JP2016225099A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両などに搭載される燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell mounted on a vehicle or the like.
従来、車両などに搭載される燃料電池として、水素ガスなどの気体燃料や、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジンなどの液体燃料を使用する燃料電池が知られている。 Conventionally, fuel cells using gaseous fuel such as hydrogen gas or liquid fuel such as methanol, dimethyl ether or hydrazine are known as fuel cells mounted on vehicles.
このような燃料電池は、電解質層と、電解質層の両側にそれぞれ積層されるアノードおよびカソードとを備える単位セルが複数積層されたスタック構造として構成されている。 Such a fuel cell is configured as a stack structure in which a plurality of unit cells each including an electrolyte layer and an anode and a cathode stacked on both sides of the electrolyte layer are stacked.
より具体的には、例えば、アニオン交換膜からなる電解質層と、電解質層を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極とを備え、燃料側電極には燃料側流路を介して燃料が供給され、また、酸素側電極には酸素側流路を介して酸素が供給される燃料電池が、提案されている(例えば、特許文献1参照)。 More specifically, for example, an electrolyte layer made of an anion exchange membrane, and a fuel side electrode and an oxygen side electrode that are arranged to face each other with the electrolyte layer interposed therebetween are provided. A fuel cell is proposed in which oxygen is supplied to the oxygen side electrode via an oxygen side flow path (see, for example, Patent Document 1).
しかし、特許文献1のような燃料電池では、酸素側電極での酸素還元反応において、過酸化水素が副生する酸素還元反応が生じる場合がある。過酸化水素の副生を伴う酸素還元反応が生じると、その分、燃料電池の出力が低下する。
However, in a fuel cell like
そこで、本発明の目的は、過酸化水素の副生を伴う酸素還元反応を抑制することができる燃料電池を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell capable of suppressing an oxygen reduction reaction accompanied by hydrogen peroxide by-product.
本発明は、
[1]電解質膜、前記電解質膜の一方面に形成されるアノード、および、前記電解質膜の他方面に形成されるカソードを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方側に配置されるアノード側セパレータと、前記膜電極接合体の他方側に配置されるカソード側セパレータと、前記カソードと前記カソード側セパレータとの間に配置される多孔体とを備え、前記多孔体は、炭素を含有せず、前記カソードに直接的に接触することを特徴とする、燃料電池、
[2]前記カソードは、鉄に配位子が配位したFe錯体の焼成体を含有し、前記配位子に含まれる炭素以外の炭素を含有しないことを特徴とする、上記[1]に記載の燃料電池
である。
The present invention
[1] A membrane electrode assembly having an electrolyte membrane, an anode formed on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode formed on the other surface of the electrolyte membrane, and disposed on one side of the membrane electrode assembly An anode-side separator, a cathode-side separator disposed on the other side of the membrane electrode assembly, and a porous body disposed between the cathode and the cathode-side separator, wherein the porous body comprises carbon. A fuel cell that does not contain and is in direct contact with the cathode,
[2] In the above [1], the cathode contains a fired body of an Fe complex in which a ligand is coordinated to iron, and does not contain carbon other than carbon contained in the ligand. It is a fuel cell of description.
本発明の燃料電池によれば、カソードとカソード側セパレータとの間に、炭素を含有しない多孔体が、カソードに直接的に接触するように配置される。 According to the fuel cell of the present invention, the porous body not containing carbon is disposed between the cathode and the cathode-side separator so as to be in direct contact with the cathode.
そのため、過酸化水素の副生を伴う酸素還元反応を抑制することができる。 Therefore, it is possible to suppress the oxygen reduction reaction accompanied with the by-product of hydrogen peroxide.
また、カソードが、配位子に含まれる炭素以外の炭素を含有せずに、鉄に配位子が配位したFe錯体の焼成体を含有すると、過酸化水素の副生を伴う酸素還元反応を、より抑制することができる。 In addition, if the cathode contains a calcined Fe complex in which the ligand is coordinated to iron without containing carbon other than carbon contained in the ligand, an oxygen reduction reaction accompanied by hydrogen peroxide by-product Can be further suppressed.
