JP2022167439A - Membrane electrode assembly and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、膜電極接合体及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、固体高分子電解質の劣化を引き起こすラジカルの発生を抑制する機能がある添加物を含む膜電極接合体及びその製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a membrane electrode assembly and its manufacturing method, and more particularly to a membrane electrode assembly containing an additive that has a function of suppressing the generation of radicals that cause deterioration of a solid polymer electrolyte, and its manufacturing method.
ソーダ電解装置、水電解装置、燃料電池などにおいて、電気化学反応を生じさせる部位に膜電極接合体(MEA)が用いられている。MEAは、酸素と水素の直接反応若しくは電気化学反応によって直接的に生成するラジカル、又は、過酸化水素を経て生成するラジカルにより、電解質が攻撃され劣化すると言われている。
例えば、燃料電池においては、ラジカル攻撃により電解質膜の抵抗増加、クロスリークの増加、薄膜化による短寿命化などが起こることが知られている。さらには、ラジカル攻撃により生成する劣化生成物により触媒被毒が起こり、電解性能や電池性能が低下するおそれがある。
BACKGROUND ART Membrane electrode assemblies (MEAs) are used at sites where electrochemical reactions occur in soda electrolyzers, water electrolyzers, fuel cells, and the like. MEA is said to be deteriorated by attacking the electrolyte by radicals directly generated by direct reaction of oxygen and hydrogen or by electrochemical reaction, or by radicals generated via hydrogen peroxide.
For example, in a fuel cell, it is known that radical attack causes an increase in the resistance of the electrolyte membrane, an increase in cross-leakage, and a shortened lifetime due to thinning. Furthermore, deterioration products generated by radical attack may cause catalyst poisoning, resulting in deterioration of electrolytic performance and battery performance.
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、電解質膜と、電解質膜の両面に接合された触媒層及び拡散層からなる電極とを備え、拡散層の周辺部に硝酸セリウムを含浸させた膜電極接合体が開示されている。
In order to solve this problem, various proposals have been conventionally made.
For example,
同文献には、
(A)ラジカルによる電解質膜の劣化は、MEAの中央部ではなく、周辺部付近で顕著に発生する点、及び、
(B)拡散層の端部にCeを添加すると、発電性能を低下させることなく、有害な過酸化水素を効率良くセル内から除去することが可能となる点
が記載されている。
In the same document,
(A) deterioration of the electrolyte membrane due to radicals occurs notably in the periphery of the MEA, but not in the center; and
(B) Addition of Ce to the edge of the diffusion layer makes it possible to efficiently remove harmful hydrogen peroxide from the cell without lowering power generation performance.
特許文献2には、複数の単セルが水平方向に積層されている燃料電池(すなわち、複数の単セルが鉛直方向に立設されている燃料電池)において、
(a)アノード側撥水層及びカソード側撥水層に、それぞれ、ラジカル抑制剤としてのCeO2が含まれており、かつ、
(b)アノード側撥水層及びカソード側撥水層の鉛直上方部位に含まれるラジカル抑制剤の濃度(溶出したCeイオンの濃度)が、鉛直下方部位に含まれるラジカル抑制剤の濃度より高い
燃料電池が開示されている。
In
(a) the anode-side water-repellent layer and the cathode-side water-repellent layer each contain CeO 2 as a radical inhibitor, and
(b) Fuel in which the concentration of the radical inhibitor contained in the vertically upper portions of the anode-side water-repellent layer and the cathode-side water-repellent layer (concentration of eluted Ce ions) is higher than the concentration of the radical inhibitor contained in the vertically lower portions. A battery is disclosed.
