JP2017010738A - Electrode material for fuel cell, manufacturing method therefor, and fuel cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode material for a fuel cell not using a platinum group element, a method for producing the same, and a fuel cell.SOLUTION: Fuel cell electrode materials 2 and 3 of the embodiment are composed of a molded body not containing a platinum group element and containing at least a plurality of different transition metals as a metal material. In the molded body, the metal material is processed into a powder form. The molded body is formed such that the molded body is formed by mixing the respective powders so that hydrogen and oxygen used in the fuel cell 1 have voids dispersed in the molded body so that the hydrogen and oxygen can permeate the molded body.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、燃料電池用電極材料、その製造方法および燃料電池に関する。   The present invention relates to an electrode material for a fuel cell, a manufacturing method thereof, and a fuel cell.

近年、二酸化炭素を発生しないクリーンなエネルギー源の一つとして固体高分子形燃料電池が注目および研究・開発されている。また、定置用電熱併供装置として使用されており、電気自動車等の車両駆動用電源としても開発が進んでいる。特に、固体高分子形燃料電池では、電極における反応プロセスを高活性化させるために、カソード触媒及びアノード触媒として白金又は白金合金等の貴金属をカーボンブラックに担持した触媒が用いられている。   In recent years, polymer electrolyte fuel cells have attracted attention, research and development as one of clean energy sources that do not generate carbon dioxide. In addition, it is used as a stationary electric and heat combined device, and is also being developed as a power source for driving vehicles such as electric vehicles. In particular, in a polymer electrolyte fuel cell, a catalyst in which a noble metal such as platinum or a platinum alloy is supported on carbon black is used as a cathode catalyst and an anode catalyst in order to activate a reaction process in an electrode.

なお、燃料電池用触媒として、フラーレン類の表面にPt等の燃料電池用触媒微粒子を担持させ、フラーレン類をコアとし、その表面がPt等の燃料電池用触媒微粒子で覆われたコアシェル触媒となり、表面で水素の酸化や酸素の還元の触媒作用を奏することなどが知られている(例えば、特許文献1を参照)。   As a fuel cell catalyst, fuel cell catalyst fine particles such as Pt are supported on the surface of fullerenes, and fullerenes are used as a core, and the surface is a core-shell catalyst covered with fuel cell catalyst fine particles such as Pt. It is known that a catalytic action of hydrogen oxidation or oxygen reduction is exhibited on the surface (see, for example, Patent Document 1).

特開2011−76828号公報JP 2011-76828 A

しかしながら、白金(Pt)は、希少な資源であり、採掘量が限られているため、非常に高コストな材料である。そのため、白金やその他の白金族元素を使用しない燃料電池の開発・実用化が望まれている。   However, platinum (Pt) is a scarce resource and is a very expensive material because the amount of mining is limited. Therefore, development and commercialization of fuel cells that do not use platinum or other platinum group elements are desired.

図8に、従来の固体高分子形燃料電池100の構成(断面図)の一例を示す。固体高分子形燃料電池100において、図8に示すように、PEM膜4の両側に、燃料極200と空気極300とが設けられている。PEM膜4は、電気的絶縁とともに、両側に存在する水素ガス(H)、酸素ガス(O)と水蒸気(HO)などの他方側への移動を遮断する。 FIG. 8 shows an example of a configuration (cross-sectional view) of a conventional polymer electrolyte fuel cell 100. In the polymer electrolyte fuel cell 100, as shown in FIG. 8, a fuel electrode 200 and an air electrode 300 are provided on both sides of the PEM membrane 4. The PEM film 4 is electrically insulated and blocks the movement of hydrogen gas (H 2 ), oxygen gas (O 2 ), water vapor (H 2 O), etc. existing on both sides to the other side.

燃料極200および空気極300には、例えばPEM膜4側の表面に微細な白金(Pt)を担持したカーボンブラックが使用される。この白金は、水素分子(H)が電子(e)を放出する反応と、酸素分子(O)が水素イオン(H)および電子(e)と結合する反応とを促進させるための触媒として作用する。特に、低温型(例えば20〜200℃程度の範囲)の燃料電池では、このように白金を使用することが必須技術となっているため、前述したように、固体高分子形燃料電池100などに使用する白金をいかに少なくするかが課題となっていた。望むべきは、白金やその他の白金族元素を使用しない燃料電池用電極材料の開発および実用化である。 For the fuel electrode 200 and the air electrode 300, for example, carbon black carrying fine platinum (Pt) on the surface on the PEM film 4 side is used. This platinum promotes a reaction in which a hydrogen molecule (H 2 ) releases an electron (e ) and a reaction in which an oxygen molecule (O 2 ) is bonded to a hydrogen ion (H + ) and an electron (e ). Acts as a catalyst. In particular, in a low-temperature type fuel cell (for example, in the range of about 20 to 200 ° C.), the use of platinum in this way is an essential technology. Therefore, as described above, the solid polymer fuel cell 100 or the like is used. The challenge was how to use less platinum. What should be desired is the development and practical application of electrode materials for fuel cells that do not use platinum or other platinum group elements.

しかしながら、上記特許文献などの開示された技術は、白金をより少量で触媒活性を高める方法、及び同じ使用量で触媒性能を高める技術に関するものであり、低温型の燃料電池として、根本的に、白金族元素を使用しない燃料電池のための技術ではない。また、白金族元素を使用しない燃料電池のための技術を開示するものでもない。   However, the disclosed technology such as the above-mentioned patent document relates to a method for increasing the catalytic activity with a smaller amount of platinum, and a technology for increasing the catalyst performance with the same amount used, and as a low-temperature fuel cell, It is not a technology for fuel cells that do not use platinum group elements. Further, it does not disclose a technique for a fuel cell that does not use a platinum group element.

そこで、本発明が解決しようとする課題は、低温型の燃料電池として、白金族元素を使用しない燃料電池用電極材料、その製造方法および燃料電池を提供することである。   Accordingly, the problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell electrode material that does not use a platinum group element, a manufacturing method thereof, and a fuel cell as a low temperature fuel cell.

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池用電極材料は、Ru、Rh、Pd、Os、IrおよびPtの白金族元素を含有しない燃料電池用電極材料である。当該燃料電池用電極材料は、金属材料として複数の異なる遷移金属を少なくとも含有する成形体からなり、前記成形体は、前記金属材料が粉体状に加工され、かつ、燃料電池に使用される燃料が前記成形体を透過可能なように前記成形体に分散した空隙を有するように、当該各々の粉体が混合されて形成されたことを主な特徴とする。   In order to solve the above-described problems, the fuel cell electrode material according to the present invention is a fuel cell electrode material that does not contain a platinum group element of Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt. The electrode material for a fuel cell is composed of a molded body containing at least a plurality of different transition metals as a metal material, and the molded body is a fuel used for a fuel cell, in which the metal material is processed into powder. Is characterized by being formed by mixing the respective powders so as to have voids dispersed in the molded body so as to be able to pass through the molded body.

また、本発明に係る燃料電池用電極材料において、前記複数の異なる遷移金属は、3d遷移元素に属するFe、Ni、Mn、CrまたはTiのいずれかを少なくとも含み、さらに、前記成形体には、当該含まれる遷移金属以外の前記金属材料として、当該含まれる遷移金属よりも高い電気伝導率であるCu、Zn、AlまたはMgのいずれかを含むことを主な特徴とする。   Further, in the electrode material for a fuel cell according to the present invention, the plurality of different transition metals include at least one of Fe, Ni, Mn, Cr, or Ti belonging to a 3d transition element, and the molded body further includes: The metal material other than the contained transition metal mainly includes any one of Cu, Zn, Al, or Mg, which has a higher electrical conductivity than the contained transition metal.

さらに、本発明に係る燃料電池用電極材料において、前記複数の異なる遷移金属は、NiおよびFe、または、NiおよびCuを少なくとも含むことを主な特徴とする。   Furthermore, the fuel cell electrode material according to the present invention is characterized in that the plurality of different transition metals include at least Ni and Fe, or Ni and Cu.

さらにまた、本発明に係る燃料電池用電極材料において、前記成形体における前記金属材料の組成比は、前記成形体の質量を100質量%とした場合に、Mgを1〜3質量%またはZnを2〜3質量%またはAlを5〜6質量%を少なくとも含み、100質量%から当該含まれる金属の質量%を差し引いた質量%を総計とするNi、FeおよびCrを含むことを主な特徴とする。   Furthermore, in the fuel cell electrode material according to the present invention, the composition ratio of the metal material in the molded body is 1 to 3 mass% of Mg or Zn when the mass of the molded body is 100 mass%. The main feature is that it contains Ni, Fe, and Cr in a total of 2 to 3% by mass or 5 to 6% by mass of Al, and a mass% obtained by subtracting the mass% of the contained metal from 100% by mass. To do.

その上、また、本発明に係る燃料電池用電極材料において、前記成形体の空隙率は、前記成形体の容積に対し、20%ないし40%の範囲であることを主な特徴とする。   In addition, the fuel cell electrode material according to the present invention is mainly characterized in that the porosity of the molded body is in a range of 20% to 40% with respect to the volume of the molded body.

その上、さらに、本発明に係る燃料電池用電極材料において、前記粉体は、球状または針状、もしくは、少なくとも一の種類の前記金属材料が球状および他の種類の前記金属材料が針状に加工されたことを主な特徴とする。   In addition, in the fuel cell electrode material according to the present invention, the powder is spherical or needle-shaped, or at least one type of the metal material is spherical and the other type of the metal material is needle-shaped. The main feature is that it has been processed.

その上、さらにまた、本発明に係る燃料電池用電極材料において、前記成形体に、赤外線または紫外線で発光する発光物質を担持させたことを主な特徴とする。   Furthermore, the fuel cell electrode material according to the present invention is mainly characterized in that a light-emitting substance that emits light by infrared rays or ultraviolet rays is supported on the molded body.

