JP2016033894A - Membrane-electrode assembly - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane-electrode assembly which enables the improvement of a fuel cell in endurance.SOLUTION: In a membrane-electrode assembly, at least one of an anion exchange type solid polymer fuel cell electrolytic film 4, an anode electrode 2 and a cathode electrode 3 includes a peroxide decomposing catalyst selected from manganese and an alloy including manganese, and at least one of their oxides.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、膜電極接合体、詳しくは、固体高分子型燃料電池などの燃料電池に用いられる膜電極接合体に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly, and more particularly to a membrane electrode assembly used in a fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell.

従来、燃料電池として、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、各種燃料電池が知られている。これらの燃料電池は、例えば、自動車用途など、各種用途での使用が検討されている。   Conventionally, various 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 as fuel cells. Yes. These fuel cells are being studied for use in various applications such as automobile applications.

このような固体高分子型燃料電池として、例えば、固体高分子膜からなる電解質膜と、電解質膜の一方面に形成される燃料側電極(アノード)と、電解質膜の他方面に形成される酸素側電極(カソード)とを一体的に有する膜電極接合体を備える燃料電池が知られている(例えば、特許文献1参照。)。   Examples of such a polymer electrolyte fuel cell include an electrolyte membrane made of a solid polymer membrane, a fuel side electrode (anode) formed on one surface of the electrolyte membrane, and oxygen formed on the other surface of the electrolyte membrane. A fuel cell including a membrane electrode assembly integrally including a side electrode (cathode) is known (see, for example, Patent Document 1).

このような燃料電池では、アノードに燃料が供給されるとともに、カソードに空気が供給されることによって、アノード−カソード間に起電力が発生して、発電が行われる。   In such a fuel cell, fuel is supplied to the anode and air is supplied to the cathode, so that an electromotive force is generated between the anode and the cathode to generate electric power.

特開2012−157811号公報JP 2012-157811 A

しかるに、上記した特許文献1に記載の燃料電池において、さらなる耐久性の向上が検討されている。   However, in the fuel cell described in Patent Document 1 described above, further improvement in durability has been studied.

そこで、本発明の目的は、燃料電池の耐久性の向上を図ることができる膜電極接合体を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly capable of improving the durability of a fuel cell.

本発明の膜電極接合体は、アニオン交換型の電解質膜と、前記電解質膜の一方面に形成されるアノード電極と、前記電解質膜の他方面に形成されるカソード電極とを備え、前記電解質膜、前記アノード電極および前記カソード電極の少なくともいずれか1つが、マンガン、マンガンを含有する合金、および、それらの酸化物の少なくともいずれか1つから選択される過酸化物分解触媒を含有することを特徴としている。   The membrane electrode assembly of the present invention comprises an anion exchange type electrolyte membrane, an anode electrode formed on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode electrode formed on the other surface of the electrolyte membrane, And at least one of the anode electrode and the cathode electrode contains a peroxide decomposition catalyst selected from manganese, an alloy containing manganese, and at least one of oxides thereof. It is said.

本発明の膜電極接合体によれば、電解質膜、アノード電極およびカソード電極の少なくともいずれか1つが、過酸化物分解触媒として、マンガン、マンガンを含有する合金、および、それらの酸化物の少なくともいずれか1つを含有している。   According to the membrane electrode assembly of the present invention, at least one of the electrolyte membrane, the anode electrode, and the cathode electrode is manganese, an alloy containing manganese, and at least one of those oxides as a peroxide decomposition catalyst. Contains one of them.

そのため、カソード電極における酸素の還元反応の副反応によって生じる過酸化物を分解することができる。   Therefore, the peroxide generated by the side reaction of the oxygen reduction reaction at the cathode electrode can be decomposed.

その結果、膜電極接合体が過酸化物によって劣化することを抑制できる。   As a result, it can suppress that a membrane electrode assembly deteriorates with a peroxide.

これにより、本発明の膜電極接合体の耐久性の向上を図ることができ、ひいては、燃料電池の耐久性の向上を図ることができる。   Thereby, the durability of the membrane electrode assembly of the present invention can be improved, and as a result, the durability of the fuel cell can be improved.

図1は、本発明の膜電極接合体が用いられる燃料電池の概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell in which the membrane electrode assembly of the present invention is used. 図2は、実施例の膜電極接合体を用いた燃料電池評価セルのアノード電位、カソード電位およびセル電圧の経時変化を示す。FIG. 2 shows changes over time in the anode potential, cathode potential, and cell voltage of a fuel cell evaluation cell using the membrane electrode assembly of the example. 図3は、比較例の膜電極接合体を用いた燃料電池評価セルのアノード電位、カソード電位およびセル電圧の経時変化を示す。FIG. 3 shows changes with time in the anode potential, cathode potential, and cell voltage of the fuel cell evaluation cell using the membrane electrode assembly of the comparative example. 図4は、実施例および比較例のそれぞれの膜電極接合体を用いた燃料電池評価セルの定格時出力の経時変化を示す。FIG. 4 shows the change over time in the rated output of the fuel cell evaluation cell using the membrane electrode assemblies of Examples and Comparative Examples.

1.燃料電池
図1は、本発明の膜電極接合体が用いられる燃料電池の概略構成図である。
1. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell in which the membrane electrode assembly of the present invention is used.

燃料電池1は、固体高分子型燃料電池であって、複数の燃料電池セルSを備えており、これらの燃料電池セルSが積層されたスタック構造として形成されている。なお、図1においては、図解しやすいように1つの燃料電池セルSのみを示している。   The fuel cell 1 is a polymer electrolyte fuel cell, and includes a plurality of fuel cells S, and is formed as a stack structure in which these fuel cells S are stacked. In FIG. 1, only one fuel cell S is shown for easy illustration.

燃料電池セルSは、膜電極接合体Aと、燃料供給部材5と、酸素供給部材6とを備えている。   The fuel cell S includes a membrane electrode assembly A, a fuel supply member 5, and an oxygen supply member 6.

膜電極接合体Aは、電解質層4と、アノード電極2と、カソード電極3とを備えている。   The membrane electrode assembly A includes an electrolyte layer 4, an anode electrode 2, and a cathode electrode 3.

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、カソード電極3で生成されるアニオン成分としての水酸化物イオン(OH)を、カソード電極3からアノード電極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 capable of moving hydroxide ions (OH ) as anion components generated at the cathode electrode 3 from the cathode electrode 3 to the anode electrode 2. Examples thereof include a solid polymer membrane (anion exchange resin) having an anion exchange group such as a quaternary ammonium group and a pyridinium group.