1.燃料電池
燃料電池1は、通常、複数の燃料電池セルSが積層されたスタック構造として構成されているが、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。
1. Fuel Cell The
燃料電池1は、燃料成分と水とを含む液体燃料が直接供給される直接液体燃料形燃料電池であり、アニオン交換型燃料電池として構成されている。
The
燃料成分としては、例えば、分子中に水素原子を含有する含水素液体燃料が挙げられ、具体的には、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 component include hydrogen-containing liquid fuels containing hydrogen atoms in the molecule, and specific examples include alcohols such as methanol, ethers having an alkyl group such as dimethyl ether, and hydrazines. Preferably, alcohols and hydrazines are used, and more preferably, hydrazines are used.
また、液体燃料には、例えば、水酸化カリウムなどのアルカリ金属の水酸化物が、適宜の割合で添加される。 In addition, for example, an alkali metal hydroxide such as potassium hydroxide is added to the liquid fuel at an appropriate ratio.
燃料電池セルSは、図1および図2に示すように、膜電極接合体2、燃料拡散シート3、多孔体4、アノード側セパレータ5、および、カソード側セパレータ6を有している。
As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell S includes a
膜電極接合体2は、電解質膜7、アノード8、および、カソード9を備えている。
The
電解質膜7は、アニオン交換型の固体高分子電解質膜から形成されている。
The
アノード8は、電解質膜7の厚み方向一方側の表面に、薄層として積層されている。アノード8は、例えば、燃料酸化触媒を担持した触媒担体を含有している。なお、アノード8は、触媒担体を用いずに、燃料酸化触媒から、直接形成することもできる。
The anode 8 is laminated as a thin layer on the surface of one side in the thickness direction of the
燃料酸化触媒としては、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)族元素などが挙げられる。これらのうち、好ましくは、ニッケル、コバルト、白金が挙げられ、より好ましくは、ニッケルが挙げられる。また、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。 The fuel oxidation catalyst is not particularly limited, and examples thereof include platinum group elements (ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt)), and iron group. Periodic table 8-10 (VIII) group elements such as elements (iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)), for example, copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), etc. Examples include Group 11 (IB) elements of the periodic table. Among these, Preferably, nickel, cobalt, and platinum are mentioned, More preferably, nickel is mentioned. These may be used alone or in combination of two or more.
アノード8に用いられる触媒担体としては、例えば、カーボン粒子などが挙げられる。 Examples of the catalyst carrier used for the anode 8 include carbon particles.
アノード8を形成するには、例えば、燃料酸化触媒をバインダーとともに溶媒に分散させて得られるインクを、電解質膜7の厚み方向一方面に塗布し、乾燥する。なお、このように、アノード8を電解質膜7の厚み方向一方面に直接形成する場合、バインダーとしては、電解質膜7との親和性を考慮して選択される。例えば、電解質膜7が、アニオン交換型の固体高分子電解質膜である場合、アニオン交換樹脂をバインダーとすることができる。
In order to form the anode 8, for example, an ink obtained by dispersing a fuel oxidation catalyst in a solvent together with a binder is applied to one surface in the thickness direction of the
アノード8において、燃料酸化触媒の担持量は、例えば、0.05mg/cm2以上、好ましくは、0.1mg/cm2以上であり、例えば、10mg/cm2以下、好ましくは、5mg/cm2以下である。 In the anode 8, the loading amount of the fuel oxidation catalyst is, for example, 0.05 mg / cm 2 or more, preferably 0.1 mg / cm 2 or more, for example, 10 mg / cm 2 or less, preferably 5 mg / cm 2. It is as follows.
カソード9は、電解質膜7に対してアノード8の反対側、すなわち、電解質膜7の厚み方向他方側の表面に、薄層として積層されている。カソード9は、酸素還元触媒を含有する。
The
また、酸素還元触媒としては、例えば、導電性高分子とカーボンとからなる複合体(以下、この複合体を「カーボンコンポジット」という。)に、遷移金属が担持されている材料が挙げられる。 Examples of the oxygen reduction catalyst include a material in which a transition metal is supported on a composite composed of a conductive polymer and carbon (hereinafter, this composite is referred to as “carbon composite”).
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。これらの遷移金属は、単独使用または2種以上併用することができる。 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. These transition metals can be used alone or in combination of two or more.