また、上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池用電極材料の製造方法は、上記燃料電池用電極材料を製造するための燃料電池用電極材料の製造方法である。当該製造方法は、前記成形体に用いる前記金属材料を粉体として200μm以下に粉砕して加工する粉砕工程と、前記粉砕工程後に、前記粉体を均一に分散するように混合する混合工程と、前記混合工程後に、均一に分散された前記粉体を500〜800Mpaの圧力で加圧して成形体を形成させる加圧工程と、前記加圧工程後に、前記成形体を焼結する焼結工程と、を含むことを主な特徴とする。   Moreover, in order to solve the said subject, the manufacturing method of the electrode material for fuel cells which concerns on this invention is a manufacturing method of the electrode material for fuel cells for manufacturing the said electrode material for fuel cells. The manufacturing method includes a pulverization step of pulverizing the metal material used for the molded body to 200 μm or less as a powder, a mixing step of mixing the powder so as to be uniformly dispersed after the pulverization step, After the mixing step, the pressure step of pressing the uniformly dispersed powder at a pressure of 500 to 800 Mpa to form a molded body, and the sintering step of sintering the molded body after the pressing step, The main feature is to include.

さらに、本発明に係る燃料電池用電極材料の製造方法は、前記焼結工程において、焼結温度が、前記金属材料のうちの最も電気伝導率の高い金属の融点よりも高く、当該最も電気伝導率の高い金属以外の金属の融点よりも低い範囲にあることを主な特徴とする。   Furthermore, in the method for producing a fuel cell electrode material according to the present invention, in the sintering step, the sintering temperature is higher than the melting point of the metal having the highest electrical conductivity among the metal materials, and the most electrically conductive material. The main feature is that it is in a range lower than the melting point of a metal other than a high-rate metal.

さらにまた、本発明に係る燃料電池用電極材料の製造方法は、前記成形体に、赤外線または紫外線で発光する発光物質を担持させる発光物質担持工程をさらに含むことを主な特徴とする。   Furthermore, the fuel cell electrode material manufacturing method according to the present invention is mainly characterized in that it further includes a luminescent substance supporting step of supporting the luminescent substance emitting light by infrared rays or ultraviolet rays on the molded body.

さらに、上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池は、空気極または燃料極として、上記燃料電池用電極材料を用いたことを主な特徴とする。   Furthermore, in order to solve the above-mentioned problems, the fuel cell according to the present invention is mainly characterized by using the above-mentioned electrode material for a fuel cell as an air electrode or a fuel electrode.

本発明に係る燃料電池用電極材料は、白金族元素を使用しない触媒として用いることができるため、低温型燃料電池の製造コストを低減することができる。また、希少資源でない金属を用いることができるため、資源問題の課題を解決することができる。   Since the fuel cell electrode material according to the present invention can be used as a catalyst that does not use a platinum group element, the manufacturing cost of the low-temperature fuel cell can be reduced. In addition, since a metal that is not a scarce resource can be used, the problem of resource problems can be solved.

また、本発明に係る燃料電池用電極材料の製造方法および燃料電池は、白金族元素を使用しない燃料電池用電極材料により、低温型燃料電池の製造コストを低減することができる。また、希少資源でない金属を用いることができるため、資源問題の課題を解決することができる。   Moreover, the fuel cell electrode material manufacturing method and the fuel cell according to the present invention can reduce the manufacturing cost of the low-temperature fuel cell by using the fuel cell electrode material that does not use a platinum group element. In addition, since a metal that is not a scarce resource can be used, the problem of resource problems can be solved.

本発明に係る実施形態の燃料電池の構成の一例を示す図The figure which shows an example of a structure of the fuel cell of embodiment which concerns on this invention. 燃料極の構造の一例を示す図Diagram showing an example of the structure of the fuel electrode 他の実施形態の燃料電池の構成の一例を示す図The figure which shows an example of a structure of the fuel cell of other embodiment. 試作した燃料電池用電極材料の外観を示す図Diagram showing the appearance of the prototype fuel cell electrode material 試作燃料電池および実験比較燃料電池を説明するための分解図Exploded view for explaining prototype fuel cell and experimental comparison fuel cell 試作した燃料電池用電極材料の概要を示す一覧表List showing the outline of the prototype fuel cell electrode materials 試作した燃料電池用電極材料を用いた燃料電池の実験データを示す図Diagram showing experimental data of fuel cell using prototype fuel cell electrode material 従来の固体高分子形燃料電池の構成の一例を示す図The figure which shows an example of a structure of the conventional polymer electrolyte fuel cell

以下、本発明に係る実施形態の燃料電池用電極材料、その製造方法および燃料電池について、図面を参照して具体的に説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。ここで説明する下記の実施形態は、固体高分子形燃料電池の一例をとりあげて説明する。   Hereinafter, an electrode material for a fuel cell, a manufacturing method thereof, and a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. Here, the same or similar parts are denoted by common reference numerals, and redundant description is omitted. In the following embodiment described here, an example of a polymer electrolyte fuel cell will be described.

図1に、本発明に係る実施形態の燃料電池1の構成の一例を示す。
図1に示す燃料電池1は、固体高分子形燃料電池の一例である。燃料電池1は、図1に示すように、燃料極2、空気極3、PEM膜4、水素ガス吸口部5、酸素ガス吸口部6、水素ガス供給接続部11、酸素ガス供給接続部12および水排出部13を備えている。
FIG. 1 shows an example of the configuration of a fuel cell 1 according to an embodiment of the present invention.
A fuel cell 1 shown in FIG. 1 is an example of a polymer electrolyte fuel cell. As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 includes a fuel electrode 2, an air electrode 3, a PEM membrane 4, a hydrogen gas inlet 5, an oxygen gas inlet 6, a hydrogen gas supply connection 11, an oxygen gas supply connection 12, and A water discharge unit 13 is provided.

燃料極2は、白金族元素(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)を含有しない燃料電池用電極材料21を有するアノード電極である。燃料極2には、例えば外部の水素供給源と接続される水素ガス供給接続部11、および、水素供給源から供給される水素ガスを燃料電池1へ取り込む水素ガス吸口部5を介して、水素ガス(H)が供給される。なお、水素ガスの代わりに、例えばメタノール(CHOH)などの燃料が供給されてもよい。 The fuel electrode 2 is an anode electrode having a fuel cell electrode material 21 that does not contain a platinum group element (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt). Hydrogen is supplied to the fuel electrode 2 through, for example, a hydrogen gas supply connection portion 11 connected to an external hydrogen supply source, and a hydrogen gas inlet portion 5 that takes in hydrogen gas supplied from the hydrogen supply source into the fuel cell 1. Gas (H 2 ) is supplied. Note that fuel such as methanol (CH 3 OH) may be supplied instead of hydrogen gas.

燃料極2において、この供給された水素ガスの燃料が、H→2H+2eの反応によって、水素イオン(H)と電子(e)とに分解される。この後、水素イオンはPEM膜4の膜内を通り、また、電子は電極接続端子14および負荷15を通って、空気極3へと移動する。 In the fuel electrode 2, the supplied hydrogen gas fuel is decomposed into hydrogen ions (H + ) and electrons (e ) by a reaction of H 2 → 2H + + 2e . Thereafter, hydrogen ions pass through the inside of the PEM film 4, and electrons move to the air electrode 3 through the electrode connection terminals 14 and the load 15.

PEM(Proton Exchange Membrane)膜4は、燃料極2と空気極3とに挟まれる構造で設けられる。PEM膜4は、水素ガスが電離しできる水素イオン(H)を、燃料極2側から空気極3側へ運ぶことができる電解膜である。 A PEM (Proton Exchange Membrane) film 4 is provided with a structure sandwiched between a fuel electrode 2 and an air electrode 3. The PEM membrane 4 is an electrolytic membrane that can carry hydrogen ions (H + ) that can be ionized by hydrogen gas from the fuel electrode 2 side to the air electrode 3 side.

空気極3は、白金族元素を含有しない燃料電池用電極材料31を有するカソード電極である。空気極3には、例えば外部の酸素供給源と接続される酸素ガス供給接続部12、および、酸素供給源から供給される酸素ガスを燃料電池1へ取り込む酸素ガス吸口部6を介して、酸素ガス(O)が供給される。 The air electrode 3 is a cathode electrode having a fuel cell electrode material 31 that does not contain a platinum group element. For example, an oxygen gas supply connection unit 12 connected to an external oxygen supply source and an oxygen gas suction port 6 for taking oxygen gas supplied from the oxygen supply source into the fuel cell 1 are connected to the air electrode 3. Gas (O 2 ) is supplied.

空気極3におけるPEM膜4側の近傍では、PEM膜4を通って移動してきた水素イオンと、負荷15および電極接続端子14を通ってきた電子とが、酸素ガスと反応する。すなわち、4H+O+4e→2HOの反応により、水(HO)が生成される。この生成された水は、例えば水排出部13から燃料電池1外へと排出される。 In the vicinity of the PEM film 4 side in the air electrode 3, hydrogen ions that have moved through the PEM film 4 and electrons that have passed through the load 15 and the electrode connection terminal 14 react with oxygen gas. That is, water (H 2 O) is generated by the reaction of 4H + + O 2 + 4e → 2H 2 O. For example, the generated water is discharged from the water discharge unit 13 to the outside of the fuel cell 1.

図2に、燃料極2a(燃料極2の他の実施形態)の構造の一例を示す。図2(a)は、断面図で有り、(b)は平面図である。また、図3に、図2の燃料極2aおよび空気極3aを有する燃料電池1a(燃料電池1の他の実施形態)の構成を示す。   FIG. 2 shows an example of the structure of the fuel electrode 2a (another embodiment of the fuel electrode 2). 2A is a cross-sectional view, and FIG. 2B is a plan view. FIG. 3 shows a configuration of a fuel cell 1a (another embodiment of the fuel cell 1) having the fuel electrode 2a and the air electrode 3a of FIG.

燃料極2aは、図2に示すように、燃料電池用電極材料21と導電材22とから構成される。導電材22は、導通(導電)可能な周知の金属材料などである。   The fuel electrode 2a is composed of a fuel cell electrode material 21 and a conductive material 22, as shown in FIG. The conductive material 22 is a well-known metal material that can conduct (conductive).

導電材22には、平板状の一端の面から他端の面へ貫通する複数の孔23が設けられている。これにより、例えば、図3に示す水素ガス吸口部5へ取り込まれた水素ガスは、導電材22の複数の孔23を通り、燃料電池用電極材料21へ到達可能である。また、導電材22は、電極接続端子14に接続可能とされ、また、燃料極2aと導通可能とするように配置・接続される。   The conductive material 22 is provided with a plurality of holes 23 penetrating from one flat surface to the other surface. Thereby, for example, the hydrogen gas taken into the hydrogen gas inlet 5 shown in FIG. 3 can reach the fuel cell electrode material 21 through the plurality of holes 23 of the conductive material 22. The conductive material 22 can be connected to the electrode connection terminal 14 and is arranged and connected so as to be conductive with the fuel electrode 2a.