アノード電極2は、例えば、触媒を担持した触媒担体などの電極材料により、電解質層4の一方の面に形成されている。また、触媒担体を用いずに、電極材料として触媒粒子を用い、その触媒粒子を、直接、アノード電極2として形成してもよい。   The anode electrode 2 is formed on one surface of the electrolyte layer 4 by an electrode material such as a catalyst carrier carrying a catalyst. Further, without using the catalyst carrier, catalyst particles may be used as the electrode material, and the catalyst particles may be directly formed as the anode electrode 2.

触媒としては、特に制限されず、例えば、白金族元素(ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt))、鉄族元素(鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni))などの周期表(IUPAC Periodic Table of the Elements(version date 22 June 2007)に従う。以下同じ。)第8〜10(VIII)族元素や、例えば、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)などの周期表第11(IB)族元素、さらには亜鉛(Zn)などの金属単体や、それらの合金などが挙げられる。   The catalyst is not particularly limited, and examples thereof include platinum group elements (ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt)), iron group elements ( According to a periodic table such as iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)) (IUPAC Periodic Table of the Elements (version date 22 June 2007), the same applies hereinafter) Group 8 to 10 (VIII) elements, For example, periodic table 11th group (IB) elements, such as copper (Cu), silver (Ag), and gold (Au), and simple metals such as zinc (Zn), and alloys thereof may be used.

これらは、単独使用または2種以上併用することができる。   These can be used alone or in combination of two or more.

触媒担体としては、例えば、カーボンなどの多孔質物質が挙げられる。触媒の触媒担体に対する担持量は、特に制限されず、目的および用途に応じて、適宜設定される。   Examples of the catalyst carrier include porous substances such as carbon. The amount of the catalyst supported on the catalyst carrier is not particularly limited, and is appropriately set according to the purpose and application.

アノード電極2を作製するには、例えば、まず、上記した触媒とアイオノマーを有機溶媒中に分散させて分散液を調製する。次いで、分散液を、電解質層4の一方の面に塗布し、乾燥して、アノード電極2を得る。   In order to produce the anode electrode 2, for example, first, the above-described catalyst and ionomer are dispersed in an organic solvent to prepare a dispersion. Next, the dispersion is applied to one surface of the electrolyte layer 4 and dried to obtain the anode electrode 2.

アイオノマーとしては、例えば、アニオン交換基を有するアニオン交換樹脂などが挙げられる。   Examples of the ionomer include an anion exchange resin having an anion exchange group.

有機溶媒としては、例えば、溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノールなどの低級アルコール類、例えば、テトラヒドロフランなどのエーテル類、水など、公知の溶媒が挙げられる。これら溶媒は、単独使用または2種類以上併用することができる。   Examples of the organic solvent include known solvents such as lower alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, and 2-propanol, ethers such as tetrahydrofuran, and water. These solvents can be used alone or in combination of two or more.

アノード電極2において、電解質層4に対する触媒の付着量は、例えば、0.01mg/cm以上、例えば、10mg/cm以下である。 In the anode electrode 2, the amount of the catalyst attached to the electrolyte layer 4 is, for example, 0.01 mg / cm 2 or more, for example, 10 mg / cm 2 or less.

アノード電極2の厚みは、例えば、10μm以上、好ましくは、20μm以上であり、また、例えば、200μm以下、好ましくは、100μm以下である。   The thickness of the anode electrode 2 is, for example, 10 μm or more, preferably 20 μm or more, and for example, 200 μm or less, preferably 100 μm or less.

カソード電極3は、上記した触媒の代わりに、後述する酸素還元触媒を用いて、電解質層4の他方の面(アノード電極2が形成される面とは反対側の面)に後述する方法により形成されている。   The cathode electrode 3 is formed by the method described later on the other surface of the electrolyte layer 4 (the surface opposite to the surface on which the anode electrode 2 is formed) using an oxygen reduction catalyst described later instead of the above-described catalyst. Has been.

また、カソード電極3の厚みは、例えば、0.1μm以上、好ましくは、1μm以上であり、また、例えば、100μm以下、好ましくは、10μm以下である。   The thickness of the cathode electrode 3 is, for example, 0.1 μm or more, preferably 1 μm or more, and for example, 100 μm or less, preferably 10 μm or less.

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、アノード電極2に対向接触されている。燃料供給部材5には、アノード電極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。また、燃料供給部材5には、その上流側端部および下流側端部に、燃料側流路7に連通する供給口8および排出口9が形成されている。   The fuel supply member 5 is made of a gas-impermeable conductive member, and one surface thereof is opposed to the anode electrode 2. In the fuel supply member 5, a fuel-side flow path 7 for bringing fuel into contact with the entire anode electrode 2 is formed as a distorted groove that is recessed from one surface. In addition, the fuel supply member 5 has a supply port 8 and a discharge port 9 communicating with the fuel-side flow path 7 at its upstream end and downstream end.

酸素供給部材6は、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、カソード電極3に対向接触されている。酸素供給部材6には、カソード電極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。また、酸素供給部材6には、その上流側端部および下流側端部に、酸素側流路10に連通する供給口11および排出口12が形成されている。   Similar to the fuel supply member 5, the oxygen supply member 6 is made of a gas-impermeable conductive member, and one surface thereof is in contact with the cathode electrode 3. In the oxygen supply member 6, an oxygen-side flow path 10 for bringing oxygen (air) into contact with the entire cathode electrode 3 is formed as a twisted groove recessed from one surface. The oxygen supply member 6 has a supply port 11 and a discharge port 12 communicating with the oxygen-side flow path 10 at the upstream end portion and the downstream end portion thereof.

そして、この燃料電池1では、燃料化合物を含む燃料が、燃料供給部材5の供給口8を介して燃料側流路7に供給され、酸素(空気)が、酸素供給部材6の供給口11を介して酸素側流路10に供給される。   In the fuel cell 1, the fuel containing the fuel compound is supplied to the fuel side flow path 7 through the supply port 8 of the fuel supply member 5, and oxygen (air) passes through the supply port 11 of the oxygen supply member 6. To the oxygen-side flow path 10.

燃料化合物としては、例えば、メタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのアルキル基を有するエーテル類、ヒドラジン類などが挙げられ、好ましくは、アルコール類およびヒドラジン類が挙げられ、さらに好ましくは、ヒドラジン類が挙げられる。   Examples of the fuel compound include alcohols such as methanol, ethers having an alkyl group such as dimethyl ether, hydrazines, and the like, preferably alcohols and hydrazines, and more preferably hydrazines. It is done.