導電性高分子としては、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。これらの導電性高分子は、単独使用または2種以上併用することができる。 Examples of the conductive polymer include polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyvinylcarbazole, polytriphenylamine, polypyridine, polypyrimidine, polyquinoxaline, polyphenylquinoxaline, polyisothianaphthene, polypyridinediyl, polythienylene, polyparaylene. Examples include phenylene, polyflurane, polyacene, polyfuran, polyazulene, polyindole, and polydiaminoanthraquinone. These conductive polymers can be used alone or in combination of two or more.
また、酸素還元触媒としては、例えば、上記した遷移金属に配位子が配位した遷移金属錯体の焼成体が挙げられる。 Moreover, as an oxygen reduction catalyst, the sintered body of the transition metal complex which the ligand coordinated to the above-mentioned transition metal is mentioned, for example.
遷移金属としては、好ましくは、鉄が挙げられる。すなわち、酸素還元触媒としては、好ましくは、鉄に配位子が配位したFe錯体の焼成体が挙げられる。なお、酸素還元触媒は、例えば、炭素を含有しない触媒担体に担持された状態で、カソード9に含有されることもできる。
The transition metal is preferably iron. That is, the oxygen reduction catalyst is preferably a fired body of an Fe complex in which a ligand is coordinated to iron. The oxygen reduction catalyst can be contained in the
遷移金属に配位する配位子としては、例えば、フェナントロリン(例えば、1,10−フェナントロリン)、サルコミン、ナイカルバジン、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、または、これらの誘導体が挙げられる。 Examples of the ligand that coordinates to the transition metal include phenanthroline (eg, 1,10-phenanthroline), sarcomin, nicarbazine, pyrrole, porphyrin, tetramethoxyphenylporphyrin, dibenzotetraazaannulene, phthalocyanine, choline, chlorin, or And derivatives thereof.
配位子としては、好ましくは、フェナントロリン、サルコミン、ナイカルバジン、または、これらの誘導体が挙げられ、より好ましくは、フェナントロリン、ナイカルバジンが挙げられる。 Preferable examples of the ligand include phenanthroline, salcomine, nicarbazine, and derivatives thereof, and more preferable examples include phenanthroline and nicarbazine.
カソード9は、好ましくは、鉄に配位子が配位したFe錯体の焼成体からなる酸素還元触媒を含有し、配位子に起因する炭素以外の炭素を含有しない。
The
カソード9に含有されない、配位子に起因する炭素以外の炭素としては、具体的には、オイルファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラックなどのカーボンブラック、例えば、黒鉛、炭素繊維などが挙げられる。
Specific examples of carbons other than carbon derived from the ligand that are not contained in the
カソード9は、例えば、上記したアノード8の形成と同様に形成することができる。
The
また、カソード9は、フッ素樹脂などの樹脂シートを介して、電解質膜7に形成することもできる。詳しくは、例えば、酸素還元触媒をバインダーとともに溶媒に分散させて得られるインクを、樹脂シートの厚み方向一方面に塗布し、乾燥、熱処理して、触媒層付シートを作製し、得られた触媒層付シートを電解質膜7の表面に圧着する。なお、この場合、バインダーとしては、樹脂シートとの親和性を考慮して選択される。例えば、樹脂シートが、フッ素樹脂からなる場合、ポリテトラフルオロエチレンや、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体などのフッ素樹脂をバインダーとすることができる。
The
カソード9において、酸素還元触媒の担持量は、例えば、0.05mg/cm2以上、好ましくは、0.1mg/cm2以上であり、例えば、10mg/cm2以下、好ましくは、5mg/cm2以下である。
In the
燃料拡散シート3は、アノード8の厚み方向一方面に接触するように、膜電極接合体2の厚み方向一方側に積層されている。燃料拡散シート3は、液体燃料を通過させるための細孔を有している。
The
燃料拡散シート3の材料としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、炭素繊維不織布などが挙げられ、好ましくは、カーボンクロスが挙げられる。また、燃料拡散シート3は、必要によりフッ素処理されていてもよい。
Examples of the material for the
多孔体4は、カソード9の厚み方向他方面に接触するように、膜電極接合体2の厚み方向他方側に積層されている。
The
多孔体4としては、例えば、ニッケル(Ni)、ステンレス(SUS310)など、剛性と耐腐食性とを有する金属(純金属および合金を含む。)からなる。多孔体の形態としては、例えば、網(メッシュ)や、パンチングメタルなどが挙げられる。多孔体4は、炭素を含有しない。
The
多孔体4の厚みは、例えば、0.5mm以上、好ましくは、0.75mm以上であり、例えば、1.0mm以下である。
The thickness of the
多孔体4の孔(多孔体4が網である場合には、網目であり、パンチングメタルである場合には、パンチ孔である。)の孔径は、例えば、0.1mm以上、好ましくは、0.3mm以上であり、例えば、1mm以下、好ましくは、0.5mm以下である。
The hole diameter of the holes of the porous body 4 (when the
また、多孔体4の単位面積(1cm2)当たりの開口面積は、例えば、0.5cm2以上、好ましくは、0.7cm2以上であり、例えば、0.9cm2以下、好ましくは、0.8cm2以下である。 The opening area per unit area of the porous body 4 (1 cm 2), for example, 0.5 cm 2 or more, or preferably, 0.7 cm 2 or more, for example, 0.9 cm 2 or less, preferably, 0. 8 cm 2 or less.