なお、図3に示す空気極3aについても、図2に示す燃料極2aの構造と同様な構造であり、燃料電池用電極材料31と、複数の孔33を有する導電材32とから構成される。   The air electrode 3a shown in FIG. 3 has the same structure as that of the fuel electrode 2a shown in FIG. 2, and includes a fuel cell electrode material 31 and a conductive material 32 having a plurality of holes 33. .

<成形体の製造例>
次に、図3に示す燃料電池用電極材料21および31について説明する。従来から、燃料電池用電極の触媒作用について、遷移金属、貴金属に関連付けられた研究・開発が行われている。特に、本発明では、白金族元素以外の異なる遷移金属またはそれらと他の金属の組み合わせで、高活性の触媒作用を有する燃料電池用電極材料を提供することを目的とする。
<Example of production of molded article>
Next, the fuel cell electrode materials 21 and 31 shown in FIG. 3 will be described. Conventionally, research and development related to transition metals and noble metals have been conducted on the catalytic action of fuel cell electrodes. In particular, an object of the present invention is to provide a fuel cell electrode material having a highly active catalytic action using different transition metals other than platinum group elements or a combination of these with other metals.

燃料電池用電極材料21および31は、白金族元素(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)を含有しない金属材料からなる。燃料電池用電極材料21および31は、金属材料として、複数の異なる遷移金属を少なくとも含有する成形体からなる。この成形体は、複数の異なる遷移金属の各々が粉体状に加工され、かつ、燃料電池1aに使用される燃料が成形体を透過可能なように成形体に分散した空隙を有するように、当該各々の粉体が混合されて形成されたものである。   The fuel cell electrode materials 21 and 31 are made of a metal material that does not contain a platinum group element (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt). The fuel cell electrode materials 21 and 31 are formed of a molded body containing at least a plurality of different transition metals as metal materials. In this molded body, each of a plurality of different transition metals is processed into a powder form, and the void used is dispersed in the molded body so that the fuel used in the fuel cell 1a can permeate the molded body. Each of these powders is formed by mixing.

好ましくは、複数の異なる遷移金属は、3d遷移元素に属するFe、Ni、Mn、CrまたはTiのいずれかを少なくとも含むものである。さらに、成形体には、当該含まれる遷移金属以外の金属材料として、当該含まれる遷移金属よりも高い電気伝導率であるCu、Zn、AlまたはMgのいずれかを含むものである。   Preferably, the plurality of different transition metals include at least one of Fe, Ni, Mn, Cr, or Ti belonging to the 3d transition element. Further, the molded body contains any one of Cu, Zn, Al, or Mg, which is higher in electrical conductivity than the transition metal contained, as a metal material other than the contained transition metal.

そこで、実施例として、白金族元素以外の異なる遷移金属またはそれらと他の金属の組み合わせで、高活性の触媒作用を示す材料の一例について示し、説明する。例えば、以降で説明するような製造条件によりいくつかの異なる成形体を製造した実施例を示す。なお、図4に、試作した燃料電池用電極材料21および31(試作した成形体)の外観を示す。   Therefore, as an example, an example of a material exhibiting a highly active catalytic action with a different transition metal other than the platinum group element or a combination thereof with another metal will be described and described. For example, examples are shown in which several different molded bodies are manufactured under the manufacturing conditions described below. FIG. 4 shows the appearance of the prototype fuel cell electrode materials 21 and 31 (prototypes).

<燃料電池用電極材料>
本実施形態の燃料電池用電極材料21および31の実施例では、例えば、以下の異なる複数の遷移金属を含有する成形体が用いられる。
<Fuel cell electrode material>
In the examples of the fuel cell electrode materials 21 and 31 of the present embodiment, for example, molded bodies containing a plurality of different transition metals described below are used.

また、材料コスト的には、複数の異なる遷移金属として、NiおよびFe、または、NiおよびCuを含むものが好ましい。例えば、図4に示す実施例は、異なる遷移金属のなかで、3d遷移金属としてNiを多く含有し、他の3d遷移金属として、Niより質量比で少量のCuと、少量のFeとを含有する成形体である。   In terms of material cost, a material containing Ni and Fe or Ni and Cu as a plurality of different transition metals is preferable. For example, the embodiment shown in FIG. 4 contains a large amount of Ni as a 3d transition metal among different transition metals, and a small amount of Cu and a small amount of Fe by mass ratio than Ni as other 3d transition metals. It is a molded product.

これらの遷移金属またはそれらと他の金属の粉体は、全体的に均一になるように混合される。そして、当該混合された粉体は、加圧および焼結されて、成形体として形成される。このように製造した成形体には、水素ガス、酸素ガス、または、燃料となる溶液などが成形体の厚み方向を透過可能なように、成形体の表面に多数の孔を有し、かつ、成形体の内部に多くの空隙が設けられる構造(多気孔構造とも称す)となっている。   These transition metals or powders of these and other metals are mixed so as to be uniform throughout. Then, the mixed powder is pressed and sintered to form a molded body. The molded body thus produced has a large number of holes on the surface of the molded body so that hydrogen gas, oxygen gas, or a solution serving as a fuel can pass through the thickness direction of the molded body, and It has a structure (also referred to as a multiporous structure) in which many voids are provided inside the molded body.

例えば、粉体をある形状の型に充填して圧力をかけると、圧力の上昇とともに粉体間の空隙は減少する。このように、圧力の大きさによって、成形体の空隙率を調整することができる。このため、所望の空隙率の範囲にあるように成形体を製造するには、加圧する圧力を制御する。   For example, when powder is filled in a mold having a certain shape and pressure is applied, the gap between the powders decreases as the pressure increases. Thus, the porosity of a molded object can be adjusted with the magnitude | size of a pressure. For this reason, in order to manufacture a molded object so that it may exist in the range of the desired porosity, the pressure to pressurize is controlled.

なお、加圧後における焼結時の焼結温度・時間などによっても、空隙率が少し変化するため、最終的に製造される成形体は、これらの条件も加味した調整・制御により、所望の空隙率の範囲にあるように製造される。   Note that the porosity changes slightly depending on the sintering temperature and time during sintering after pressurization, so that the molded product that is finally produced can be obtained by adjusting and controlling these conditions as well. Manufactured to be in the range of porosity.

この成形体に設けられる空隙は、複数の異なる遷移金属または他の金属の表面に囲われた空間である。また、表面上では、成形体の空隙に連なる複数の孔が形成されている。成形体が含有する複数の遷移金属として、3d遷移金属が好ましい。   The space provided in the molded body is a space surrounded by the surfaces of a plurality of different transition metals or other metals. In addition, on the surface, a plurality of holes that continue to the voids of the molded body are formed. As the plurality of transition metals contained in the molded body, 3d transition metals are preferable.

例えば、図4に示す実施例の成形体では、複数の異なる3d遷移金属は、例えばNiを主に多く、CuおよびFeなどを少量含有する。具体的には、図4に示す成形体では、これらの質量比Fe:Ni:Cu=1:48:4である粒子数に対応する割合の金属に囲われた空隙が設けられる。なお、例えばFe−48Ni−4Cuと表記する成形体では、Fe、Ni、Cuの組成比は、質量比で1:48:4であることを示すものとする。   For example, in the molded body of the example shown in FIG. 4, a plurality of different 3d transition metals contain, for example, mainly Ni and a small amount of Cu and Fe. Specifically, the molded body shown in FIG. 4 is provided with voids surrounded by metal at a ratio corresponding to the number of particles having the mass ratio Fe: Ni: Cu = 1: 48: 4. For example, in a molded body expressed as Fe-48Ni-4Cu, the composition ratio of Fe, Ni, and Cu is 1: 48: 4 in terms of mass ratio.

以上のような成形体に設けられた空隙の効果について説明する。例えば、図3に示す燃料極2aに用いられる燃料電池用電極材料21において、前述したような粉体に囲われた空隙を透過する水素ガス(H)は、これらの空隙を通過する際に、(式1)の右側の反応が促進するような触媒作用を有する。
(燃料極) H→2H+2e ・・・(式1)
そして、(式1)により生成した水素イオン(H)は、電解膜であるPEM膜4を透過し、空気極3aに到達する。
The effect of the space | gap provided in the above molded objects is demonstrated. For example, in the fuel cell electrode material 21 used for the fuel electrode 2a shown in FIG. 3, hydrogen gas (H 2 ) that permeates through the voids surrounded by powder as described above passes through these voids. , (Formula 1) has a catalytic action that promotes the reaction on the right side.
(Fuel electrode) H 2 → 2H + + 2e (Expression 1)
And the hydrogen ion (H <+> ) produced | generated by (Formula 1) permeate | transmits the PEM film | membrane 4 which is an electrolytic membrane, and reaches | attains the air electrode 3a.

すなわち、燃料電池用電極材料21における空隙の表面において、水素分子が吸着されて水素原子間の結合が弱められ、電子を放出して水素イオンとなる反応を促進させる触媒作用を働かせている。   That is, hydrogen molecules are adsorbed on the surfaces of the voids in the fuel cell electrode material 21 to weaken the bonds between hydrogen atoms, and act as a catalyst that promotes the reaction of releasing electrons and becoming hydrogen ions.

空気極3aに到達した水素イオン(H)は、PEM膜4と燃料電池用電極材料31とが接する境界近傍において、酸素ガス(O)と、外部の負荷15などに接続された電極接続端子14から供給される電子(e)との化学反応により、(式2)に示すように、水(HO)が生成される。
(空気極) 1/2・O+2H+2e→HO ・・・(式2)
すなわち、燃料電池用電極材料31における空隙の表面、PEM4との境界付近の表面において、酸素分子と水素イオン、電子との反応を促進させる触媒作用を働かせている。従来は、低温型燃料電池の触媒材料として、カーボンブラック担体上に白金触媒を担持したものが用いられていたが、その代わりに、燃料電池用電極材料31を用いることができる。
The hydrogen ions (H + ) that have reached the air electrode 3a are connected to an oxygen gas (O 2 ), an external load 15 and the like in the vicinity of the boundary where the PEM membrane 4 and the fuel cell electrode material 31 are in contact with each other. Water (H 2 O) is generated by a chemical reaction with electrons (e ) supplied from the terminal 14 as shown in (Formula 2).
(Air electrode) 1 / 2.O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (Formula 2)
That is, the catalytic action that promotes the reaction between oxygen molecules, hydrogen ions, and electrons is exerted on the surface of the void in the electrode material 31 for the fuel cell and the surface near the boundary with the PEM 4. Conventionally, as a catalyst material for a low-temperature fuel cell, a material in which a platinum catalyst is supported on a carbon black carrier has been used. Instead, a fuel cell electrode material 31 can be used.