同文献には、
(A)複数の単セルが水平方向に積層されている燃料電池においては、燃料電池の停止後に残水を排出するための掃気制御を実行しても、MEAの鉛直下方部位の残水量は鉛直上方部位の残水量より多くなる点、
(B)ラジカル抑制剤が撥水層に均一に含まれている場合、残水量が少ないMEAの鉛直上方部部位ではラジカル抑制剤の溶出量が少ないために、ヒドロキシラジカルによる劣化を抑制できないのに対し、残水量が多いMEAの鉛直下方部位ではラジカル抑制剤の溶出量が過剰となるために、電解質膜のプロトン移動抵抗が増大する点、及び、
(C)撥水層の鉛直上方部位に含まれるラジカル抑制剤の濃度を、撥水層の鉛直下方部位に含まれるラジカル抑制剤の濃度を高くすると、残水量が少ない鉛直上方部位でのラジカル抑制剤の溶出量を確保しつつ、残水量が多い鉛直下方部位でのラジカル抑制剤の溶出量を抑制できる点
が記載されている。
In the same document,
(A) In a fuel cell in which a plurality of single cells are stacked horizontally, even if scavenging control for discharging residual water is executed after the fuel cell is stopped, the amount of residual water in the vertically lower part of the MEA is more than the residual water content of the upper part,
(B) When the radical inhibitor is uniformly contained in the water-repellent layer, deterioration due to hydroxyl radicals cannot be suppressed because the amount of the radical inhibitor eluted is small in the vertically upper portion of the MEA where the residual water content is small. On the other hand, the proton transfer resistance of the electrolyte membrane increases because the amount of the radical inhibitor eluted becomes excessive at the vertically lower portion of the MEA where the residual water content is large, and
(C) When the concentration of the radical inhibitor contained in the vertically upper portion of the water-repellent layer is increased to the concentration of the radical inhibitor contained in the vertically lower portion of the water-repellent layer, radicals are inhibited in the vertically upper portion where the residual water content is small. It is described that the elution amount of the radical inhibitor can be suppressed at the vertically lower part where the residual water content is large while ensuring the elution amount of the agent.
特許文献3には、燃料ガスの流れと酸化剤ガスの流れとが対抗する向きとなるカウンターフロー型の燃料電池において、
(a)アノード(アノード触媒層又はアノード拡散層)にAgが含まれており、かつ、
(b)燃料ガスの出口側のAg濃度が燃料ガスの入口側のAg濃度より高い
燃料電池が開示されている。
In
(a) Ag is contained in the anode (anode catalyst layer or anode diffusion layer), and
(b) A fuel cell is disclosed in which the Ag concentration on the fuel gas outlet side is higher than the Ag concentration on the fuel gas inlet side.
同文献には、
(A)カウンターフロー型の燃料電池において、燃料ガスの出口側では、入口よりも低湿度となるために、ラジカルによる劣化が起きやすい点、及び、
(B)燃料ガスの出口側のAg濃度を入口側よりも高くすると、燃料電池の発電性能を低下させることなく、ラジカルによる劣化を抑制することができる点
が記載されている。
In the same document,
(A) In a counter-flow fuel cell, the outlet side of the fuel gas has lower humidity than the inlet side, so deterioration due to radicals is likely to occur;
(B) It is described that if the Ag concentration on the fuel gas outlet side is higher than that on the inlet side, deterioration due to radicals can be suppressed without lowering the power generation performance of the fuel cell.
さらに、特許文献4には、延伸PTFE膜にイオン交換材料を含浸させたコンポジット膜の一方の面に、イオン交換材料及び白金担持カーボンを含む第二層が形成された固体高分子電解質膜が開示されている。
同文献には、高強度の固体高分子電解質中に白金担持カーボンを分散させると、燃料電池の寿命が向上する点が記載されている。
Furthermore,
This document describes that dispersing platinum-supported carbon in a high-strength solid polymer electrolyte improves the service life of the fuel cell.
Ceイオン及びAgは、ラジカルを消去する作用がある。そのため、特許文献1~3に記載されているように、化学的劣化の激しい箇所により多くのCeイオン又はAgを添加すると、電解質膜の劣化をある程度抑制することができる。
しかしながら、Ceイオン及びAgイオンは、濃度勾配によって電解質膜の面内方向及び/又は膜厚方向に拡散しやすい。そのため、Ceイオン又はAgイオンが化学的劣化の激しい箇所から移動すると、劣化抑制効果を十分に発現できなくなる場合がある。
Ce ions and Ag have the effect of eliminating radicals. Therefore, as described in
However, Ce ions and Ag ions tend to diffuse in the in-plane direction and/or the film thickness direction of the electrolyte membrane due to the concentration gradient. Therefore, when Ce ions or Ag ions migrate from a location where chemical deterioration is severe, the effect of suppressing deterioration may not be sufficiently exhibited.
同様に、Ptは、ラジカルを消去する作用がある。そのため、特許文献4に記載されているように、Pt電解質膜にPt担持カーボンを添加すると、電解質膜の劣化をある程度抑制することができる。しかし、Ptも同様に、電解質膜内においてイオン化し、濃度勾配によって面内方向及び/又は膜厚方向に拡散する場合がある。さらに、Pt担持カーボンは、Ptが過酸化水素を生成する機能も有するために、Pt担持カーボンの添加位置によっては電解質膜の劣化を促進する可能性がある。
Similarly, Pt has the effect of scavenging radicals. Therefore, as described in
本発明が解決しようとする課題は、固体高分子電解質の劣化を引き起こすラジカルの発生を抑制することが可能な膜電極接合体を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、長期に渡って電解質膜の劣化を抑制することが可能な膜電極接合体を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to provide a membrane electrode assembly capable of suppressing the generation of radicals that cause deterioration of the solid polymer electrolyte.