ヒドラジン類としては、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)、塩酸ヒドラジン(NHNH・HCl)、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)などが挙げられる。 Examples of hydrazines include hydrazine (NH 2 NH 2 ), hydrated hydrazine (NH 2 NH 2 .H 2 O), hydrazine carbonate ((NH 2 NH 2 ) 2 CO 2 ), and hydrazine hydrochloride (NH 2 NH 2). HCl), hydrazine sulfate (NH 2 NH 2 .H 2 SO 4 ), monomethyl hydrazine (CH 3 NHNH 2 ), dimethyl hydrazine ((CH 3 ) 2 NNH 2 , CH 3 NHNHCH 3 ), carboxylic hydrazide ((NHNH 2 ) 2 CO).

このようなヒドラジン類のうち、好ましくは、炭素を含まないヒドラジン類、すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなどが挙げられる。ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなどは、COおよびCOの生成がなく、触媒の被毒が生じないことから、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 such hydrazines, preferably, hydrazines containing no carbon, that is, hydrazine, hydrated hydrazine, hydrazine sulfate, and the like. Hydrazine, hydrated hydrazine, hydrazine sulfate, etc. do not generate CO and CO 2 and do not cause poisoning of the catalyst. Therefore, durability can be improved and substantially zero emission can be realized. it can.

このような燃料成分は、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。   Such fuel components can be used alone or in combination of two or more.

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。   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.

そして、例えば、電解質膜4がアニオン交換型の固体高分子膜であり、燃料化合物がヒドラジンである場合には、下記式(1)〜(3)の電気化学反応が生じ、起電力が発生する。
(1) N+4OH→N+4HO+4e (アノード電極2での反応)
(2) O+2HO+4e→4OH (カソード電極3での反応)
(3) N+O→N+2HO (燃料電池1全体での反応)
すなわち、アノード電極2では、ヒドラジン(N)とカソード電極3での反応で生成した水酸化物イオン(OH)とが反応して、窒素(N)および水(HO)が生成するとともに、電子(e)が発生する(上記式(1)参照)。
For example, when the electrolyte membrane 4 is an anion exchange type solid polymer membrane and the fuel compound is hydrazine, an electrochemical reaction of the following formulas (1) to (3) occurs and an electromotive force is generated. .
(1) N 2 H 4 + 4OH → N 2 + 4H 2 O + 4e (reaction at anode electrode 2)
(2) O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH (reaction at cathode electrode 3)
(3) N 2 H 4 + O 2 → N 2 + 2H 2 O (reaction in the entire fuel cell 1)
That is, in the anode electrode 2, hydrazine (N 2 H 4 ) reacts with hydroxide ions (OH ) generated by the reaction at the cathode electrode 3 to react with nitrogen (N 2 ) and water (H 2 O). Are generated and electrons (e ) are generated (see the above formula (1)).

一方、カソード電極3では、電子(e)と、外部からの供給もしくは燃料電池1での反応で生成した水(HO)と、酸素(O)とが反応して、水酸化物イオン(OH)が生成する(上記式(2)参照)。生成した水酸化物イオン(OH)は、電解質膜4を通過してアノード電極2に供給される。 On the other hand, at the cathode electrode 3, electrons (e ), water (H 2 O) generated by reaction from the outside or the fuel cell 1, and oxygen (O 2 ) react to generate hydroxide. Ion (OH ) is generated (see the above formula (2)). The generated hydroxide ions (OH ) pass through the electrolyte membrane 4 and are supplied to the anode electrode 2.

このような電気化学的反応が連続的に生じることによって、燃料電池1全体として上記式(3)で表わされる反応が生じて、起電力が発生する。   When such an electrochemical reaction occurs continuously, the reaction represented by the above formula (3) occurs in the fuel cell 1 as a whole, and an electromotive force is generated.

2.膜電極接合体
上記した膜電極接合体Aは、カソード電極3において、過酸化物分解活性を有する過酸化物分解触媒を含有している。
2. Membrane electrode assembly The membrane electrode assembly A described above contains a peroxide decomposition catalyst having peroxide decomposition activity in the cathode electrode 3.

詳しくは、カソード電極3の酸素還元触媒は、酸素還元活性を有する第1成分と、過酸化物分解触媒としての第2成分とを含有している。   Specifically, the oxygen reduction catalyst of the cathode electrode 3 contains a first component having oxygen reduction activity and a second component as a peroxide decomposition catalyst.

第1成分は、例えば、遷移金属に有機化合物が配位した遷移金属錯体の焼成体や、導電性高分子とカーボンとからなるカーボンコンポジットに遷移金属が担持された複合体が挙げられる。   Examples of the first component include a fired body of a transition metal complex in which an organic compound is coordinated to a transition metal, and a composite in which a transition metal is supported on a carbon composite composed of a conductive polymer and carbon.

遷移金属としては、例えば、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、ランタン(La)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、金(Au)などが挙げられる。   Examples of the transition metal include scandium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu ), Yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), technetium (Tc), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), silver (Ag), lanthanum (La) ), Hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), rhenium (Re), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), gold (Au), and the like.

遷移金属に配位する有機化合物としては、例えば、ピロール、ポルフィリン、テトラメトキシフェニルポルフィリン、ジベンゾテトラアザアヌレン、フタロシアニン、コリン、クロリン、フェナントロリン、サルコミン、ナイカルバジン、またはこれらの重合体が挙げられる。   Examples of the organic compound coordinated to the transition metal include pyrrole, porphyrin, tetramethoxyphenylporphyrin, dibenzotetraazaannulene, phthalocyanine, choline, chlorin, phenanthroline, salcomine, nicarbazine, and polymers thereof.

導電性高分子としては、上記の有機化合物と重複する化合物もあるが、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリビニルカルバゾール、ポリトリフェニルアミン、ポリピリジン、ポリピリミジン、ポリキノキサリン、ポリフェニルキノキサリン、ポリイソチアナフテン、ポリピリジンジイル、ポリチエニレン、ポリパラフェニレン、ポリフルラン、ポリアセン、ポリフラン、ポリアズレン、ポリインドール、ポリジアミノアントラキノンなどが挙げられる。   As the conductive polymer, there is a compound overlapping with the above organic compound, for example, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyvinylcarbazole, polytriphenylamine, polypyridine, polypyrimidine, polyquinoxaline, polyphenylquinoxaline, polyphenyl Examples include isothianaphthene, polypyridinediyl, polythienylene, polyparaphenylene, polyflurane, polyacene, polyfuran, polyazulene, polyindole, and polydiaminoanthraquinone.