<成形体の製造例>
例えば、以下に説明するような製造条件によりいくつかの異なる成形体を製造した例を示す。ここで、図4に、試作した成形体の外観を示す。また、図6は、試作した成形体(燃料電池用電極材料21および31)の概要を示す一覧表である。
<Example of production of molded article>
For example, an example in which several different molded bodies are manufactured under the manufacturing conditions described below will be shown. Here, FIG. 4 shows an external appearance of the prototype. FIG. 6 is a list showing an outline of the prototypes (fuel cell electrode materials 21 and 31) that have been experimentally produced.

図4に示す成形体は、燃料電池1aに用いるための燃料電池用電極材料21および31である。図4に示す燃料電池用電極材料21および31には、盤状の表面に多数の孔(肉眼で見えるサイズの孔では無い)が空いている。この孔の多くは、成形体の内部の空隙(肉眼で見えるサイズでは無い)の多くが連なるものである。また、成形体の内部の空隙は、燃料電池1aに使用される燃料がこの成形体を透過可能なように形成されている。例えば、図4に示す燃料電池用電極材料21および31に水滴を垂らして、表面が水滴で浸った状態で表面を手で擦ると、水滴が成形体の内部に吸収されていく。   The compacts shown in FIG. 4 are fuel cell electrode materials 21 and 31 for use in the fuel cell 1a. The fuel cell electrode materials 21 and 31 shown in FIG. 4 have a large number of holes (not holes of a size visible to the naked eye) on the disk-shaped surface. Many of the holes are formed by continuous many voids (not having a size that can be seen with the naked eye) inside the molded body. Further, the void inside the molded body is formed so that the fuel used in the fuel cell 1a can pass through the molded body. For example, when a water droplet is dropped on the fuel cell electrode materials 21 and 31 shown in FIG. 4 and the surface is rubbed by hand with the surface immersed in the water droplet, the water droplet is absorbed into the molded body.

本実施形態の例として、燃料電池1aの燃料電池用電極材料21および31に用いるために、図6に示す試作No1、No2、No3、No4の成形体を試作した。試作No1〜No4の製造条件として、それぞれの材料、焼結温度、焼結時間、焼結時の圧力、その他条件は、以下に示すとおりである。   As an example of this embodiment, prototypes No. 1, No. 2, No. 3, and No. 4 shown in FIG. 6 were prototyped for use in the fuel cell electrode materials 21 and 31 of the fuel cell 1a. As production conditions for the prototypes No. 1 to No. 4, the respective materials, sintering temperature, sintering time, pressure during sintering, and other conditions are as shown below.

<成形体の材料>
試作No1、No2、No3、No4の金属材料は、いずれも、Fe−48Ni−4Cuである。すなわち、その金属材料は、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)の金属を、質量比で略1:48:4の組成比として含むものである。
<Material of molded body>
The metal materials of trial production No1, No2, No3, and No4 are all Fe-48Ni-4Cu. That is, the metal material contains Fe (iron), Ni (nickel), and Cu (copper) metals in a mass ratio of approximately 1: 48: 4.

<粉体の形状>
好ましくは、成形体製造のために混合される粉体は、球状または針状、もしくは、少なくとも一の種類の金属材料が球状および他の種類の金属材料が針状に加工されている。
さらに、好ましくは、成形体に含まれる金属のうちで、少なくとも最も融点の低い金属が球状であり、最も高い融点である他の金属が針状の粉体である。
<Powder shape>
Preferably, the powder to be mixed for manufacturing the molded body is spherical or acicular, or at least one type of metal material is processed into a spherical shape and another type of metal material is processed into an acicular shape.
Further, preferably, among the metals contained in the compact, at least the metal having the lowest melting point is spherical, and the other metal having the highest melting point is a needle-like powder.

針状の粉体を用いると、混合された粉体を加圧成形する際に、完成される成形体に透過性のよい空隙を形成し易い点にある。また、最も融点の低い金属が球状の粉体であると、他の金属に接合する際の表面積が大きくとれるためである。   When needle-shaped powder is used, when the mixed powder is pressure-molded, it is easy to form a void having good permeability in the finished molded body. Further, if the metal having the lowest melting point is a spherical powder, the surface area when joining to another metal can be increased.

各々の遷移金属や金属、または、当該遷移金属などを含む合金を粉砕機により、所定の平均粒子径以下になるように粉砕し、粉体とする。粉体の平均粒子径(例えば長手形状の長手部分の長さ又は球形の外径など)は、200(μm)以下とする。例えば、粉砕された粉体は、例えば処理工程においては、気孔径が200(μm)程度以下を通過させるメッシュに通されて、ふるいにかけるなどされる。平均粒子径が200(μm)を上回ると、製造される成形体の反りやクラックなどによって強度が困難となるためである。   Each transition metal or metal, or an alloy containing the transition metal or the like is pulverized by a pulverizer so as to be equal to or smaller than a predetermined average particle diameter to obtain powder. The average particle diameter of the powder (for example, the length of the longitudinal portion of the longitudinal shape or the outer diameter of the sphere) is 200 (μm) or less. For example, the pulverized powder is passed through a mesh that allows a pore diameter of about 200 (μm) or less to pass through, for example, in a processing step, and sieved. This is because if the average particle diameter exceeds 200 (μm), the strength becomes difficult due to warpage or cracks of the molded article to be produced.

好ましくは、平均粒子径は10〜200(μm)である。粉体の多くの平均粒子径が10(μm)を下回ると、加圧時や焼結時において、空隙(気孔)が閉塞し易くなり、製造された成形体における酸素・水素などの透過率が低下するためである。なお、粉砕機などの処理により、粉体のごく一部に平均粒子径が10(μm)を下回る場合もあるが、ごく少量含まれる場合には実用上問題ない。   Preferably, the average particle size is 10 to 200 (μm). When the average particle diameter of many powders is less than 10 (μm), voids (pores) are likely to close during pressing and sintering, and the manufactured compact has a permeability of oxygen, hydrogen, etc. It is because it falls. In some cases, the average particle diameter may be less than 10 (μm) in a small part of the powder by treatment with a pulverizer or the like, but there is no practical problem when a very small amount is contained.

<成形時の圧力>
各遷移金属または金属の粉体を混合機などで均一に分散するように混合し、混合した粉体を成形するための型に入れて、所定の圧力で加圧する。加圧時の圧力は、5〜8(t/cm)程度、換言すれば、およそ500〜800(Mpa)程度である。
<Pressing pressure>
Each transition metal or metal powder is mixed so as to be uniformly dispersed by a mixer or the like, and the mixed powder is put into a mold for molding and pressed at a predetermined pressure. The pressure at the time of pressurization is about 5 to 8 (t / cm 2 ), in other words, about 500 to 800 (Mpa).

目安として、加圧時の圧力が500(Mpa)を下回ると、空隙がやや大きすぎて(空隙率が高くなりすぎて)、製造された成形体にヒビや反りなどが入り易くなり、成形体の強度が低下する。また、加圧時の圧力が800(Mpa)を上回ると、製造された成形体の空隙がやや小さくなりすぎる(空隙率が低くなりすぎる)ためである。   As a guide, if the pressure during pressurization is less than 500 (Mpa), the voids are slightly too large (the void ratio is too high), and the molded body is likely to be cracked or warped. The strength of is reduced. Moreover, it is because the space | gap of the manufactured molded object will become a little too small (the porosity will become low too much) when the pressure at the time of pressurization exceeds 800 (Mpa).

一方、成形体に設けられる空隙(気孔ともいう)は、水素が透過する燃料極2や、酸素が透過する空気極3の透過率に影響を及ぼすため、前述の範囲にあり、かつ、なるべく空隙率が高い方が好ましい。   On the other hand, the voids (also referred to as pores) provided in the molded body are in the above-described range and have voids as much as possible because they affect the transmittance of the fuel electrode 2 through which hydrogen passes and the air electrode 3 through which oxygen passes. A higher rate is preferred.

<焼結条件>
次に、混合された粉体を型枠に入れて加圧成形後に、成形体を焼結する。例えば、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)の組成比が質量比で略1:48:4である金属を含む成形体(Fe−48Ni−4Cu)を焼結する際の焼結条件は、以下のとおりである。
<Sintering conditions>
Next, after the mixed powder is put into a mold and subjected to pressure molding, the compact is sintered. For example, sintering at the time of sintering a compact (Fe-48Ni-4Cu) containing a metal whose composition ratio of Fe (iron), Ni (nickel), and Cu (copper) is approximately 1: 48: 4 by mass ratio. The conclusion conditions are as follows.

(1)焼結温度1100〜1400℃
目安として、焼結温度が1100℃を下回ると、成形体に含まれるCuの融点1084℃を、特に、成形体の内部側ではほぼ下回る。この場合には、高い電気伝導率のCuが融解しないため、他の遷移金属の粉体に密に接合し難い。一方、焼結温度が1400℃を超えると、特に、成形体に多く含まれるNiの融点1455℃を超えた場合に、加圧成形された状態である程度の空隙が設けられているため、この温度加熱によってNiの融解が始まるため、形成された空隙が極端に変形し、また、空隙を塞ぐなどの問題が生じる。また、所望の空隙率を調整し難くなる。
(1) Sintering temperature 1100-1400 ° C
As a guideline, when the sintering temperature is below 1100 ° C., the melting point of Cu contained in the molded body is 1084 ° C., particularly on the inner side of the molded body. In this case, since Cu having high electrical conductivity does not melt, it is difficult to closely bond to other transition metal powders. On the other hand, when the sintering temperature exceeds 1400 ° C., especially when the melting point of Ni contained in the compact is higher than 1455 ° C., a certain amount of voids are provided in the pressure-molded state. Since melting of Ni starts by heating, the formed voids are extremely deformed, and problems such as closing the voids arise. Moreover, it becomes difficult to adjust a desired porosity.