Another problem to be solved by the present invention is to provide a membrane electrode assembly capable of suppressing deterioration of the electrolyte membrane over a long period of time.
上記課題を解決するために本発明に係る膜電極接合体は、
固体高分子電解質を含む電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に接合されたアノード触媒層と、
前記電解質膜の他方の面に接合されたカソード触媒層と、
前記電解質膜と前記アノード触媒層との界面に配置された第1微粒子と
を備え、
前記第1微粒子は、過酸化水素を分解する機能を有する第1化合物からなる。
In order to solve the above problems, the membrane electrode assembly according to the present invention comprises:
an electrolyte membrane containing a solid polymer electrolyte;
an anode catalyst layer bonded to one surface of the electrolyte membrane;
a cathode catalyst layer bonded to the other surface of the electrolyte membrane;
first fine particles arranged at an interface between the electrolyte membrane and the anode catalyst layer;
The first fine particles are composed of a first compound having a function of decomposing hydrogen peroxide.
本発明に係る膜電極接合体の製造方法は、
電解質膜の表面、及び/又は、アノード触媒層の前記電解質膜側の表面に、過酸化水素を分解する機能を有する第1化合物からなる第1微粒子を付着させる第1工程と、
前記第1微粒子が付着している面が内側になるように、前記電解質膜のアノード側の表面に前記アノード触媒層を形成し、さらに、前記電解質膜の他方の面にカソード触媒層を形成して積層体とする第2工程と、
前記積層体を熱処理し、本発明に係る膜電極接合体を得る第3工程と
を備えている。
A method for manufacturing a membrane electrode assembly according to the present invention comprises:
a first step of attaching first fine particles made of a first compound having a function of decomposing hydrogen peroxide to the surface of the electrolyte membrane and/or the surface of the anode catalyst layer facing the electrolyte membrane;
The anode catalyst layer is formed on the anode-side surface of the electrolyte membrane so that the surface to which the first fine particles are adhered faces the inside, and the cathode catalyst layer is further formed on the other surface of the electrolyte membrane. a second step of forming a laminate;
and a third step of heat-treating the laminate to obtain a membrane electrode assembly according to the present invention.
電解質膜の劣化は、
(a)カソードからアノードに透過した酸素がアノード触媒上において水素と反応することでH2O2が生成し、
(b)アノード触媒上で生成したH2O2が電解質膜内に拡散し、電解質膜中に不純物として混入しているFeとH2O2とが反応することでヒドロキシラジカルが生成し、
(c)ヒドロキシラジカルが電解質を分解する、
ことにより起こると考えられる。
Degradation of the electrolyte membrane
(a) oxygen permeated from the cathode to the anode reacts with hydrogen on the anode catalyst to produce H 2 O 2 ;
(b) H 2 O 2 generated on the anode catalyst diffuses into the electrolyte membrane, and Fe mixed as an impurity in the electrolyte membrane reacts with H 2 O 2 to generate hydroxyl radicals,
(c) hydroxyl radicals decompose electrolytes;
This is thought to be caused by
そのため、過酸化水素を分解する機能を有する第1微粒子を電解質膜とアノード触媒層との界面に存在させると、アノードにおいて生成したH2O2がヒドロキシラジカルとなる前に水と酸素に分解される。その結果、電解質膜の分解が抑制され、電解質膜の化学的耐久性が向上する。 Therefore, when the first fine particles having the function of decomposing hydrogen peroxide are present at the interface between the electrolyte membrane and the anode catalyst layer, the H 2 O 2 generated at the anode is decomposed into water and oxygen before becoming hydroxyl radicals. be. As a result, the decomposition of the electrolyte membrane is suppressed and the chemical durability of the electrolyte membrane is improved.
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 膜電極接合体]
本発明に係る膜電極接合体(以下、「MEA」ともいう)は、
固体高分子電解質を含む電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に接合されたアノード触媒層と、
前記電解質膜の他方の面に接合されたカソード触媒層と、
前記電解質膜と前記アノード触媒層との界面に配置された第1微粒子と
を備えている。
An embodiment of the present invention will be described in detail below.