第1成分としては、好ましくは、鉄に有機化合物が配位した鉄錯体の焼成体が挙げられる。第1成分は、単独使用または2種以上併用することができる。   The first component is preferably a fired body of an iron complex in which an organic compound is coordinated to iron. The first component can be used alone or in combination of two or more.

第1成分は、酸素還元触媒中に、例えば、50重量%以上、好ましくは、70重量%以上、例えば、99重量%以下、好ましくは、90重量%以下、含まれる。   The first component is contained in the oxygen reduction catalyst, for example, 50% by weight or more, preferably 70% by weight or more, for example, 99% by weight or less, preferably 90% by weight or less.

第1成分を調製するには、例えば、第1成分が遷移金属錯体の焼成体である場合、遷移金属の塩(例えば、硫酸塩、硝酸塩、塩化物、りん酸塩などの無機塩、例えば、酢酸塩、しゅう酸塩などの有機酸塩など)と、有機化合物とを、例えば、水、アルコール、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、ハロゲン化炭化水素、ニトリル類などの公知の溶媒中で混合することにより、遷移金属錯体を製造することができる。   To prepare the first component, for example, when the first component is a fired product of a transition metal complex, a salt of a transition metal (for example, an inorganic salt such as sulfate, nitrate, chloride, phosphate, An organic acid salt such as acetate and oxalate) and an organic compound in a known solvent such as water, alcohol, aliphatic hydrocarbon, aromatic hydrocarbon, halogenated hydrocarbon, and nitrile. By mixing, a transition metal complex can be produced.

このように調製された遷移金属錯体の溶液または分散液を、必要により乾燥し、次いで、焼成する。   The solution or dispersion of the transition metal complex thus prepared is dried if necessary and then calcined.

焼成では、例えば、不活性ガス(例えば、窒素ガス、アルゴンガスなど)や、還元ガス(例えば、窒素ガスおよび水素ガスの混合ガス)雰囲気下において加熱する。   In the firing, for example, heating is performed in an atmosphere of an inert gas (for example, nitrogen gas, argon gas, or the like) or a reducing gas (for example, a mixed gas of nitrogen gas and hydrogen gas).

また、焼成温度は、例えば、850℃以上、好ましくは、900℃以上であり、また、例えば、1500℃以下である。焼成時間は、例えば、1時間以上であり、また、例えば、10時間以下、好ましくは、5時間以下である。   Moreover, a calcination temperature is 850 degreeC or more, for example, Preferably, it is 900 degreeC or more, for example, is 1500 degrees C or less. The firing time is, for example, 1 hour or longer, and for example, 10 hours or shorter, preferably 5 hours or shorter.

なお、遷移金属錯体は、一段階または多段階で焼成することができる。   The transition metal complex can be fired in one step or in multiple steps.

乾燥する場合、乾燥温度は、例えば、−25℃以上、好ましくは、15℃以上であり、また、例えば、80℃以下、好ましくは、50℃以下である。乾燥時間は、例えば、12〜48時間である。   When drying, the drying temperature is, for example, −25 ° C. or more, preferably 15 ° C. or more, and for example, 80 ° C. or less, preferably 50 ° C. or less. The drying time is, for example, 12 to 48 hours.

これにより、第1成分として、遷移金属錯体の焼成体を得ることができる。   Thereby, the sintered body of the transition metal complex can be obtained as the first component.

第2成分は、マンガン、マンガンを含有する合金、および、それらの酸化物の少なくともいずれか1つから選択される。   The second component is selected from at least one of manganese, an alloy containing manganese, and oxides thereof.

詳しくは、第2成分としては、例えば、マンガン、例えば、二酸化マンガン(MnO)、酸化マンガン(MnO、Mn、Mn)などのマンガンの酸化物、例えば、AlMn、CrMn、FeMn、CoMn、NiMn、CuMnなどのマンガンを含有する合金、例えば、FeMnO、FeMn、LaMnO、LaMn、SrMnO、SrMnなどのマンガンを含有する合金の酸化物が挙げられる。 Specifically, as the second component, for example, manganese, for example, manganese dioxide (MnO 2 ), manganese oxide such as manganese oxide (MnO, Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 ), for example, AlMn, CrMn, Alloys containing manganese such as FeMn, CoMn, NiMn, CuMn, for example, manganese such as Fe 2 MnO 4 , FeMn 2 O 4 , La 2 MnO 4 , LaMn 2 O 4 , Sr 2 MnO 4 , SrMn 2 O 4 The oxide of the alloy to contain is mentioned.

第2成分としては、好ましくは、マンガン、および、マンガンの酸化物、より好ましくは、マンガンの酸化物が挙げられる。   The second component is preferably manganese and manganese oxide, more preferably manganese oxide.

第2成分は、酸素還元触媒中に、例えば、1重量%以上、好ましくは、10重量%以上、例えば、50重量%以下、好ましくは、30重量%以下、含まれる。   The second component is contained in the oxygen reduction catalyst, for example, 1% by weight or more, preferably 10% by weight or more, for example, 50% by weight or less, preferably 30% by weight or less.

また、第2成分は、第1成分100重量部に対して、例えば、1重量部以上、好ましくは、11重量部以上、例えば、100重量部以下、好ましくは、43重量部以下の割合で配合される。   The second component is blended at a ratio of, for example, 1 part by weight or more, preferably 11 parts by weight or more, for example, 100 parts by weight or less, preferably 43 parts by weight or less, relative to 100 parts by weight of the first component. Is done.

酸化還元触媒は、例えば、第1成分と第2成分とを上記した配合割合で配合し、混合することにより得られる。   The oxidation-reduction catalyst is obtained, for example, by blending and mixing the first component and the second component at the blending ratio described above.

そして、酸素還元触媒を用いてカソード電極3を作製するには、例えば、まず、酸素還元触媒とアイオノマーを有機溶媒中に分散させて分散液を調製する。次いで、その分散液を、電解質層4の他方の面(アノード電極2が形成される面とは反対側の面)に塗布し、乾燥して、カソード電極3を得る。   In order to produce the cathode electrode 3 using an oxygen reduction catalyst, for example, first, an oxygen reduction catalyst and an ionomer are dispersed in an organic solvent to prepare a dispersion. Next, the dispersion is applied to the other surface of the electrolyte layer 4 (the surface opposite to the surface on which the anode electrode 2 is formed) and dried to obtain the cathode electrode 3.