(2)焼結時間4〜6時間程度
設定された焼結温度にて、十分な加熱時間を設けて、圧力常圧(大気圧)程度で、成形体を焼結する。なお、焼結時間4〜6時間は、経験的なものに基づくデータである。また、焼結時には、金属が酸化しないように、雰囲気中には不活性ガスを用いている。
(2) Sintering time About 4-6 hours At the set sintering temperature, a sufficient heating time is provided, and the compact is sintered at about normal pressure (atmospheric pressure). The sintering time of 4 to 6 hours is data based on experience. Further, an inert gas is used in the atmosphere so that the metal is not oxidized during sintering.

(3)焼結後は、自然冷却とする。また、冷却ファン、または、水冷冷却により冷却してもよいが、時間的に急速に冷却する必要はない。急速に冷却すると、成形体にひび、反りなどが生じ易くなるためである。   (3) After sintering, natural cooling is performed. Moreover, although it may cool by a cooling fan or water cooling, it is not necessary to cool rapidly in time. This is because rapid cooling tends to cause cracks and warpage in the molded body.

<製造方法>
以下、本実施形態の燃料電池用電極材料21および31の製造方法の一例について説明する。
<Manufacturing method>
Hereinafter, an example of the manufacturing method of the electrode materials 21 and 31 for fuel cells of this embodiment is demonstrated.

基本の工程として、白金族元素以外の複数の異なる遷移金属またはそれらと他の金属の粉体を全体的に均一になるように混合し、当該混合した粉体を加圧および焼結して、成形体(燃料電池用電極材料21および31)を製造する工程を含む製造方法である。例えば、燃料電池用電極材料21および31の製造方法は、以下のような工程を含んでいる。   As a basic process, a plurality of different transition metals other than platinum group elements or powders of these and other metals are mixed so as to be uniform overall, and the mixed powder is pressed and sintered, It is a manufacturing method including the process of manufacturing a molded object (electrode materials 21 and 31 for fuel cells). For example, the method for manufacturing the fuel cell electrode materials 21 and 31 includes the following steps.

(粉砕工程)
はじめに、第一の工程は、遷移金属またはそれらと他の金属ごとに、粉体として200μm以下に粉砕して加工する粉砕工程である。
好ましくは、粉砕工程には、粉体を球状または針状、もしくは、少なくとも一の種類の金属材料が球状および他の種類の金属材料が針状に加工する形状加工工程をさらに含む。
(Crushing process)
First, a 1st process is a grinding | pulverization process grind | pulverized to 200 micrometers or less as a powder for every transition metal or those and another metal.
Preferably, the pulverizing step further includes a shape processing step in which the powder is processed into a spherical shape or a needle shape, or at least one type of metal material is processed into a spherical shape and another type of metal material is processed into a needle shape.

(混合工程)
次に、第二の工程は、粉砕工程後に、異なる遷移金属を含む粉体を均一に分散するように混合する混合工程である。
(加圧工程)
次に、第三の工程は、混合工程後に、均一に分散された粉体を型枠に入れて、略500〜800Mpaの圧力で加圧して成形体を形成させる加圧工程である。
(Mixing process)
Next, the second step is a mixing step in which powders containing different transition metals are mixed so as to be uniformly dispersed after the pulverization step.
(Pressure process)
Next, the third step is a pressurization step in which the uniformly dispersed powder is put into a mold after the mixing step and is pressed at a pressure of about 500 to 800 MPa to form a molded body.

(焼結工程)
次に、第四の工程は、加圧工程後に、高温で成形体を焼結する焼結工程である。好ましくは、焼結工程の設定した焼結温度において、焼結時間は4〜6時間程度である。
好ましくは、焼結工程において、焼結温度は、金属材料のうちの最も電気伝導率の高い金属の融点よりも高く、当該最も電気伝導率の高い金属以外の金属の融点よりも低い範囲にある。
(Sintering process)
Next, a 4th process is a sintering process which sinters a molded object at high temperature after a pressurization process. Preferably, the sintering time is about 4 to 6 hours at the sintering temperature set in the sintering step.
Preferably, in the sintering step, the sintering temperature is in a range higher than the melting point of the metal having the highest electrical conductivity among the metal materials and lower than the melting point of the metal other than the metal having the highest electrical conductivity. .

以上のような焼結温度とする理由は、焼結工程において加熱を始めると、表面拡散によって粉体同士が接合し、加熱温度が当該含まれる金属のうちの最も高い電気伝導率の金属の融点を超えることにより、成形体の粉体内部においても内部拡散が起こり、粉体が互いに接合する。これにより、焼結された成形体には、高い電気伝導率の金属が他の粉体に対して密に接合する。   The reason for the above sintering temperature is that when heating is started in the sintering process, the powders are joined by surface diffusion, and the heating temperature is the melting point of the metal having the highest electrical conductivity among the included metals. As a result, the internal diffusion also occurs inside the powder of the molded body, and the powders are bonded to each other. As a result, a metal having high electrical conductivity is closely bonded to other powders in the sintered compact.

例えば、Fe−48Ni−4Cuからなる成形体の金属材料として、3d遷移元素に属するFe、Niを含み、さらに、金属材料として、当該含まれる3d遷移金属Fe、Niよりも高い電気伝導率であるCuを含む実施例の場合について説明する。なお、Cuは、3d遷移金属でもある。   For example, the metal material of the molded body made of Fe-48Ni-4Cu includes Fe and Ni belonging to the 3d transition element, and the metal material has a higher electrical conductivity than the 3d transition metal Fe and Ni contained therein. The case of the example containing Cu will be described. Cu is also a 3d transition metal.

例えば、大気圧1気圧では、Cuの融点は1084℃、Feの融点は1536℃、Niの融点は1455℃である(理科年表、平成27年第88冊を参照)。また、ここでいう高い電気伝導率とは、例えば電気抵抗率の値(0℃基準とする)で比較した場合、Fe:8.9(10−8Ωm)、Ni:6.2(10−8Ωm)などの3d遷移金属に比べて、Al:2.50(10−8Ωm)、Cu:1.55(10−8Ωm)、Mg:3.94(10−8Ωm)などの低い電気抵抗特性を有する金属である(理科年表、平成27年第88冊を参照)。 For example, at an atmospheric pressure of 1 atm, the melting point of Cu is 1084 ° C., the melting point of Fe is 1536 ° C., and the melting point of Ni is 1455 ° C. (see Science Chronology, Vol. 88, 2015). Further, where the term high electric conductivity and is, for example, when compared with the value of the electrical resistivity (and 0 ℃ reference), Fe: 8.9 (10 -8 Ωm), Ni: 6.2 (10 - Compared with 3d transition metals such as 8 Ωm), Al: 2.50 (10 −8 Ωm), Cu: 1.55 (10 −8 Ωm), Mg: 3.94 (10 −8 Ωm), etc. It is a metal having electrical resistance characteristics (see Science Chronology, Vol.88, 2015).

この場合には、Fe、NiおよびCuの粉体を含む成形体の焼結工程において(1気圧とした場合)、焼結温度は、金属材料のうちの最も電気伝導率の高い金属Cuの融点1084℃よりも高く、当該最も電気伝導率の高い金属以外の金属の融点(Niの融点1455℃)よりも低い範囲とする。すなわち、焼結温度は、例えば1100〜1400℃の範囲とする。   In this case, in the sintering process of the compact including the powders of Fe, Ni, and Cu (when the pressure is 1 atm), the sintering temperature is the melting point of the metal Cu having the highest electrical conductivity among the metal materials. The range is higher than 1084 ° C. and lower than the melting point of the metal other than the metal having the highest electrical conductivity (Ni melting point: 1455 ° C.). That is, the sintering temperature is in the range of 1100 to 1400 ° C., for example.

<実験データ>
以下、試作燃料電池および実験比較燃料電池を比較した、燃料電池の起電力測定結果について説明する。ここで、図5において、比較測定に用いた試作燃料電池および実験比較燃料電池として、図5(a)には試作燃料電池を構成部品材料ごとに分解した状態を示し、図5(b)には実験比較燃料電池を構成部品材料ごとに分解した状態を示すものである。
<Experimental data>
Hereinafter, the measurement result of the electromotive force of the fuel cell comparing the prototype fuel cell and the experimental comparison fuel cell will be described. Here, in FIG. 5, as the prototype fuel cell and the experimental comparison fuel cell used for the comparative measurement, FIG. 5A shows a state in which the prototype fuel cell is disassembled for each component material, and FIG. Shows a state in which the experimental fuel cell is disassembled for each component material.

図5(a)に示す試作燃料電池は、図3に示す本実施形態の燃料電池1aの構成に基づいて試作したものである。具体的には、図3に示す燃料電池用電極材料21および31に、図6に示す試作No1、No2、No3、No4の各々を用いた燃料電池1aを、4種類の試作燃料電池としたものである。なお、図5(a)に示す燃料電池用電極材料21および31は、図6に示す試作No1、No2、No3、No4の各々において、略円盤状の平均外形に基づき計算すると、片側の表面積S=8.4〜8.9(cm)程度である。 The prototype fuel cell shown in FIG. 5A is a prototype based on the configuration of the fuel cell 1a of the present embodiment shown in FIG. Specifically, the fuel cell 1a using each of the prototypes No. 1, No. 2, No. 3, and No. 4 shown in FIG. 6 as the fuel cell electrode materials 21 and 31 shown in FIG. 3 is made into four types of prototype fuel cells. It is. When the fuel cell electrode materials 21 and 31 shown in FIG. 5A are calculated on the basis of a substantially disk-shaped average outer shape in each of the prototypes No. 1, No. 2, No. 3, and No. 4 shown in FIG. = About 8.4 to 8.9 (cm 2 ).

また、図5(b)に示す実験比較燃料電池は、図8に示す本実施形態の燃料電池100の構成に基づいたものである。具体的には、図5(b)に示す燃料極200aおよび空気極300aに、カーボン担体に白金が担持された電極用触媒201および301(比較試料(B)とする)を用いた構成の市販の燃料電池である。なお、図5(b)に示す電極用触媒201および301は、片側の表面積S=縦4cm×横4cm=16(cm)程度であり、表面には白金が1〜10μm程度の厚さで担持されている。 Further, the experimental comparison fuel cell shown in FIG. 5B is based on the configuration of the fuel cell 100 of the present embodiment shown in FIG. Specifically, a commercially available structure using the electrode catalysts 201 and 301 (referred to as a comparative sample (B)) in which platinum is supported on a carbon carrier on the fuel electrode 200a and the air electrode 300a shown in FIG. 5B. This is a fuel cell. Note that the electrode catalysts 201 and 301 shown in FIG. 5B have a surface area S on one side of 4 cm × 4 cm (width) of about 16 (cm 2 ) and platinum on the surface has a thickness of about 1 to 10 μm. It is supported.