[1. Membrane electrode assembly]
The membrane electrode assembly (hereinafter also referred to as "MEA") according to the present invention is
an electrolyte membrane containing a solid polymer electrolyte;
an anode catalyst layer bonded to one surface of the electrolyte membrane;
a cathode catalyst layer bonded to the other surface of the electrolyte membrane;
First fine particles are arranged at the interface between the electrolyte membrane and the anode catalyst layer.
[1.1. 電解質膜]
電解質膜は、固体高分子電解質を含む。本発明において、電解質膜に含まれる固体高分子電解質の種類は、特に限定されない。固体高分子電解質は、フッ素系電解質又は炭化水素系電解質のいずれであっても良い。電解質膜には、これらのいずれか1種の固体高分子電解質が含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。
また、固体高分子電解質の酸基の種類についても、特に限定されない。酸基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、スルホンイミド基等がある。固体高分子電解質には、これらの酸基のいずれか1種類のみが含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。
[1.1. Electrolyte membrane]
The electrolyte membrane contains a solid polymer electrolyte. In the present invention, the type of solid polymer electrolyte contained in the electrolyte membrane is not particularly limited. The solid polymer electrolyte may be either a fluorine-based electrolyte or a hydrocarbon-based electrolyte. The electrolyte membrane may contain any one of these solid polymer electrolytes, or may contain two or more of them.
Also, the type of acid group in the solid polymer electrolyte is not particularly limited. Acid groups include sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphonic acid groups, sulfonimide groups, and the like. The solid polymer electrolyte may contain only one of these acid groups, or may contain two or more.
フッ素系電解質としては、例えば、ナフィオン(登録商標)、フレミオン(登録商標)、アクイヴィオン(登録商標)、アシプレックス(登録商標)などがある。
フッ素系電解質は、高分子の構造内にC-H結合を含まない全フッ素系電解質の他に、高分子の構造内にC-H結合とC-F結合とを含む部分フッ素系電解質も含まれる。
Examples of fluorine-based electrolytes include Nafion (registered trademark), Flemion (registered trademark), Aquivion (registered trademark), and Aciplex (registered trademark).
The fluorinated electrolyte includes not only a fully fluorinated electrolyte containing no C—H bonds in the polymer structure, but also a partially fluorinated electrolyte containing C—H bonds and CF bonds in the polymer structure. be
炭化水素系電解質としては、例えば、
(a)スルホン酸基などの酸基が導入されたポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリフェニレン、ポリアミド、ポリアミドイミド、又は、これらの誘導体からなる全芳香族炭化水素系電解質、
(b)脂肪族炭化水素系電解質の高分子鎖の一部に芳香環を有する部分芳香族炭化水素系電解質、
などがある。
Hydrocarbon-based electrolytes include, for example,
(a) a polyetheretherketone, polysulfone, polyethersulfone, polyimide, polyphenylene, polyamide, polyamideimide, or a wholly aromatic hydrocarbon-based electrolyte comprising derivatives thereof, into which an acid group such as a sulfonic acid group is introduced;
(b) a partially aromatic hydrocarbon-based electrolyte having an aromatic ring in part of the polymer chain of the aliphatic hydrocarbon-based electrolyte;
and so on.
さらに、電解質膜は、各種の添加剤を含む固体高分子電解質(複合電解質)のみからなるものでも良く、あるいは、複合電解質と補強材との複合体であっても良い。この場合、補強材の種類は、特に限定されない。
補強材としては、例えば、
(a)ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、パーフルオロアルコキシアルカン(PFA)、パーフルオロエチレンプロペンコポリマー(FEP)、エチレンテトラフルオロエチレンコポリマー(ETFE)などのフッ素系樹脂の多孔膜や不織布、
(b)ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などの炭化水素系樹脂の多孔膜や不織布、
などがある。
Furthermore, the electrolyte membrane may consist of only a solid polymer electrolyte (composite electrolyte) containing various additives, or may be a composite of a composite electrolyte and a reinforcing material. In this case, the type of reinforcing material is not particularly limited.
As a reinforcing material, for example,
(a) porous films and non-woven fabrics of fluororesins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), perfluoroalkoxyalkane (PFA), perfluoroethylenepropene copolymer (FEP), and ethylenetetrafluoroethylene copolymer (ETFE);
(b) porous films and non-woven fabrics of hydrocarbon resins such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP);
and so on.