アイオノマーとしては、例えば、アニオン交換基を有するアニオン交換樹脂などが挙げられる。   Examples of the ionomer include an anion exchange resin having an anion exchange group.

有機溶媒としては、例えば、溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノールなどの低級アルコール類、例えば、テトラヒドロフランなどのエーテル類、水など、公知の溶媒が挙げられる。これら溶媒は、単独使用または2種類以上併用することができる。   Examples of the organic solvent include known solvents such as lower alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, and 2-propanol, ethers such as tetrahydrofuran, and water. These solvents can be used alone or in combination of two or more.

酸素還元触媒は、カソード電極3中に、例えば、50重量%以上、好ましくは、70重量%以上、例えば、90重量%以下、好ましくは、80重量%以下、含まれる。   The oxygen reduction catalyst is contained in the cathode electrode 3 by, for example, 50% by weight or more, preferably 70% by weight or more, for example, 90% by weight or less, preferably 80% by weight or less.

カソード電極3において、電解質層4に対する酸素還元触媒の付着量は、例えば、0.01mg/cm以上、例えば、10mg/cm以下である。 In the cathode electrode 3, the adhesion amount of the oxygen reduction catalyst to the electrolyte layer 4 is, for example, 0.01 mg / cm 2 or more, for example, 10 mg / cm 2 or less.

なお、酸化還元触媒は、予め第1成分と第2成分とを混合せずに、カソード電極3を作製するときに、第1成分と第2成分とを、アイオノマーおよび有機溶媒に配合して、分散液を調製することもできる。   The oxidation-reduction catalyst is prepared by mixing the first component and the second component in the ionomer and the organic solvent when the cathode electrode 3 is produced without previously mixing the first component and the second component. A dispersion can also be prepared.

そして、上記した燃料電池1での発電では、電解質膜4がアニオン交換膜からなるので、カソード電極3での電気化学反応(上記式(2)の反応)は、アルカリ環境下で進む。この場合、副反応物として、HO (過酸化物)が生じる場合がある。 In the power generation in the fuel cell 1 described above, since the electrolyte membrane 4 is made of an anion exchange membrane, the electrochemical reaction (reaction of the above formula (2)) at the cathode electrode 3 proceeds in an alkaline environment. In this case, HO 2 (peroxide) may be generated as a side reaction product.

しかし、この膜電極接合体Aによれば、電解質膜4、アノード電極2およびカソード電極3の少なくともいずれか1つが、過酸化物分解触媒として、マンガン、マンガンを含有する合金、および、それらの酸化物の少なくともいずれか1つを含有している。   However, according to this membrane electrode assembly A, at least one of the electrolyte membrane 4, the anode electrode 2 and the cathode electrode 3 is used as a peroxide decomposition catalyst, manganese, an alloy containing manganese, and oxidation thereof. Contains at least one of the objects.

そのため、酸素の還元反応における副反応によって生じる過酸化物(HO )を分解することができる。 Therefore, peroxide (HO 2 ) generated by a side reaction in the oxygen reduction reaction can be decomposed.

なお、この過酸化物(HO )の酸化反応(分解反応)は、下記式(4)で表わされる。
(4)HO +HO+2e→3OH+0.87V(vs.SHE)
その結果、膜電極接合体Aが過酸化物(HO )によって劣化することを抑制できる。
The oxidation reaction (decomposition reaction) of this peroxide (HO 2 ) is represented by the following formula (4).
(4) HO 2 + H 2 O + 2e → 3OH +0.87 V (vs. SHE)
As a result, the membrane electrode assembly A can be prevented from being deteriorated by the peroxide (HO 2 ).

これにより、本発明の膜電極接合体Aを燃料電池1に用いた場合、燃料電池1の耐久性の向上を図ることができる。   Thereby, when the membrane electrode assembly A of this invention is used for the fuel cell 1, the durability of the fuel cell 1 can be improved.

また、燃料電池1の定格時出力(電流値を一定としたときの出力)を向上させることができる。
3.膜電極接合体の変形例
(1)上記した膜電極接合体Aにおいて、カソード電極3に過酸化物分解触媒を含有させずに、アノード電極2に過酸化物分解触媒を含有させることもできる。
Further, the rated output (output when the current value is constant) of the fuel cell 1 can be improved.
3. Modified Example of Membrane Electrode Assembly (1) In the membrane electrode assembly A described above, the anode electrode 2 can contain a peroxide decomposition catalyst without containing the peroxide decomposition catalyst in the cathode electrode 3.

アノード電極2に過酸化物分解触媒を含有させるには、例えば、上記した方法でアノード電極2を形成するときに、アノード電極2の触媒と過酸化物分解触媒とを配合した分散液を調製し、その分散液を電解質膜4に塗布してアノード電極2を形成する。   In order to make the anode electrode 2 contain the peroxide decomposition catalyst, for example, when the anode electrode 2 is formed by the above-described method, a dispersion containing the anode electrode 2 catalyst and the peroxide decomposition catalyst is prepared. Then, the dispersion is applied to the electrolyte membrane 4 to form the anode electrode 2.

過酸化物分解触媒は、アノード電極2の触媒と過酸化物分解触媒との総量中に、例えば、1重量%以上、好ましくは、10重量%以上、例えば、50重量%以下、好ましくは、30重量%以下、含まれる。   The peroxide decomposition catalyst is, for example, 1% by weight or more, preferably 10% by weight or more, for example, 50% by weight or less, preferably 30% in the total amount of the catalyst of the anode electrode 2 and the peroxide decomposition catalyst. Less than wt% is included.

また、過酸化物分解触媒は、アノード電極2の触媒100重量部に対して、例えば、1重量部以上、好ましくは、11重量部以上、例えば、100重量部以下、好ましくは、43重量部以下の割合で配合される。
(2)また、上記した膜電極接合体Aにおいて、カソード電極3に過酸化物分解触媒を含有させずに、電解質膜4に過酸化物分解触媒を含有させることもできる。
The peroxide decomposition catalyst is, for example, 1 part by weight or more, preferably 11 parts by weight or more, for example, 100 parts by weight or less, preferably 43 parts by weight or less, with respect to 100 parts by weight of the catalyst of the anode electrode 2. It is blended at a ratio of
(2) Further, in the membrane electrode assembly A described above, the cathode membrane 3 can contain a peroxide decomposition catalyst, but the electrolyte membrane 4 can contain a peroxide decomposition catalyst.