図5(a)に示す試作燃料電池および図5(b)に示す実験比較燃料電池の比較実験において、燃料極2a、200a側に供給する水素には純度99.99%の水素ガスを使用し、空気極3a、300a側に供給する酸素には空気を使用した。また、実験中の雰囲気温度は、室温程度である。   In a comparative experiment of the prototype fuel cell shown in FIG. 5 (a) and the experimental comparison fuel cell shown in FIG. 5 (b), hydrogen gas having a purity of 99.99% was used as hydrogen supplied to the fuel electrodes 2a and 200a. Air was used as oxygen supplied to the air electrodes 3a and 300a. The atmospheric temperature during the experiment is about room temperature.

本実施形態の実施例として、図6に示すように、燃料電池用電極材料21および31に用いる試作No1、No2、No3、No4の成形体を前述したような製造方法により試作した。図6は、これらの試作した成形体の概要を示す一覧表である。特に、試作した成形体の外形・密度などの特性を示す。   As an example of the present embodiment, as shown in FIG. 6, prototypes No. 1, No. 2, No. 3, and No. 4 used for the fuel cell electrode materials 21 and 31 were prototyped by the manufacturing method as described above. FIG. 6 is a list showing an outline of these prototypes. In particular, it shows characteristics such as the external shape and density of the prototype.

図6では、燃料電池用電極材料21および31として用いる成形体の試作No(試作種類)ごとに、電極の材料、略円盤状の平均外形、平均厚さ、密度、相対密度、焼結温度を示す。なお、試作No1〜No4の製造条件として、それぞれの焼結温度、焼結時間、焼結時の圧力などの焼結条件、その他条件については、前述したとおりであり、ここでは、主に試作No1、No2、No3、No4の試作条件の相違点について説明する。   In FIG. 6, for each prototype No. (prototype type) of the molded body used as the fuel cell electrode materials 21 and 31, the electrode material, the substantially disk-shaped average outer shape, the average thickness, the density, the relative density, and the sintering temperature are shown. Show. In addition, as manufacturing conditions of trial manufacture No1-No4, each sintering temperature, sintering time, sintering conditions, such as the pressure at the time of sintering, and other conditions are as having mentioned above, Here, trial manufacture No1 mainly , No. 2, No. 3, and No. 4 will be described in terms of differences in trial production conditions.

<成形体の材料>
試作No1、No2、No3、No4の金属材料は、すべて、Fe−48Ni−4Cuである。ここで、Fe−48Ni−4Cuの表記は、金属材料として含まれる、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)の組成比が質量比で1:48:4であることを示すものである。本材料は、各金属が入手容易であり、材料コスト的にも低コストである。
<Material of molded body>
The metal materials of trial production No1, No2, No3, and No4 are all Fe-48Ni-4Cu. Here, the notation of Fe-48Ni-4Cu indicates that the composition ratio of Fe (iron), Ni (nickel), and Cu (copper) contained as a metal material is 1: 48: 4 in mass ratio. It is. In this material, each metal is easily available, and the material cost is low.

<成形体の密度>
焼結後、図6に示すように、試作No1〜No4の各々について、成形体の平均外形、平均厚さを測定した。また、平均外形および平均厚さから成形体の体積を計算し、さらに試作Noごとの質量を測定して、測定した質量を計算した体積で割り算し、各々の密度を算出した。
<Density of molded body>
After the sintering, as shown in FIG. 6, the average outer shape and the average thickness of the molded body were measured for each of prototype Nos. 1 to 4. Further, the volume of the molded body was calculated from the average outer shape and the average thickness, and the mass for each prototype No. was measured, and the measured mass was divided by the calculated volume to calculate each density.

<成形体の相対密度>
図6に示す成形体の相対密度は、以下のように算出したものである。
公知の技術では、粒子の最密充填の粒子径を組み合わせれば(粒子間の隙間にさらに小さい粒子を埋めていき粒子を配合調整)、理論的な空隙率を4%程度までに充填できることが知られている。そこで、このような最密充填(粒子を96%充填)とされる金属プレートを100%相対密度として、成形体の相対密度を算出する。
<Relative density of molded body>
The relative density of the molded body shown in FIG. 6 is calculated as follows.
In the known technology, if the particle diameter of the close-packed particles is combined (the smaller particles are filled in the gaps between the particles and the particles are mixed and adjusted), the theoretical porosity can be filled to about 4%. Are known. Therefore, the relative density of the molded body is calculated by setting such a metal plate that is closest packed (filled with 96% of particles) to 100% relative density.

例えば、基準とするFe−48Ni−4Cuの相対密度100%における密度ρを、以下のデータ等(理科年表、平成27年第88冊を参照)を用いて、算出した。
Feの密度:7.874(g/cm)、20℃
Niの密度:8.902(g/cm)、25℃
Cuの密度:8.96(g/cm)、20℃
ここで、Fe、Ni、Cuの組成比が質量比で1:48:4であると、例えばこれらの比率で金属の質量及び体積を単純加算した場合、53(g)当たりの体積は5.9654(cm)となるため、53(g)/5.9654(cm)=8.885(g/cm)である。
For example, the density ρ at a relative density of 100% of the reference Fe-48Ni-4Cu was calculated using the following data (see Science Chronology, 2015, Vol. 88).
Fe density: 7.874 (g / cm 3 ), 20 ° C.
Ni density: 8.902 (g / cm 3 ), 25 ° C.
Cu density: 8.96 (g / cm 3 ), 20 ° C.
Here, when the composition ratio of Fe, Ni, and Cu is 1: 48: 4 by mass ratio, for example, when the mass and volume of the metal are simply added at these ratios, the volume per 53 (g) is 5. Since 9654 (cm 3 ), 53 (g) /5.9654 (cm 3 ) = 8.885 (g / cm 3 ).

したがって、Fe、Ni、Cuの粉体を粒子として最密充填とされる金属プレートである場合、
ρ=8.885(g/cm)×0.96=8.53(g/cm
として算出する。以上の密度ρ=8.53(g/cm)を相対密度100%とする比較基準として用い、図6の相対密度を算出した。
Therefore, when it is a metal plate that is closest packed with Fe, Ni, Cu powder as particles,
ρ = 8.885 (g / cm 3 ) × 0.96 = 8.53 (g / cm 3 )
Calculate as The relative density shown in FIG. 6 was calculated using the above density ρ = 8.53 (g / cm 3 ) as a comparison standard with a relative density of 100%.

以上により、図6に示すように、試作No1〜No4の各々の相対密度は、相対密度100%とするρ=8.53(g/cm)を基準として、略65%、70%、75%、80%と算出された。 As described above, as shown in FIG. 6, the relative density of each of the prototypes No. 1 to No. 4 is approximately 65%, 70%, and 75 based on ρ = 8.53 (g / cm 3 ) where the relative density is 100%. % And 80%.

<成形体の空隙率の算出>
前述した最密充填とされる金属プレートを100%相対密度とし、さらに、このときの相対的な空隙率を0%とする基準として用い、成形体の空隙率を(式3)のように定義する。
空隙率=100−相対密度(%) ・・・(式3)
<Calculation of porosity of molded body>
The metal plate used as the closest packing described above is defined as 100% relative density, and the relative porosity at this time is defined as 0%, and the porosity of the molded body is defined as (Equation 3). To do.
Porosity = 100−relative density (%) (Formula 3)

図6に示す相対密度の結果に基づき、試作No1〜No4についての(式3)による空隙率を算出すると、
(試作No1)相対密度65%、空隙率35%
(試作No2)相対密度70%、空隙率30%
(試作No3)相対密度75%、空隙率25%
(試作No4)相対密度80%、空隙率20%
以上のような結果となる。なお、この他にも、空隙率の算出に関して、水または油(接触角の小さな液体)を成形体への含浸量を測定して算出する等の方法であってもよい。
Based on the results of the relative density shown in FIG.
(Prototype No. 1) Relative density 65%, porosity 35%
(Prototype No2) 70% relative density, 30% porosity
(Prototype No. 3) Relative density 75%, porosity 25%
(Prototype No. 4) Relative density 80%, porosity 20%
The result is as described above. In addition to this, regarding the calculation of the porosity, there may be a method of calculating by measuring the amount of water or oil (liquid with a small contact angle) impregnated into the molded body.

<試作条件における焼結温度の相違点>
・焼結温度 温度a=1100〜1300℃(中心温度1200℃程度)
温度b=1000〜1200℃(中心温度1100℃程度)
試作No1の焼結温度は、上記温度aであり、Cuの融点1084℃よりも十分高い中心温度1200℃の範囲にある。一方、試作No2、3、4の焼結温度は、上記温度bであり、Cuの融点1084℃に近い中心温度1100℃程度にある。
<Differences in sintering temperature under prototype conditions>
・ Sintering temperature Temperature a = 1100-1300 ° C. (center temperature around 1200 ° C.)
Temperature b = 1000 to 1200 ° C. (center temperature about 1100 ° C.)
The sintering temperature of the prototype No. 1 is the above-mentioned temperature a and is in the range of the central temperature 1200 ° C. that is sufficiently higher than the melting point 1084 ° C. of Cu. On the other hand, the sintering temperature of the prototypes Nos. 2, 3, and 4 is the temperature b, which is about a central temperature of about 1100 ° C. near the melting point of 1084 ° C. of Cu.

したがって、Cuの融点1084℃よりも十分高い1200℃の範囲では、Cu固体の粉体から液体の状態に遷移する。すなわち、試作No1の焼結温度である焼結工程において、Cuは他の遷移金属より融点が低く、かつ、焼結温度1100〜1300℃であれば、高導電率(高い電気伝導率)のCuが溶けて、高融点(一方の金属より高い融点)のNiおよびFeの粉体に密に結合した状態となる。   Therefore, in the range of 1200 ° C., which is sufficiently higher than the melting point of 1084 ° C., the Cu solid powder transitions to the liquid state. That is, in the sintering process, which is the sintering temperature of the prototype No. 1, Cu has a lower melting point than other transition metals and has a high conductivity (high electrical conductivity) if the sintering temperature is 1100 to 1300 ° C. Melts and is in a state of being closely bonded to Ni and Fe powder having a high melting point (melting point higher than that of one metal).