[1.2. アノード触媒層]
電解質膜の一方の面には、アノード触媒層が接合されている。アノード触媒層は、水素酸化反応に対して活性を有する電極触媒(アノード触媒)と、触媒層アイオノマとを備えている。アノード触媒は、水素酸化反応に対する活性を有する触媒粒子(A)のみからなるものでも良く、あるいは、触媒粒子(A)が担体表面に担持されているものでも良い。
本発明において、触媒層アイオノマ、触媒粒子(A)、及び担体の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な材料を選択することができる。
[1.2. Anode catalyst layer]
An anode catalyst layer is bonded to one surface of the electrolyte membrane. The anode catalyst layer includes an electrode catalyst (anode catalyst) having activity against hydrogen oxidation reaction and a catalyst layer ionomer. The anode catalyst may consist of only catalyst particles (A) having activity against hydrogen oxidation reaction, or may have catalyst particles (A) supported on the surface of a carrier.
In the present invention, materials for the catalyst layer ionomer, the catalyst particles (A), and the carrier are not particularly limited, and optimum materials can be selected according to the purpose.
アノード側の触媒層アイオノマは、電解質膜を構成する固体高分子電解質と同一の材料からなるものでも良く、あるいは、異なる材料でも良い。
触媒粒子(A)としては、例えば、貴金属、2種以上の貴金属を含む合金、1種又は2種以上の貴金属と1種又は2種以上の卑金属との合金などがある。
担体としては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、活性炭、天然黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、ガラス状炭素粉末などがある。
The catalyst layer ionomer on the anode side may be made of the same material as the solid polymer electrolyte forming the electrolyte membrane, or may be made of a different material.
Examples of catalyst particles (A) include noble metals, alloys containing two or more noble metals, and alloys of one or two or more noble metals and one or two or more base metals.
Examples of carriers include carbon black, carbon nanotubes, carbon nanohorns, activated carbon, natural graphite, mesocarbon microbeads, and glassy carbon powder.
[1.3. カソード触媒層]
電解質膜の他方の面には、カソード触媒層が接合されている。カソード触媒層は、酸素還元反応に対して活性を有する電極触媒(カソード触媒)と、触媒層アイオノマとを備えている。カソード触媒は、酸素還元反応に対する活性を有する触媒粒子(B)のみからなるものでも良く、あるいは、触媒粒子(B)が担体表面に担持されているものでも良い。
本発明において、触媒層アイオノマ、触媒粒子(B)、及び担体の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な材料を選択することができる。
[1.3. Cathode catalyst layer]
A cathode catalyst layer is bonded to the other surface of the electrolyte membrane. The cathode catalyst layer includes an electrode catalyst (cathode catalyst) having activity in oxygen reduction reaction and a catalyst layer ionomer. The cathode catalyst may consist of only the catalyst particles (B) having activity for the oxygen reduction reaction, or may have the catalyst particles (B) supported on the surface of the carrier.
In the present invention, materials for the catalyst layer ionomer, the catalyst particles (B), and the carrier are not particularly limited, and optimum materials can be selected according to the purpose.
カソード側の触媒層アイオノマは、電解質膜を構成する固体高分子電解質と同一の材料からなるものでも良く、あるいは、異なる材料でも良い。
触媒粒子(B)としては、例えば、貴金属、2種以上の貴金属を含む合金、1種又は2種以上の貴金属と1種又は2種以上の卑金属とを含む合金などがある。
担体としては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、活性炭、天然黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、ガラス状炭素粉末などがある。
The catalyst layer ionomer on the cathode side may be made of the same material as the solid polymer electrolyte forming the electrolyte membrane, or may be made of a different material.
Examples of catalyst particles (B) include precious metals, alloys containing two or more precious metals, and alloys containing one or more precious metals and one or more base metals.
Examples of carriers include carbon black, carbon nanotubes, carbon nanohorns, activated carbon, natural graphite, mesocarbon microbeads, and glassy carbon powder.
[1.4. 第1微粒子]
[1.4.1. 材料]
「第1微粒子」とは、過酸化水素を分解する機能を有する第1化合物(無機化合物)からなる微粒子をいう。
第1化合物の種類は、過酸化水素を分解する機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。第1化合物としては、例えば、タングステン化合物、モリブデン化合物などがある。
これら中でも、第1化合物は、タングステン化合物が好ましい。タングステン化合物は、他の材料に比べて過酸化水素分解能が高いので、第1微粒子の材料として好適である。
[1.4. first microparticles]
[1.4.1. material]
The term "first microparticles" refers to microparticles made of a first compound (inorganic compound) having a function of decomposing hydrogen peroxide.
The type of the first compound is not particularly limited as long as it exhibits the function of decomposing hydrogen peroxide. Examples of the first compound include tungsten compounds and molybdenum compounds.