アノード側セパレータ5は、燃料拡散シート3の厚み方向一方面に接触するように、膜電極接合体2の厚み方向一方側に対向配置されている。アノード側セパレータ5は、ガス不透過性の導電性材料から形成されている。アノード側セパレータ5は、燃料流路10を有している。
The anode-
燃料流路10は、アノード側セパレータ5の厚み方向他方面に形成されている。燃料流路10は、アノード側セパレータ5の厚み方向他方面から厚み方向一方へ凹む凹溝であり、幅方向に折り返されながら、上下方向に延びる葛折り形状に形成されている。燃料流路10は、燃料拡散シート3に向かい合っている。すなわち、燃料流路10とアノード8との間には、燃料拡散シート3が介在されている。
The
カソード側セパレータ6は、多孔体4の厚み方向他方面に接触するように、膜電極接合体2の厚み方向他方側に対向配置されている。カソード側セパレータ6は、ガス不透過性の導電性材料から形成されている。カソード側セパレータ6は、凹部11を有している。
The cathode-side separator 6 is disposed opposite to the other side in the thickness direction of the
凹部11は、カソード側セパレータ6の厚み方向一方面の中央部分に形成されている。凹部11は、カソード側セパレータ6の厚み方向一方面から厚み方向他方へ凹み、厚み方向から見て略矩形状に形成されている。
The
凹部11は、多孔体4を収容できるようなサイズ、すなわち、多孔体4とほぼ同じサイズであり、厚み方向から見て略矩形状に形成されている。凹部11内には、多孔体4が収容されている。
The
なお、複数の燃料電池セルSが積層されたスタック構造として構成される場合には、アノード側セパレータ5の厚み方向一方面には、隣りの膜電極接合体2のカソード9に向かい合う凹部11が形成される。また、カソード側セパレータ6の厚み方向他方面には、隣りの膜電極接合体2のアノード8に向かい合う燃料流路10が形成される。
2.発電
次いで、燃料電池1における発電について説明する。
When the fuel cell S is configured as a stack structure, a
2. Next, power generation in the
図1に示すように、燃料電池1の燃料流路10に液体燃料が供給されると、燃料流路10に供給された液体燃料は、燃料拡散シート3と接触しながら燃料流路10内を下側から上側へ流れる。このとき、燃料流路10内を流れる液体燃料は、燃料拡散シート3の細孔を通過して、アノード8に供給される。
As shown in FIG. 1, when liquid fuel is supplied to the
なお、アノード8に供給された液体燃料の一部は、電解質膜7を透過し、カソード9に漏出する(クロスリーク)。これにより、液体燃料に含まれる水がカソード9に供給される。
A part of the liquid fuel supplied to the anode 8 permeates the
また、外部からの空気は、燃料電池1の凹部11に供給される。
Air from the outside is supplied to the
凹部11に供給された空気は、凹部11内を上側から下側へ流れる。このとき、凹部11内を流れる空気は、多孔体4の孔を通過して、カソード9に供給される。
The air supplied to the
これにより、燃料電池1では、燃料成分がヒドラジンである場合には、下記反応式(1)〜(3)で表される電気化学反応が生じ、発電が行なわれる。
(1)N2H4+4OH−→N2+4H2O+4e− (アノード8での反応)
(2)O2+2H2O+4e−→4OH− (カソード9での反応)
(3)N2H4+O2→N2+2H2O (燃料電池1全体での反応)
また、燃料成分がメタノールである場合には、下記反応式(4)〜(6)で表される電気化学反応が生じ、発電が行なわれる。
(4)CH3OH+6OH−→CO2+5H2O+6e− (アノード8での反応)
(5)O2+2H2O+4e−→4OH− (カソード9での反応)
(6)CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O (燃料電池1全体での反応)
これらの反応により、燃料成分(N2H4またはCH3OH)が消費されるとともに、水(H2O)およびガス(N2またはCO2)が生成され、起電力(e−)が発生する。
3.作用効果
上記した発電において、カソード9では、上記(2)、(5)に示す酸素還元反応とともに、副反応として、下記(7)に示すように、過酸化水素の発生を伴う酸素還元反応が起こる場合がある。
(7)O2+H2O+2e−→HO2 −+OH− (カソード9での副反応)