他方、試作No2、3、4の焼結温度は、中心温度が1100℃であるため、特に成形体の内部側の多くの部分は、Cuの融点1084℃よりも低い焼結温度の1000〜1084℃の範囲にあると考えられ、焼結工程において、加圧成形時のCu固体の粉体のままであるため、NiおよびFeの粉体に十分密に結合したような状態となっていないと考えられる。   On the other hand, since the sintering temperature of the prototypes Nos. 2, 3, and 4 is 1100 ° C., many portions on the inner side of the molded body, in particular, have a sintering temperature of 1000 to 1084 lower than the melting point of Cu of 1084 ° C. It is considered to be in the range of ° C., and in the sintering process, since it remains a Cu solid powder at the time of pressure forming, it is not in a state where it is sufficiently bonded to Ni and Fe powder. Conceivable.

以上のことは、以下に説明する、図7に示す実験結果により妥当性を推論できる。図7は、試作した燃料電池用電極材料を用いた燃料電池の実験データを示す図である。ここで、図7に示す実験結果は、図3の構成において、負荷15の代わりに電圧テスターを電極接続端子14に接続し、試作燃料電池(燃料電池1aに相当)の電極間電圧を測定したデータを示す。また、図8の構成において、同様に、実験比較燃料電池(燃料電池100に相当)の電極間電圧を測定したデータを示す。なお、測定中の雰囲気温度は、室温程度である。   The validity of the above can be inferred from the experimental results described below and shown in FIG. FIG. 7 is a diagram showing experimental data of a fuel cell using a prototype fuel cell electrode material. Here, the experimental results shown in FIG. 7 show that in the configuration of FIG. 3, a voltage tester was connected to the electrode connection terminal 14 instead of the load 15, and the interelectrode voltage of the prototype fuel cell (corresponding to the fuel cell 1a) was measured. Data is shown. Further, in the configuration of FIG. 8, similarly, data obtained by measuring the interelectrode voltage of the experimental comparison fuel cell (corresponding to the fuel cell 100) is shown. Note that the ambient temperature during measurement is about room temperature.

図7において、横軸には測定時間(分)を示し、縦軸には電極間電圧(V)を示す。なお、電極間電圧は、図3に示す電極接続端子14間の電圧である。また、電圧テスターは高抵抗であるため、試作燃料電池および実験比較燃料電池の測定中には、わずかに電流が流れている。そのため、測定初期(測定開始から1分弱前の間)には開放電圧が測定されているため、測定初期以降の測定された端子電圧に比べてやや高い値となっている。   In FIG. 7, the horizontal axis indicates the measurement time (minutes), and the vertical axis indicates the interelectrode voltage (V). The interelectrode voltage is a voltage between the electrode connection terminals 14 shown in FIG. Further, since the voltage tester has a high resistance, a slight current flows during measurement of the prototype fuel cell and the experimental fuel cell. For this reason, since the open circuit voltage is measured at the initial stage of measurement (between a little before 1 minute from the start of measurement), it is slightly higher than the measured terminal voltage after the initial stage of measurement.

図7に示すグラフを参照すると、白金を触媒として使用している比較試料(B)では、実験比較燃料電池の端子電圧が1.2(V)前後程度に測定された。   Referring to the graph shown in FIG. 7, in the comparative sample (B) using platinum as a catalyst, the terminal voltage of the experimental comparative fuel cell was measured around 1.2 (V).

一方、試作No1では、実験比較燃料電池の端子電圧が白金を触媒とした比較試料(B)に比べて、試作燃料電池の端子電圧が平均0.2V程度低い電圧であった。また、他の試作No2〜試作No4では、比較試料(B)に比べて、試作燃料電池の端子電圧が0.6V、0.8V、1.0V低い電圧であった。   On the other hand, in the prototype No. 1, the terminal voltage of the experimental fuel cell was an average voltage lower by about 0.2V than the comparative sample (B) using platinum as a catalyst. In the other prototypes No. 2 to No. 4, the terminal voltages of the prototype fuel cells were 0.6V, 0.8V, and 1.0V lower than those of the comparative sample (B).

この結果より、試作No1は、白金を触媒とし使用している比較試料(B)にはやや劣るものの、十分実用性のある燃料電池用電極材料21および31である。しかしながら、試作No2〜試作No4では、燃料電池1aに用いるものとしては電気的特性が十分でない燃料電池用電極材料21および31である。この要因としては、以下のようなことに起因するものと考えられる。   From this result, prototype No. 1 is fuel cell electrode materials 21 and 31 that are sufficiently practical, though somewhat inferior to the comparative sample (B) using platinum as a catalyst. However, in the prototype No. 2 to the prototype No. 4, the fuel cell electrode materials 21 and 31 have insufficient electrical characteristics for use in the fuel cell 1a. This may be due to the following reasons.

図6を参照すると、試作No1における焼結温度は、温度bより高い温度aで焼結された成形体である。前述したように、高い温度a(焼結温度1100〜1300℃:中心温度1200℃程度)であれば、高い電気伝導率のCuの粉体が溶けて、高融点(一方の遷移金属より高い融点)のNiおよびFeの粉体に密に結合したような状態となる。   If FIG. 6 is referred, the sintering temperature in trial manufacture No1 is the molded object sintered at the temperature a higher than the temperature b. As described above, at a high temperature a (sintering temperature 1100 to 1300 ° C .: center temperature of about 1200 ° C.), Cu powder having a high electric conductivity melts and has a high melting point (a melting point higher than that of one transition metal). ) And Ni and Fe powders.

一方、温度b(焼結温度1000〜1200℃:中心温度1100℃程度)では、特に、成形体の内部側において、焼結温度がCuの融点1084℃を下回る。この場合には、Cuが融解しないため、他の遷移金属の粉体に密に接合し難い。すなわち、試作No1と試作No2〜No4との燃料電池用電極材料としての優劣は、焼結時の焼結温度範囲の設定に依存したものといえる。   On the other hand, at the temperature b (sintering temperature 1000 to 1200 ° C .: center temperature about 1100 ° C.), the sintering temperature is lower than the melting point 1084 ° C. of the Cu, particularly on the inner side of the compact. In this case, since Cu does not melt, it is difficult to closely bond to other transition metal powders. That is, it can be said that the superiority or inferiority of the prototype No. 1 and the prototype Nos. 2 to 4 as the fuel cell electrode material depends on the setting of the sintering temperature range during sintering.

なお、図7におけるサンプル数は多いものではないが、成形体の空隙率と燃料電池1aの端子電圧との相関関係については、ある程度の空隙率の範囲(20〜40%)では成形体の空隙率が大きいほど、燃料電池1aの端子電圧は、実験比較燃料電池の端子電圧により近い値となる傾向がある。   Although the number of samples in FIG. 7 is not large, as for the correlation between the porosity of the molded body and the terminal voltage of the fuel cell 1a, the porosity of the molded body is within a certain range of porosity (20 to 40%). As the rate increases, the terminal voltage of the fuel cell 1a tends to be closer to the terminal voltage of the experimental comparison fuel cell.

好ましくは、成形体の空隙率は、成形体の容積に対し(または前述した最密充填とされる金属プレートを100%相対密度に対し)、20%〜40%の範囲である。この理由としては、空隙率が20%を下回ると、水素ガス、酸素ガスなどの燃料の透過率が低くなり、また、空隙の表面積の割合も低くなるためである。一方、空隙率が40%を上回ると、成形体の構造的な面において、成形体の強度が弱くなり、十分な強度を保ち難くなるためである。   Preferably, the porosity of the molded body is in the range of 20% to 40% with respect to the volume of the molded body (or 100% relative density of the metal plate that is the closest packed). This is because when the porosity is less than 20%, the permeability of fuel such as hydrogen gas or oxygen gas is decreased, and the surface area ratio of the void is also decreased. On the other hand, if the porosity exceeds 40%, the strength of the molded body becomes weak in the structural aspect of the molded body, and it is difficult to maintain sufficient strength.

図7の結果に示すように、白金族元素以外の遷移金属を含有する燃料電池用電極材料21において、電子を放出して水素イオンとなる反応を促進させる触媒作用を確認できた。また、白金族元素以外の遷移金属を含有する燃料電池用電極材料31において、白金の触媒に近づく酸素還元能力を有する触媒作用を確認することができた。   As shown in the results of FIG. 7, in the fuel cell electrode material 21 containing a transition metal other than the platinum group element, it was confirmed that the catalytic action promotes the reaction of releasing electrons and becoming hydrogen ions. Moreover, in the fuel cell electrode material 31 containing a transition metal other than the platinum group element, it was possible to confirm a catalytic action having an oxygen reduction ability approaching that of a platinum catalyst.

また、上記実施例の他にも、成形体における金属材料として、成形体の質量を100質量%とした場合に、Mgを1〜3質量%またはZnを2〜3質量%またはAlを5〜6質量%を少なくとも含み、100質量%から当該含まれる金属の質量%を差し引いた質量%を総計とするNi、FeおよびCrを含むものがよい。
他例1)Ni,Fe,Cr,Mg: Mgを1〜3質量%を含む
他例2)Ni,Fe,Cr,Zn: Znを2〜3質量%を含む
他例3)Ni,Fe,Cr,Al: Alを5〜6質量%を含む
3d遷移金属と、以上のような金属の組み合せなども、燃料電池用電極材料として有望であることがわかった。
In addition to the above examples, as the metal material in the molded body, when the mass of the molded body is 100 mass%, Mg is 1 to 3 mass%, Zn is 2 to 3 mass%, or Al is 5 to 5 mass%. It is preferable to include at least 6% by mass, including Ni, Fe, and Cr, with a total of mass% obtained by subtracting mass% of the contained metal from 100% by mass.
Other Examples 1) Ni, Fe, Cr, Mg: Other Examples including 1 to 3% by mass of Mg 2) Ni, Fe, Cr, Zn: Other Examples including 2 to 3% by mass of Zn 3) Ni, Fe, Cr, Al: A combination of a 3d transition metal containing 5 to 6% by mass of Al and the above metal has been found to be promising as a fuel cell electrode material.