Among these, the first compound is preferably a tungsten compound. A tungsten compound is suitable as a material for the first fine particles because it has a higher hydrogen peroxide decomposability than other materials.
タングステン化合物としては、例えば、
(a)酸化タングステン(+IV、+V、+VI)、
(b)タングステン酸塩
などがある。
第1微粒子は、これらのいずれか1種からなるものでも良く、あるいは、2種以上を含む混合物であっても良い。
Examples of tungsten compounds include
(a) tungsten oxide (+IV, +V, +VI),
(b) tungstates;
The first fine particles may consist of any one of these, or may be a mixture containing two or more.
酸化タングステンは、無水物であっても良く、あるいは、水和物であっても良い。酸化タングステンは、特に、WO3・(1/3)H2O又はWO3・2H2Oが好ましい。WO3の1/3水和物又は2水和物は、他の酸化タングステンに比べて過酸化水素分解能が格段に高いので、第1微粒子の材料として特に好適である。
タングステン酸塩としては、例えば、Al2(WO4)3、BaWO4、FeWO4、Ni2WO4、Cu2WO4、ZnWO4、Ce2(WO4)3などがある。
Tungsten oxide may be anhydride or hydrate. Tungsten oxide is particularly preferably WO3. ( 1/3 ) H2O or WO3.2H2O . The 1/3 hydrate or dihydrate of WO 3 is particularly suitable as a material for the first fine particles because it has much higher hydrogen peroxide decomposability than other tungsten oxides.
Examples of tungstates include Al 2 (WO 4 ) 3 , BaWO 4 , FeWO 4 , Ni 2 WO 4 , Cu 2 WO 4 , ZnWO 4 and Ce 2 (WO 4 ) 3 .
[1.4.2. 第1微粒子の位置]
[A. 膜厚方向の位置]
第1微粒子は、電解質膜とアノード触媒層との界面に配置されている。この点が従来とは異なる。
過酸化水素は、カソードからアノードに透過した酸素がアノード触媒上において水素と反応することにより生成する。アノード触媒上において生成した過酸化水素がラジカルになる前に水と酸素に分解されるには、第1微粒子の位置は、アノード側に近いほど良い。ラジカルによる劣化を抑制するためには、第1微粒子は、電解質膜とアノード側触媒層との界面に配置されているのが好ましい。
[1.4.2. Position of first microparticle]
[A. Position in film thickness direction]
The first fine particles are arranged at the interface between the electrolyte membrane and the anode catalyst layer. This point is different from the conventional one.
Hydrogen peroxide is produced by reaction of oxygen permeated from the cathode to the anode with hydrogen on the anode catalyst. In order for the hydrogen peroxide generated on the anode catalyst to be decomposed into water and oxygen before becoming radicals, the position of the first fine particles should be closer to the anode side. In order to suppress deterioration due to radicals, the first fine particles are preferably arranged at the interface between the electrolyte membrane and the anode-side catalyst layer.
[B. 面内方向の位置]
第1微粒子は、電解質膜とアノード触媒層との界面全体に均一に存在していても良く、あるいは、面内方向に偏在(すなわち、界面の一部に存在)していても良い。
[B. In-plane position]
The first microparticles may be uniformly present over the entire interface between the electrolyte membrane and the anode catalyst layer, or may be unevenly distributed in the in-plane direction (that is, present in part of the interface).
MEAの外側には、通常、ガス拡散層が配置される。また、ガス拡散層の外側には、さらに、ガス流路を備えたセパレータ(「集電体」とも呼ばれている)が配置される。
ガス流路の構造(すなわち、燃料ガス及び酸化剤ガスを流す方法)には、種々の構造がある。一方、ガス流路の構造は、ガス流の方向を決めるだけでなく、セル内の温度分布、湿度分布などにも影響を与える。さらに、セル内の温度分布、湿度分布などが変わると、位置により電解質膜の劣化速度も変わる。そのため、第1微粒子は、面内方向に均一に分散させるよりもむしろ、電解質膜の劣化が生じやすい位置に偏在させるのが好ましい。
A gas diffusion layer is typically placed on the outside of the MEA. Further, a separator (also called a "current collector") having a gas flow path is arranged outside the gas diffusion layer.
There are various structures for the structure of the gas flow path (that is, the method for flowing the fuel gas and the oxidant gas). On the other hand, the structure of the gas flow path not only determines the direction of the gas flow, but also affects the temperature distribution and humidity distribution within the cell. Furthermore, when the temperature distribution, humidity distribution, etc. in the cell change, the deterioration rate of the electrolyte membrane also changes depending on the position. Therefore, it is preferable to disperse the first microparticles unevenly in positions where deterioration of the electrolyte membrane is likely to occur, rather than dispersing them uniformly in the in-plane direction.