電解質膜4に過酸化物分解触媒を含有させるには、例えば、公知の表面処理技術や、公知の細孔フィリング技術を用いて、アニオン交換樹脂に過酸化物分解触媒を担持させる。
(3)また、上記した実施形態および各変形例は、互いに組み合わせることができる。具体的には、上記した膜電極接合体Aにおいて、アノード電極2、カソード電極3および電解質膜4のすべてに過酸化物分解触媒を含有させることもできる。また、電解質膜4に過酸化物分解触媒を含有させずに、アノード電極2およびカソード電極3に過酸化物分解触媒を含有させることもできる。また、アノード電極2に過酸化物分解触媒を含有させずに、カソード電極3および電解質膜4に過酸化物分解触媒を含有させることもできる。また、カソード電極3に過酸化物分解触媒を含有させずに、アノード電極2および電解質膜4に過酸化物分解触媒を含有させることもできる。
4.膜電極接合体の製造方法の変形例
(1)上記した遷移金属錯体を焼成するときに、遷移金属錯体の焼成体が凝集および粒成長し、その有効表面積が減少して、その結果、触媒活性が低下する場合がある。
In order to contain the peroxide decomposition catalyst in the electrolyte membrane 4, for example, the peroxide decomposition catalyst is supported on the anion exchange resin by using a known surface treatment technique or a known pore filling technique.
(3) Moreover, the above-described embodiment and each modification can be combined with each other. Specifically, in the membrane electrode assembly A described above, the anode electrode 2, the cathode electrode 3 and the electrolyte membrane 4 can all contain a peroxide decomposition catalyst. Further, the peroxide decomposition catalyst can be contained in the anode electrode 2 and the cathode electrode 3 without containing the peroxide decomposition catalyst in the electrolyte membrane 4. Further, the peroxide decomposition catalyst can be contained in the cathode electrode 3 and the electrolyte membrane 4 without containing the peroxide decomposition catalyst in the anode electrode 2. Further, the peroxide decomposition catalyst can be contained in the anode electrode 2 and the electrolyte membrane 4 without containing the peroxide decomposition catalyst in the cathode electrode 3.
4). Modified Example of Manufacturing Method of Membrane / Electrode Assembly (1) When the above transition metal complex is fired, the fired body of the transition metal complex aggregates and grows, and its effective surface area decreases, resulting in catalytic activity. May decrease.

そこで、有効表面積を十分に確保するため、好ましくは、遷移金属錯体が凝集および粒成長した粒状物に細孔を形成し、多孔質の焼成体を形成することもできる。   Therefore, in order to ensure a sufficient effective surface area, it is preferable to form pores in the granular material in which the transition metal complex is aggregated and grown to form a porous fired body.

多孔質の焼成体を形成する方法としては、特に制限されず、公知の方法が挙げられる。
例えば、まず、遷移金属錯体と可溶性粒子との粒子混合物を焼成して、遷移金属錯体と可溶性粒子とをランダムに含有する複合物を作製し、その後、複合物中の可溶性粒子を除去する方法が挙げられる。
It does not restrict | limit especially as a method of forming a porous baked body, A well-known method is mentioned.
For example, first, a method of firing a particle mixture of a transition metal complex and soluble particles to produce a composite containing the transition metal complex and soluble particles at random, and then removing the soluble particles in the composite. Can be mentioned.

可溶性粒子としては、特に制限されないが、例えば、錯体混合物と可溶性粒子との混合時に、錯体混合物に均一に分散でき、また、上記の焼成によって融解することなく複合物に均一に分布し、また、焼成の後に、酸またはアルカリ処理などにより溶解および除去される粒子などが挙げられる。   Although it does not restrict | limit especially as a soluble particle, For example, at the time of mixing a complex mixture and a soluble particle, it can disperse | distribute uniformly to a complex mixture, and it distributes uniformly to a composite, without melt | dissolving by said baking, Examples of the particles that are dissolved and removed by firing with an acid or alkali after firing are exemplified.

このような可溶性粒子としては、例えば、フュームドシリカ、コロイダルシリカなどのアモルファスシリカ、ポリスチレン、ポリイミドなどのポリマー粒子、および、それらの焼成体などが挙げられる。   Examples of such soluble particles include amorphous silica such as fumed silica and colloidal silica, polymer particles such as polystyrene and polyimide, and fired bodies thereof.

これら可溶性粒子は、単独使用または2種類以上併用することができ、好ましくは、アモルファスシリカ、より好ましくは、フュームドシリカが挙げられる。   These soluble particles can be used alone or in combination of two or more, preferably amorphous silica, more preferably fumed silica.

この方法では、例えば、まず、上記焼成前に、遷移金属錯体と可溶性粒子とを混合する。   In this method, for example, first, the transition metal complex and the soluble particles are mixed before the firing.

遷移金属錯体と可溶性粒子とを混合するには、例えば、まず、遷移金属錯体を、溶媒に、溶解または分散させる。   In order to mix the transition metal complex and the soluble particles, for example, first, the transition metal complex is dissolved or dispersed in a solvent.

溶媒としては、特に制限されないが、例えば、水、例えば、プロトン性極性溶媒(例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール、グリコールなどのアルコールなど)、非プロトン性極性溶媒(例えば、アセトン、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAC)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N−メチルピロリドン(NMP)、アセトニトリル、ピペリジンなど)、アミン類(例えば、アンモニア、例えば、トリエチルアミン、ピリジンなど)、エーテル類(例えば、ジオキサン、テトラヒドロフラン(THF)など)、芳香族炭化水素類(例えば、ベンゼン、トルエン、キシレンなど)などが挙げられる。   Although it does not restrict | limit especially as a solvent, For example, water, for example, protic polar solvent (For example, alcohol, such as methanol, ethanol, isopropanol, glycol, etc.), aprotic polar solvent (for example, acetone, N, N-dimethyl). Formamide (DMF), N, N-dimethylacetamide (DMAC), dimethyl sulfoxide (DMSO), N-methylpyrrolidone (NMP), acetonitrile, piperidine, etc.), amines (eg, ammonia, eg, triethylamine, pyridine, etc.), Ethers (for example, dioxane, tetrahydrofuran (THF), etc.), aromatic hydrocarbons (for example, benzene, toluene, xylene, etc.) and the like can be mentioned.

これら溶媒としては、単独使用または2種類以上併用することができ、好ましくは、テトラヒドロフラン、アセトンなどが挙げられる。   These solvents can be used alone or in combination of two or more, and preferably include tetrahydrofuran, acetone and the like.