ここで、上記(7)に示す副反応は、炭素によって、選択的に促進される傾向にある。
Thereby, in the
(1) N 2 H 4 + 4OH − → N 2 + 4H 2 O + 4e − (reaction at anode 8)
(2) O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − (reaction at cathode 9)
(3) N 2 H 4 + O 2 → N 2 + 2H 2 O (reaction in the entire fuel cell 1)
Further, when the fuel component is methanol, an electrochemical reaction represented by the following reaction formulas (4) to (6) occurs, and power generation is performed.
(4) CH 3 OH + 6OH − → CO 2 + 5H 2 O + 6e − (reaction at anode 8)
(5) O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − (reaction at cathode 9)
(6) CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O (reaction in the entire fuel cell 1)
By these reactions, fuel components (N 2 H 4 or CH 3 OH) are consumed, and water (H 2 O) and gas (N 2 or CO 2 ) are generated, and electromotive force (e − ) is generated. To do.
3. In the power generation described above, in the
(7) O 2 + H 2 O + 2e - → HO 2 - + OH - ( secondary reaction at the cathode 9)
Here, the side reaction shown in the above (7) tends to be selectively promoted by carbon.
また、液体燃料に水酸化カリウムなどのアルカリ性の電解質が含まれていると、液体燃料がクロスリークによってカソード9や空気拡散シートの多孔質層(カソード9とカソード側セパレータ6との間に空気拡散シートが設けられている場合)に漏出したときに、上記(7)に示す副反応が、さらに促進される傾向にある。
In addition, when the liquid fuel contains an alkaline electrolyte such as potassium hydroxide, the liquid fuel is caused to cross-leak by the porous layer of the
そのため、カソード9の周辺に炭素が存在していると、上記(7)に示す副反応が促進され、その分、上記(2)、(5)に示す酸素還元反応が抑制されることにより、燃料電池1の出力が低下する。
Therefore, if carbon is present around the
しかし、本発明の燃料電池1によれば、カソード9とカソード側セパレータ6との間に、炭素を含有しない多孔体4が、カソード9に直接的に接触するように配置される。
However, according to the
そのため、過酸化水素の副生を伴う酸素還元反応(上記(7)に示す。)を抑制することができる。 Therefore, the oxygen reduction reaction (shown in the above (7)) accompanied by hydrogen peroxide by-product can be suppressed.
また、カソード9が、配位子に含まれる炭素以外の炭素を含有せず、鉄に配位子が配位したFe錯体の焼成体を含有すると、過酸化水素の副生を伴う酸素還元反応(上記(7)に示す。)を、より抑制することができる。
Further, when the
その結果、燃料電池1の出力の低下を抑制することができる。
As a result, a decrease in the output of the
なお、上記した実施形態において、液体燃料の代わりに、水素ガスを用いることもできる。 In the above-described embodiment, hydrogen gas can be used instead of the liquid fuel.