図1に、燃料ガス(水素)と酸化剤ガス(空気)を所定の方向に流すガス流路構造を備えた燃料電池の模式図を示す。図1に示す番号は、分割されたMEAの領域を表す。
図1において、燃料ガスは、領域1のx軸方向の端部から導入される。領域1に導入された水素ガスは、領域1、4、7、8、5、2、3、6、9の順に流れ、領域9のx軸方向の端部から排出される。一方、酸化剤ガスは、領域3、6、9のy軸方向の端部から導入される。領域3、6、9に導入された酸化剤ガスは、y軸方向に流れ、領域1、4、7のy軸方向の端部から排出される。
FIG. 1 shows a schematic diagram of a fuel cell having a gas channel structure for flowing fuel gas (hydrogen) and oxidant gas (air) in predetermined directions. The numbers shown in FIG. 1 represent the regions of the divided MEA.
In FIG. 1, the fuel gas is introduced from the end of
図1に示す例の場合、領域1、3、6、9は、他の領域に比べてセル内湿度が低くなり、電解質膜の劣化が生じやすくなる。そのため、これらの領域に添加される第1微粒子の含有量を、それ以外の領域の含有量より多くするのが好ましい。
具体的には、劣化が生じやすい領域には、界面に存在する第1微粒子の全量の50~100%を配置するのが好ましい。
In the case of the example shown in FIG. 1,
Specifically, it is preferable to place 50 to 100% of the total amount of the first fine particles present at the interface in the region where deterioration is likely to occur.
[1.4.3. 第1微粒子の平均含有量]
「平均含有量」とは、電解質膜とアノード触媒層との界面に第1微粒子が配置されている場合において、第1微粒子が配置されている領域内にある電解質膜に含まれる固体高分子電解質及び第1微粒子の総質量に対する、第1微粒子の質量の割合をいう。
[1.4.3. Average Content of First Fine Particles]
"Average content" means the solid polymer electrolyte contained in the electrolyte membrane in the region where the first fine particles are arranged when the first fine particles are arranged at the interface between the electrolyte membrane and the anode catalyst layer. and the ratio of the mass of the first fine particles to the total mass of the first fine particles.
第1微粒子の平均含有量は、膜電極接合体の耐久性に影響を与える。第1微粒子の平均含有量が多くなるほど、膜電極接合体の耐久性が向上する。このような効果を得るためには、第1微粒子の平均含有量は、0.01mass%以上が好ましい。平均含有量は、さらに好ましくは、0.05mass%以上、さらに好ましくは、0.1mass%以上である。 The average content of the first fine particles affects the durability of the membrane electrode assembly. As the average content of the first fine particles increases, the durability of the membrane electrode assembly improves. In order to obtain such effects, the average content of the first fine particles is preferably 0.01 mass % or more. The average content is more preferably 0.05 mass% or more, more preferably 0.1 mass% or more.
電解質膜内に第1微粒子を分散させる場合において、第1微粒子の平均含有量が過剰になると、電解質膜が割れる場合がある。しかしながら、第1微粒子を界面に配置する場合、平均含有量が過剰になっても、電解質膜が割れることはない。しかしながら、第1微粒子の平均含有量が過剰になると、電解質膜のプロトン伝導度が低下する場合がある。従って、第1微粒子の平均含有量は、20.0mass%以下が好ましい。平均含有量は、さらに好ましくは、10.0mass%以下、さらに好ましくは、5.0mass%以下である。 When the first fine particles are dispersed in the electrolyte membrane, if the average content of the first fine particles is excessive, the electrolyte membrane may crack. However, when the first fine particles are arranged at the interface, even if the average content becomes excessive, the electrolyte membrane will not crack. However, if the average content of the first microparticles becomes excessive, the proton conductivity of the electrolyte membrane may decrease. Therefore, the average content of the first fine particles is preferably 20.0 mass% or less. The average content is more preferably 10.0 mass% or less, more preferably 5.0 mass% or less.
[1.4.4. 第1微粒子の平均粒径]
「第1微粒子の平均粒径」とは、顕微鏡観察下において、無作為に選択した20個以上の第1微粒子の最大寸法の平均値をいう。
[1.4.4. Average particle diameter of the first fine particles]
"Average particle size of the first fine particles" means the average value of the maximum size of 20 or more randomly selected first fine particles under microscope observation.