遷移金属錯体と溶媒との配合割合は、遷移金属錯体100質量部に対して、溶媒が、例えば、1質量部以上、好ましくは、10質量部以上であり、また、例えば、100000質量部以下、好ましくは、50000質量部以下である。   The mixing ratio of the transition metal complex and the solvent is such that the solvent is, for example, 1 part by mass or more, preferably 10 parts by mass or more, for example, 100000 parts by mass or less, with respect to 100 parts by mass of the transition metal complex. Preferably, it is 50000 parts by mass or less.

次いで、得られた遷移金属錯体の溶液または分散液と、可溶性粒子とを、湿式混合などの公知の方法により混合する。   Next, the obtained transition metal complex solution or dispersion and the soluble particles are mixed by a known method such as wet mixing.

遷移金属錯体の溶液または分散液と、可溶性粒子との配合割合は、例えば、遷移金属錯体の溶液または分散液における遷移金属錯体(固形分)の総量100質量部に対して、可溶性粒子が、例えば、10質量部以上、好ましくは、50質量部以上であり、また、例えば、500質量部以下、好ましくは、200質量部以下である。   The blending ratio of the transition metal complex solution or dispersion and the soluble particles is, for example, that the soluble particles contain, for example, 100 parts by mass of the transition metal complex (solid content) in the transition metal complex solution or dispersion, for example, It is 10 parts by mass or more, preferably 50 parts by mass or more, and for example, 500 parts by mass or less, preferably 200 parts by mass or less.

これにより、遷移金属錯体および可溶性粒子の溶液または分散液を得る。   Thereby, a solution or dispersion of the transition metal complex and soluble particles is obtained.

次いで、この方法では、得られた遷移金属錯体および可溶性粒子の溶液または分散液を乾燥させる。   Then, in this method, the obtained transition metal complex and soluble particle solution or dispersion are dried.

乾燥条件としては、乾燥温度が、例えば、−25℃以上、好ましくは、15℃以上であり、また、例えば、80℃以下、好ましくは、50℃以下である。乾燥時間は、例えば、12〜48時間である。   As drying conditions, the drying temperature is, for example, −25 ° C. or higher, preferably 15 ° C. or higher, and for example, 80 ° C. or lower, preferably 50 ° C. or lower. The drying time is, for example, 12 to 48 hours.

次いで、上記の焼成条件において、遷移金属錯体および可溶性粒子の混合物を焼成し、遷移金属錯体と可溶性粒子とをランダムに含有する複合物を得る。   Next, under the above firing conditions, the mixture of the transition metal complex and the soluble particles is fired to obtain a composite containing the transition metal complex and the soluble particles at random.

その後、この方法では、複合物中の可溶性粒子を、除去する。   The method then removes the soluble particles in the composite.

例えば、可溶性粒子としてアモルファスシリカが用いられる場合には、焼成により、アモルファスシリカが結晶化し、シリカ(焼成体)となる場合がある。このような場合において、そのシリカを除去するためには、例えば、複合物を、アルカリ処理する。   For example, when amorphous silica is used as the soluble particles, the amorphous silica may be crystallized by firing to form silica (fired body). In such a case, in order to remove the silica, for example, the composite is treated with an alkali.

アルカリ処理としては、複合物に、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどのアルカリ溶液を含浸させる。これにより、複合物中の可溶性粒子が溶解されて、細孔が形成され、その結果、多孔質の焼成体が得られる。   As the alkali treatment, the composite is impregnated with an alkaline solution such as potassium hydroxide or sodium hydroxide. Thereby, the soluble particles in the composite are dissolved to form pores, and as a result, a porous fired body is obtained.

このような多孔質の焼成体によれば、焼成により遷移金属錯体が凝集および粒成長する場合にも、細孔により、遷移金属錯体の有効表面積が十分に確保されるため、優れた触媒活性を維持することができる。   According to such a porous fired body, even when the transition metal complex aggregates and grows by firing, the effective surface area of the transition metal complex is sufficiently secured by the pores. Can be maintained.

なお、可溶性粒子を除去する方法としては、上記に限定されず、可溶性粒子の種類に応じて、例えば、水に浸漬する方法、酸処理する方法など、適宜選択することができる。
(2)上記した第1成分または第2成分は、カーボン粒子などの担持体に担持させることもできる。
The method for removing the soluble particles is not limited to the above, and can be appropriately selected according to the type of the soluble particles, such as a method of immersing in water or an acid treatment method.
(2) The first component or the second component described above can be carried on a carrier such as carbon particles.

第1成分または第2成分を担持体に担持させるには、例えば、上記した第1成分または第2成分の溶液または分散液に担持体を混合した後、焼成する。担持体の混合割合は、第1成分または第2成分100質量部に対して、例えば、10質量部以上、好ましくは、50質量部以上であり、また、例えば、500質量部以下、好ましくは、200質量部以下である。   In order to support the first component or the second component on the support, for example, the support is mixed with the solution or dispersion of the first component or the second component described above, and then fired. The mixing ratio of the carrier is, for example, 10 parts by mass or more, preferably 50 parts by mass or more, and for example, 500 parts by mass or less, preferably 100 parts by mass of the first component or the second component. It is 200 parts by mass or less.

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。   Next, although this invention is demonstrated based on an Example and a comparative example, this invention is not limited by the following Example.

1)膜電極接合体の作製
実施例
第1成分としてのナイカルバジンFe錯体(NPC−2000、Pajarito社製)と、第2成分としてのマンガン酸化物担持カーボン(マンガン酸化物をカーボン粒子からなる担持体に担持させたもの)と、アイオノマーとを有機溶媒中に分散して、カソード電極インク(分散液)を調製した。
1) Production of Membrane / Electrode Assembly Example Nicarbazin Fe complex (NPC-2000, manufactured by Pajarito) as the first component and manganese oxide-supported carbon as the second component (support comprising manganese oxide made of carbon particles) And an ionomer were dispersed in an organic solvent to prepare a cathode electrode ink (dispersion).

詳しくは、ナイカルバジンFe錯体0.04g、マンガン酸化物担持カーボン0.01g、電解質樹脂としてのアニオン交換形アイオノマー(炭化水素系アイオノマー溶液、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)))を固形分で0.017g、および、溶媒としての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))2gを混合して、カソード電極インクを調製した。   More specifically, 0.04 g of nicarbazine Fe complex, 0.01 g of manganese oxide-supported carbon, anion exchange ionomer as an electrolyte resin (hydrocarbon ionomer solution, ionomer concentration: 2% by mass, solvent (tetrahydrofuran: 1-propanol = 1) : 1 (mass ratio))) in a solid content of 0.017 g and a mixed solution of 1-propanol and tetrahydrofuran as a solvent (1-propanol: tetrahydrofuran = 1: 1 (mass ratio)) A cathode electrode ink was prepared.