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。なお、「部」および「%」は、特に言及がない限り、質量基準である。また、以下の記載において用いられる配合割合(含有割合)、物性値、パラメータなどの具体的数値は、上記の「発明を実施するための形態」において記載されている、それらに対応する配合割合(含有割合)、物性値、パラメータなど該当記載の上限値(「以下」、「未満」として定義されている数値)または下限値(「以上」、「超過」として定義されている数値)に代替することができる。
1.各実施例および各比較例
実施例1
(1)膜電極接合体の作製
(1−1)アノードの形成
Ni担持カーボン触媒(Cataler社製)0.15gと、溶媒(テトラヒドロフランと1−プロピルアルコールとの質量比1:1での混合物)1.5gとを超音波処理により、25℃で10分間分散した。
Next, although this invention is demonstrated based on an Example and a comparative example, this invention is not limited by the following Example. “Part” and “%” are based on mass unless otherwise specified. In addition, specific numerical values such as a blending ratio (content ratio), physical property values, and parameters used in the following description are described in the above-mentioned “Mode for Carrying Out the Invention”, and a blending ratio corresponding to them ( Substituting the upper limit value (numerical value defined as “less than” or “less than”) or the lower limit value (number defined as “greater than” or “exceeded”) such as content ratio), physical property values, parameters, etc. be able to.
1. Examples and Comparative Examples Example 1
(1) Production of membrane electrode assembly (1-1) Formation of anode 0.15 g of Ni-supported carbon catalyst (manufactured by Cataler) and solvent (mixture of tetrahydrofuran and 1-propyl alcohol in a mass ratio of 1: 1) 1.5 g was dispersed by sonication at 25 ° C. for 10 minutes.
次いで、得られた混合物に、2質量%アニオン交換樹脂溶液(溶媒:テトラヒドロフランと1−プロピルアルコールとの質量比1:1での混合物)1.0gを加えた。 Next, 1.0 g of a 2 mass% anion exchange resin solution (solvent: a mixture of tetrahydrofuran and 1-propyl alcohol at a mass ratio of 1: 1) was added to the obtained mixture.
次いで、25℃で3分間超音波で分散することにより、アノード用インクを調製した。 Subsequently, the ink for anodes was prepared by disperse | distributing with an ultrasonic wave at 25 degreeC for 3 minute (s).
得られたアノード用インクを、アニオン交換膜(電解質膜)の一方面を被覆するように、スプレー法により塗布した。 The obtained anode ink was applied by a spray method so as to cover one surface of the anion exchange membrane (electrolyte membrane).
その後、25℃で乾燥することにより、アノードを形成した。 Then, the anode was formed by drying at 25 degreeC.
アノードの触媒担持量は、2.6mg/cm2であった。
(1−2)カソードの形成
白金触媒(AY1020、田中貴金属社製)、水1.2g、1−プロピルアルコール1.1g、40質量%PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)溶液0.12g、および、40質量%FEP(四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体)溶液0.12gを、超音波処理により25℃で5分間分散した。
The amount of catalyst supported on the anode was 2.6 mg / cm 2 .
(1-2) Formation of cathode Platinum catalyst (AY1020, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.), water 1.2 g, 1-propyl alcohol 1.1 g, 40 mass% PTFE (polytetrafluoroethylene) solution 0.12 g, and 40 0.12 g of a mass% FEP (tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer) solution was dispersed at 25 ° C. for 5 minutes by ultrasonic treatment.
その後、更に60分間スターラで攪拌し、カソード用インクを調製した。 Thereafter, the mixture was further stirred with a stirrer for 60 minutes to prepare a cathode ink.
得られたカソード用インクをフッ素樹脂製シート上に塗布し、35℃で30分間乾燥した後、260℃で30分間熱処理を行い、触媒層付シートを形成した。 The obtained cathode ink was applied on a fluororesin sheet, dried at 35 ° C. for 30 minutes, and then heat treated at 260 ° C. for 30 minutes to form a sheet with a catalyst layer.
触媒層付シートの触媒担持量は2.0mg/cm2であった。 The amount of catalyst supported on the sheet with the catalyst layer was 2.0 mg / cm 2 .
その後、得られた触媒層付シートを切り取り、100℃、25MPaで、アニオン交換膜の他方面(アノードが形成される表面と反対側の表面)へ圧着して、カソードを形成した。
(2)燃料電池セルの組み立て
上記(1)の方法によりアノードおよびカソードが形成された膜電極接合体のアノードにカーボンシート(燃料拡散シート)を接合するとともに、カソードに、ニッケル(Ni)からなるポーラスセパレータ(多孔体)を接合した。
Thereafter, the obtained sheet with the catalyst layer was cut out and pressure-bonded to the other surface of the anion exchange membrane (the surface opposite to the surface on which the anode was formed) at 100 ° C. and 25 MPa to form a cathode.
