electrolyte layer S Fuel cell

Claims (2)

液体燃料が供給される燃料電池のアノード触媒であって、
ニッケル系金属と、電子伝導性粒子とを含有し、
前記ニッケル系金属および前記電子伝導性粒子の総量100質量部に対して、ニッケル系金属が80質量部以上含まれていることを特徴とする、アノード触媒。
An anode catalyst for a fuel cell supplied with liquid fuel,
Containing nickel-based metal and electron conductive particles,
An anode catalyst comprising 80 parts by mass or more of a nickel-based metal with respect to 100 parts by mass of the total amount of the nickel-based metal and the electron conductive particles.
前記ニッケル系金属と前記電子伝導性粒子とを物理的に混合することにより得られることを特徴とする、請求項1に記載のアノード触媒。   The anode catalyst according to claim 1, wherein the anode catalyst is obtained by physically mixing the nickel-based metal and the electron conductive particles.
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