また、粉体に用いる金属材料として、単体の金属だけでなく、2種以上の金属の合金、例えばNiとFeの合金を粉砕して、粉体として用いてもよい。また、所定の粒子径以下の粉末を用いてもよい。   Further, as the metal material used for the powder, not only a single metal but also an alloy of two or more metals, for example, an alloy of Ni and Fe, may be used as a powder. Moreover, you may use the powder below a predetermined particle diameter.

<真贋判定機能>
好ましくは、燃料電池用電極材料21および31には、この成形体の空隙間の一部に赤外線または紫外線で発光する発光物質を担持させ、当製品の偽造品が出た場合にその発光物質の有無をもって真贋判定ができる機能をもたせる。
<Authentication judgment function>
Preferably, the fuel cell electrode materials 21 and 31 support a luminescent material that emits light by infrared or ultraviolet light in a part between the gaps of the molded body, and when a counterfeit product of the product is produced, Provide a function that can determine the authenticity of the presence or absence.

例えば、発光物質等が、成形体における複数の空隙の一部に物理的に嵌っているだけでもよく、接着剤等により空隙中に固定されていてもよく、成形体の表面の一部に埋没していてもよい。   For example, the luminescent material or the like may be physically fitted in a part of the plurality of voids in the molded body, or may be fixed in the void by an adhesive or the like, and is embedded in a part of the surface of the molded body. You may do it.

接着剤を用いる場合、接着剤は、特に限定されず、周知のものを用いることができる。例えば、フェノール樹脂系接着剤、エポキシ樹脂系接着剤などにより、発光物質を焼結された成形体の表面に固定することができる。   When an adhesive is used, the adhesive is not particularly limited, and a well-known one can be used. For example, the luminescent material can be fixed to the surface of the sintered molded body by a phenol resin adhesive, an epoxy resin adhesive, or the like.

また、このような発光物質を担持させる工程(発光物質担持工程)は、例えば焼結後の冷却工程または冷却終了後などにおいて、ある程度の低温度以下(発光物質の特性を損なわない温度以下)で添加・接着する等である。   Further, the step of supporting the luminescent material (luminescent material supporting step) is performed at a certain low temperature or less (a temperature not impairing the characteristics of the luminescent material), for example, in a cooling step after sintering or after completion of cooling. Addition and adhesion.

発光物質は、赤外線や、紫外線などにより発光する物質である。例えば、紫外線などにより発光する発光物質は、主成分として、BaMg2Al1627:Eu、BaMg2Al1627:Eu,Mnなどを含むものである。 The luminescent substance is a substance that emits light by infrared rays, ultraviolet rays, or the like. For example, a light-emitting substance that emits light by ultraviolet rays or the like contains BaMg 2 Al 16 O 27 : Eu, BaMg 2 Al 16 O 27 : Eu, Mn, or the like as a main component.

以上説明したように、本発明は、白金族元素を使用せずに、酸素還元能力を有する燃料電池用電極材料に関する技術を示すものである。また、本実施形態の一例のように、本発明において、白金族元素を使用せずに、電極触媒作用を有する燃料電池用電極材料、その製造方法および燃料電池を提供することができた。   As described above, the present invention shows a technique related to an electrode material for a fuel cell having oxygen reduction ability without using a platinum group element. Further, as an example of the present embodiment, in the present invention, an electrode material for a fuel cell having an electrode catalytic action, a manufacturing method thereof, and a fuel cell can be provided without using a platinum group element.

[他の実施形態]
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。また、例えば、この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、白金を用いる電極触媒を使用する際に、その白金使用量を少量とするために、本発明に係る燃料電池用電極材料を用いるなどである。この実施形態やその変形には、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
[Other Embodiments]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. Further, for example, this embodiment can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. For example, when an electrode catalyst using platinum is used, the fuel cell electrode material according to the present invention is used in order to reduce the amount of platinum used. This embodiment and its modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and their equivalents.

1、1a、100…燃料電池、2、2a、200、200a…燃料極、3、3a、300、300a…空気極、4…PEM膜、5…水素ガス吸口部、6…酸素ガス吸口部、11…水素ガス供給接続部、12…酸素ガス供給接続部、13…水排出部、14…電極接続端子、15…負荷、21、31…燃料電池用電極材料、22、32…導電材、23、33…孔、201、301…電極用触媒   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1a, 100 ... Fuel cell 2, 2a, 200, 200a ... Fuel electrode 3, 3a, 300, 300a ... Air electrode, 4 ... PEM membrane, 5 ... Hydrogen gas inlet part, 6 ... Oxygen gas inlet part, DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Hydrogen gas supply connection part, 12 ... Oxygen gas supply connection part, 13 ... Water discharge part, 14 ... Electrode connection terminal, 15 ... Load, 21, 31 ... Electrode material for fuel cells, 22, 32 ... Conductive material, 23 33, holes, 201, 301 ... catalyst for electrodes

Claims (11)

Ru、Rh、Pd、Os、IrおよびPtの白金族元素を含有しない燃料電池用電極材料であって、
前記燃料電池用電極材料は、金属材料として複数の異なる遷移金属を少なくとも含有する成形体からなり、
前記成形体は、前記金属材料が粉体状に加工され、かつ、燃料電池に使用される燃料が前記成形体を透過可能なように前記成形体に分散した空隙を有するように、当該各々の粉体が混合されて形成された
ことを特徴とする燃料電池用電極材料。
A fuel cell electrode material containing no platinum group elements of Ru, Rh, Pd, Os, Ir and Pt,
The electrode material for a fuel cell comprises a molded body containing at least a plurality of different transition metals as a metal material,
Each of the molded bodies has a void dispersed in the molded body so that the metal material is processed into a powder and fuel used in a fuel cell can pass through the molded body. An electrode material for a fuel cell, which is formed by mixing powder.
前記複数の異なる遷移金属は、3d遷移元素に属するFe、Ni、Mn、CrまたはTiのいずれかを少なくとも含み、
さらに、前記成形体には、当該含まれる遷移金属以外の前記金属材料として、当該含まれる遷移金属よりも高い電気伝導率であるCu、Zn、AlまたはMgのいずれかを含む
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用電極材料。
The plurality of different transition metals include at least one of Fe, Ni, Mn, Cr, or Ti belonging to the 3d transition element,
Furthermore, the molded body includes any one of Cu, Zn, Al, or Mg, which is higher in electrical conductivity than the transition metal included, as the metal material other than the transition metal included. The electrode material for fuel cells according to claim 1.
前記複数の異なる遷移金属は、NiおよびFe、または、NiおよびCuを少なくとも含む
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池用電極材料。
The electrode material for a fuel cell according to claim 2, wherein the plurality of different transition metals include at least Ni and Fe, or Ni and Cu.
前記成形体における前記金属材料の組成比は、前記成形体の質量を100質量%とした場合に、Mgを1〜3質量%またはZnを2〜3質量%またはAlを5〜6質量%を少なくとも含み、100質量%から当該含まれる金属の質量%を差し引いた質量%を総計とするNi、FeおよびCrを含む
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池用電極材料。
The composition ratio of the metal material in the molded body is 1 to 3 mass% for Mg, 2 to 3 mass% for Zn, or 5 to 6 mass% for Al when the mass of the molded body is 100 mass%. 4. The fuel cell electrode material according to claim 3, comprising at least Ni, Fe, and Cr, which includes at least 100% by mass and subtracts mass% of the metal contained from 100% by mass.
前記成形体の空隙率は、前記成形体の容積に対し、20%ないし40%の範囲である
ことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の燃料電池用電極材料。
5. The electrode material for a fuel cell according to claim 1, wherein the porosity of the molded body is in a range of 20% to 40% with respect to the volume of the molded body. .
前記粉体は、球状または針状、もしくは、少なくとも一の種類の前記金属材料が球状および他の種類の前記金属材料が針状に加工された
ことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の燃料電池用電極材料。
6. The powder according to claim 1, wherein the powder is spherical or needle-shaped, or at least one kind of the metal material is spherical and other kinds of the metal material are processed into a needle shape. The electrode material for fuel cells according to any one of the above.
前記成形体に、赤外線または紫外線で発光する発光物質を担持させた
ことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の燃料電池用電極材料。
The electrode material for a fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein a luminescent material that emits light by infrared rays or ultraviolet rays is supported on the molded body.
請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の前記燃料電池用電極材料を製造するための燃料電池用電極材料の製造方法であって、
前記成形体に用いる前記金属材料を粉体として200μm以下に粉砕して加工する粉砕工程と、
前記粉砕工程後に、前記粉体を均一に分散するように混合する混合工程と、
前記混合工程後に、均一に分散された前記粉体を500〜800Mpaの圧力で加圧して成形体を形成させる加圧工程と、
前記加圧工程後に、前記成形体を焼結する焼結工程と、を含む
ことを特徴とする燃料電池用電極材料の製造方法。
A method for producing an electrode material for a fuel cell for producing the electrode material for a fuel cell according to any one of claims 1 to 6,
Crushing step of crushing and processing the metal material used for the molded body as a powder to 200 μm or less;
A mixing step of mixing the powder so as to uniformly disperse after the pulverization step;
After the mixing step, pressurizing the uniformly dispersed powder at a pressure of 500 to 800 Mpa to form a molded body; and
And a sintering step of sintering the compact after the pressurizing step. A method for producing an electrode material for a fuel cell.
前記焼結工程において、焼結温度は、前記金属材料のうちの最も電気伝導率の高い金属の融点よりも高く、当該最も電気伝導率の高い金属以外の金属の融点よりも低い範囲にある
ことを特徴とする請求項8に記載の燃料電池用電極材料の製造方法。
In the sintering step, the sintering temperature is in a range higher than the melting point of the metal having the highest electrical conductivity among the metal materials and lower than the melting point of the metal other than the metal having the highest electrical conductivity. The method for producing a fuel cell electrode material according to claim 8.
前記成形体に、赤外線または紫外線で発光する発光物質を担持させる発光物質担持工程をさらに含む
ことを特徴とする請求項8または請求項9に記載の燃料電池用電極材料の製造方法。
The method for producing an electrode material for a fuel cell according to claim 8 or 9, further comprising a luminescent substance supporting step of supporting a luminescent substance that emits light by infrared rays or ultraviolet rays on the molded body.
空気極または燃料極として、請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の前記燃料電池用電極材料を用いた
ことを特徴とする燃料電池。
A fuel cell comprising the fuel cell electrode material according to any one of claims 1 to 7 as an air electrode or a fuel electrode.
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