(2) Assembly of fuel cell A carbon sheet (fuel diffusion sheet) is joined to the anode of the membrane electrode assembly in which the anode and cathode are formed by the method of (1) above, and the cathode is made of nickel (Ni). A porous separator (porous body) was joined.
得られた接合体にシール材を取り付け、アノード側セパレータとカソード側セパレータとで挟み込むことにより、燃料電池セルを組み立てた。 A fuel cell was assembled by attaching a sealing material to the obtained joined body and sandwiching it between an anode side separator and a cathode side separator.
実施例2
(1)膜電極接合体の作製
(1−1)アノードの形成
実施例1と同様にして、アニオン交換膜の一方面にアノードを形成した。
(1−2)カソードの形成
Feナイカルバジン系触媒(NPC−2000、Pajarito社製)0.05gと、溶媒(テトラヒドロフランと1−プロピルアルコールとの質量比1:1での混合物)1.5gとを超音波処理により、25℃で10分間分散した。
Example 2
(1) Production of membrane electrode assembly (1-1) Formation of anode An anode was formed on one surface of the anion exchange membrane in the same manner as in Example 1.
(1-2) Formation of Cathode Fe Nicarbazin-based catalyst (NPC-2000, manufactured by Pajarito) 0.05 g and 1.5 g of a solvent (a mixture of tetrahydrofuran and 1-propyl alcohol at a mass ratio of 1: 1). Dispersion was carried out at 25 ° C. for 10 minutes by ultrasonic treatment.
得られた混合物に、2質量%アニオン交換樹脂溶液(溶媒:テトラヒドロフランと1−プロピルアルコールとの質量比1:1での混合物)1.0gを加えた。 To the obtained mixture, 1.0 g of a 2% by mass anion exchange resin solution (solvent: a mixture of tetrahydrofuran and 1-propyl alcohol at a mass ratio of 1: 1) was added.
そして、25℃で3分間超音波で分散することにより、カソード用インクを調製した。 Then, an ink for a cathode was prepared by dispersing with ultrasonic waves at 25 ° C. for 3 minutes.
得られたカソード用インクを、アニオン交換膜の他方面(アノードが形成される表面と反対側の表面)を被覆するように、スプレー法により塗布した。 The obtained cathode ink was applied by spraying so as to cover the other side of the anion exchange membrane (the surface opposite to the surface on which the anode is formed).
その後、25℃で乾燥することにより、カソードを形成した。 Then, the cathode was formed by drying at 25 degreeC.
カソードの触媒担持量は、1.0mg/cm2であった。
(2)燃料電池セルの組み立て
実施例1と同様にして、燃料電池セルを組み立てた。
The amount of catalyst supported on the cathode was 1.0 mg / cm 2 .
(2) Assembly of fuel cell A fuel cell was assembled in the same manner as in Example 1.
実施例3
Feナイカルバジン系触媒0.05gに代えて、Feナイカルバジン系触媒0.03gとケッチェンブラック0.02gとを分散させたカソード用インクを用いた以外は、実施例2と同様にして、燃料電池セルを得た。
Example 3
In the same manner as in Example 2, except that the cathode ink in which 0.03 g of Fe nicarbazine catalyst and 0.02 g of Ketjen Black were used was used instead of 0.05 g of Fe nicarbazine catalyst, a fuel cell unit Got.
実施例4
Feナイカルバジン系触媒0.05gに代えて、ケッチェンブラック0.05gを分散させたカソード用インクを用いた以外は、実施例2と同様にして、燃料電池セルを得た。
Example 4
A fuel cell was obtained in the same manner as in Example 2 except that the cathode ink in which 0.05 g of ketjen black was dispersed was used instead of 0.05 g of the Fe nicarbazine-based catalyst.
比較例1
ポーラスセパレータの代わりに、アノードと同じく、カーボンシートを接合し、前述のアノード用セパレータ同様の流路形状を有するカソード用セパレータを用いた以外は、実施例1と同様にして、燃料電池セルを得た。
2.性能試験
(1)開回路電圧の測定
各実施例および各比較例で得られた燃料電池セルについて、開回路電圧を、電子負荷(Scribner社製)により測定した。
Comparative Example 1
Instead of the porous separator, a fuel cell was obtained in the same manner as in Example 1 except that a carbon sheet was joined as in the anode and a cathode separator having the same flow path shape as that of the anode separator was used. It was.