また、アノード触媒としての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)を0.15g、電解質樹脂としてのアニオン交換形アイオノマー(炭化水素系アイオノマー溶液、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)))を固形分で0.017g、および、溶媒としての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))2gを混合して、アノード電極インクを調製した。   Moreover, 0.15 g of nickel zinc alloy (NiZn) (AQ672078, Ni: 87 mass%, Zn: 13 mass%, average particle diameter: 3 μm, manufactured by Cabot), which is a nickel-based metal as an anode catalyst, as an electrolyte resin Anion exchange type ionomer (hydrocarbon ionomer solution, ionomer concentration: 2 mass%, solvent (tetrahydrofuran: 1-propanol = 1: 1 (mass ratio))) in a solid content of 0.017 g, and 1 as the solvent 2 g of a mixed solution of propanol and tetrahydrofuran (1-propanol: tetrahydrofuran = 1: 1 (mass ratio)) was mixed to prepare an anode electrode ink.

その後、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(第1成分および第2成分の総量)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4cmとなるように塗布して、膜電極接合体を製造した。 Thereafter, the anode electrode ink was applied to the surface of one side of the anion exchange electrolyte membrane (A201CE Tokuyama Co., Ltd.) so that the amount of the anode catalyst was 2.6 mg / cm 2, and the amount of cathode catalyst (the first catalyst was applied to the other side surface). The cathode electrode ink was applied so that the surface area after drying was 4 cm 2 so that the total amount of the component and the second component was 1.0 mg / cm 2 , thereby producing a membrane electrode assembly. .

その後、溶媒を大気中で蒸発させ、得られた膜電極接合体を1MのKOHに12時間以上浸漬させた。   Thereafter, the solvent was evaporated in the atmosphere, and the obtained membrane / electrode assembly was immersed in 1M KOH for 12 hours or more.

比較例
マンガン酸化物担持カーボンの代わりに、ケッチェンブラック0.01gを配合した以外は、上記した実施例と同様にして、膜電極接合体を作製した。
Comparative Example A membrane / electrode assembly was produced in the same manner as in the above-described example except that 0.01 g of ketjen black was blended instead of manganese oxide-supporting carbon.

2)耐久性の評価
燃料電池評価セル(ラボセル、ダイハツ工業社製)に、実施例および比較例で得られた膜電極接合体をセットして、アノード側へ1MのKOHと10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1.2ml/minおよび100cc/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(200mA/cm)を一定に制御して、アノード電位、カソード電位、セル電圧および定格時出力を測定した。
2) Durability evaluation Membrane electrode assemblies obtained in Examples and Comparative Examples were set in a fuel cell evaluation cell (Lab cell, manufactured by Daihatsu Kogyo Co., Ltd.). A mixed solution with hydrated hydrazine was supplied to the cathode side at a flow rate of 1.2 ml / min and 100 cc / min, respectively, and the current density (200 mA / cm) was obtained with an electronic load device (890e, manufactured by Scribner Associates). 2 ) was controlled to be constant, and the anode potential, cathode potential, cell voltage and rated output were measured.

測定条件を以下に示す。
セル温度:60℃
カソード温度:60℃
アノード温度:60℃
湿度(RH):50%
背圧;アノード:0kPa、カソード:10kPa
実施例の膜電極接合体を用いたアノード電位、カソード電位およびセル電圧の経時変化を、図2に示し、比較例の膜電極接合体を用いたアノード電位、カソード電位およびセル電圧の経時変化を、図3に示す。また、実施例および比較例の定格時出力の経時変化を図4に示す。
The measurement conditions are shown below.
Cell temperature: 60 ° C
Cathode temperature: 60 ° C
Anode temperature: 60 ° C
Humidity (RH): 50%
Back pressure; anode: 0 kPa, cathode: 10 kPa
FIG. 2 shows changes over time in the anode potential, cathode potential, and cell voltage using the membrane electrode assembly of Example, and shows changes over time in the anode potential, cathode potential, and cell voltage using the membrane electrode assembly of Comparative Example. As shown in FIG. Further, FIG. 4 shows changes with time in the rated output of the examples and comparative examples.

なお、上記の実施例および比較例では、燃料電池の初期性能を十分に確保するために、マンガン酸化物をカーボンに担持させている。   In the above examples and comparative examples, manganese oxide is supported on carbon in order to sufficiently secure the initial performance of the fuel cell.

また、図2に示すように、カソード電極にマンガン酸化物を含む実施例では、カソード電極のみならず、アノード電極も400h付近まで使用可能であることがわかる。   Further, as shown in FIG. 2, it can be seen that in the example in which the cathode electrode contains manganese oxide, not only the cathode electrode but also the anode electrode can be used up to around 400 h.

一方、図3に示すように、カソード電極にマンガン酸化物を含まない比較例では、アノード電極は、200h付近で使用不能となっている。   On the other hand, as shown in FIG. 3, in the comparative example in which the cathode electrode does not contain manganese oxide, the anode electrode cannot be used in the vicinity of 200 h.

このことから、膜電極接合体のうち、アノード電極、カソード電極および電解質膜のいずれか1つに過酸化物分解触媒が含有されていれば、膜電極接合体全体の耐久性を向上させることができることがわかる。   From this, if the peroxide decomposition catalyst is contained in any one of the anode electrode, the cathode electrode and the electrolyte membrane among the membrane electrode assemblies, the durability of the entire membrane electrode assembly can be improved. I understand that I can do it.

Claims (1)

アニオン交換型の電解質膜と、
前記電解質膜の一方面に形成されるアノード電極と、
前記電解質膜の他方面に形成されるカソード電極と
を備え、
前記電解質膜、前記アノード電極および前記カソード電極の少なくともいずれか1つが、マンガン、マンガンを含有する合金、および、それらの酸化物の少なくともいずれか1つから選択される過酸化物分解触媒を含有することを特徴とする、膜電極接合体。
An anion exchange type electrolyte membrane;
An anode electrode formed on one surface of the electrolyte membrane;
A cathode electrode formed on the other surface of the electrolyte membrane,
At least one of the electrolyte membrane, the anode electrode, and the cathode electrode contains a peroxide decomposition catalyst selected from manganese, an alloy containing manganese, and at least one of oxides thereof. A membrane electrode assembly characterized by that.
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