2. Performance Test (1) Measurement of Open Circuit Voltage For the fuel cells obtained in each Example and each Comparative Example, the open circuit voltage was measured with an electronic load (manufactured by Scribner).
なお、測定時には、アノードに、水加ヒドラジン1mol/dm3・1N水酸化カリウム水溶液を、1.2mL/minの速度で供給し、カソードに、25℃の飽和加湿空気を0.1L/minの速度で供給した。燃料電池セルのセル運転温度は60℃とした。
At the time of measurement, a
実施例1の開回路電圧は、0.9Vであった。また、比較例1の開回路電圧は、0.8Vであった。 The open circuit voltage of Example 1 was 0.9V. Moreover, the open circuit voltage of the comparative example 1 was 0.8V.
実施例1と比較例1とを比較すると、カソード側において、カーボンシートに代えてニッケル(Ni)からなるポーラスセパレータを用いることにより、開回路電圧が0.8Vから0.9Vに向上することがわかる。 When Example 1 and Comparative Example 1 are compared, the open circuit voltage can be improved from 0.8 V to 0.9 V by using a porous separator made of nickel (Ni) instead of the carbon sheet on the cathode side. Recognize.
また、実施例2〜4の開回路電圧を、図3に示す。
(2)過酸化水素発生量の測定
開回路電圧を測定するときのカソード側の廃液を採取し、過酸化水素試験紙(菱江化学社製)により、廃液中の過酸化水素発生量を測定した。実施例2〜4の過酸化水素発生量を、図3に示す。
Moreover, the open circuit voltage of Examples 2-4 is shown in FIG.
(2) Measurement of hydrogen peroxide generation The waste liquid on the cathode side when measuring the open circuit voltage was collected, and the amount of hydrogen peroxide generation in the waste liquid was measured with a hydrogen peroxide test paper (manufactured by Hishoe Chemical Co., Ltd.). . The amount of hydrogen peroxide generated in Examples 2 to 4 is shown in FIG.
図3に示すように、実施例2と、実施例3および4とを比較すると、Feナイカルバジン系触媒とケッチェンブラックとの総量に対するFeナイカルバジン系触媒の配合比率が高くなる(ケッチェンブラックの配合比率が低くなる)につれて、過酸化水素発生量が低くなり、かつ、開回路電圧が高くなる傾向が読み取れる。 As shown in FIG. 3, when Example 2 is compared with Examples 3 and 4, the blending ratio of the Fe nicarbazine-based catalyst with respect to the total amount of the Fe nicarbazine-based catalyst and Ketjen black increases (the blending of Ketjen black). It can be seen that as the ratio decreases, the amount of hydrogen peroxide generated decreases and the open circuit voltage increases.
この傾向から、ケッチェンブラックの配合比率が低下することにより、過酸化水素の発生を伴う酸素還元反応が抑制され、電池性能が向上すると考察できる。 From this tendency, it can be considered that when the blending ratio of ketjen black is reduced, the oxygen reduction reaction accompanied by the generation of hydrogen peroxide is suppressed, and the battery performance is improved.
1 燃料電池
2 膜電極接合体
4 多孔体
5 アノード側セパレータ
6 カソード側セパレータ
7 電解質膜
8 アノード
9 カソード
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記膜電極接合体の一方側に配置されるアノード側セパレータと、
前記膜電極接合体の他方側に配置されるカソード側セパレータと、
前記カソードと前記カソード側セパレータとの間に配置される多孔体と
を備え、
前記多孔体は、炭素を含有せず、前記カソードに直接的に接触することを特徴とする、燃料電池。 A membrane electrode assembly having an electrolyte membrane, an anode formed on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode formed on the other surface of the electrolyte membrane;
An anode separator disposed on one side of the membrane electrode assembly;
A cathode separator disposed on the other side of the membrane electrode assembly;
A porous body disposed between the cathode and the cathode separator,
The fuel cell according to claim 1, wherein the porous body does not contain carbon and directly contacts the cathode.
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