第1微粒子の平均粒径は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な平均粒径を選択することができる。一般に、第1微粒子の平均粒径が大きくなりすぎると、第1微粒子が膜を突き破って、ショートやリークが起こる場合がある。従って、第1微粒子の平均粒径は、電解質膜の膜厚の1/10以下が好ましい。平均粒径は、さらに好ましくは、電解質膜の膜厚の1/100以下、さらに好ましくは、1/5000以下である。
一方、第1微粒子の平均粒径が小さくなりすぎると、第1微粒子が溶解しやすくなる。従って、第1微粒子の平均粒径は、0.1nm以上が好ましい。平均粒径は、さらに好ましくは、1.0nm以上、さらに好ましくは、2.0nm以上である。
The average particle size of the first fine particles is not particularly limited, and an optimum average particle size can be selected according to the purpose. In general, if the average particle size of the first fine particles becomes too large, the first fine particles may break through the film, causing short circuits and leaks. Therefore, the average particle size of the first fine particles is preferably 1/10 or less of the thickness of the electrolyte membrane. The average particle size is more preferably 1/100 or less, more preferably 1/5000 or less of the thickness of the electrolyte membrane.
On the other hand, if the average particle size of the first microparticles is too small, the first microparticles are likely to dissolve. Therefore, the average particle size of the first fine particles is preferably 0.1 nm or more. The average particle size is more preferably 1.0 nm or more, more preferably 2.0 nm or more.
[1.5. 第2金属元素のイオン及び/又は第2微粒子]
[1.5.1. 材料]
「第2金属元素」とは、ラジカルを消去する機能を有する金属元素をいう。
「第2化合物」とは、第2金属元素を含む化合物をいう。
「第2微粒子」とは、第2化合物からなる微粒子をいう。
[1.5. Second Metal Element Ions and/or Second Fine Particles]
[1.5.1. material]
"Second metal element" refers to a metal element having the function of eliminating radicals.
A "second compound" refers to a compound containing a second metal element.
"Second microparticles" refer to microparticles composed of a second compound.
ある種の金属元素を含む化合物及びイオンは、主として、ラジカルを消去する作用がある。そのため、電解質膜にこのような金属元素を含む化合物の微粒子、及び/又は、このような金属元素のイオンを適量添加すると、電解質膜の劣化をさらに抑制することができる。 Compounds and ions containing certain metal elements mainly have the effect of scavenging radicals. Therefore, by adding an appropriate amount of fine particles of a compound containing such a metal element and/or ions of such a metal element to the electrolyte membrane, deterioration of the electrolyte membrane can be further suppressed.
第2金属元素としては、例えば、Ce、Ag、Cs、Sn、Mn、Ti、Co、Ni、Zn、Zr、Ru、Rh、Pd、Pt、Prなどがある。電解質膜には、これらのいずれか1種が含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。
これらの中でも、第2金属元素は、Ce、Ag、Cs、Sn、及びMnからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素が好ましい。第2金属元素は、特に、Ceが好ましい。これは、これらはいずれもラジカルの生成を抑制する作用、又は、ラジカルを消去する作用が大きいためである。
Examples of the second metal element include Ce, Ag, Cs, Sn, Mn, Ti, Co, Ni, Zn, Zr, Ru, Rh, Pd, Pt, and Pr. Any one of these may be contained in the electrolyte membrane, or two or more thereof may be contained.
Among these, the second metal element is preferably at least one element selected from the group consisting of Ce, Ag, Cs, Sn, and Mn. Ce is particularly preferable as the second metal element. This is because all of them have a large effect of suppressing generation of radicals or of eliminating radicals.
第2化合物は、水溶性の化合物であっても良く、あるいは、難溶性の化合物であっても良い。水溶性の第2化合物を用いた場合、電解質膜内において第2化合物が解離し、固体高分子電解質の酸基のプロトンの一部が第2金属元素のイオンに置換される。一方、難溶性の第2化合物を用いた場合、第2化合物は、電解質膜内に分散した状態となる。
第2化合物としては、例えば、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、蟻酸塩、酢酸塩、クエン酸塩、過塩素酸塩、リン酸塩、塩化物、フッ化物、水酸化物、アセチルアセトネート化合物などがある。
The second compound may be a water-soluble compound or a sparingly soluble compound. When the water-soluble second compound is used, the second compound is dissociated in the electrolyte membrane, and some of the protons of the acid groups of the solid polymer electrolyte are replaced with ions of the second metal element. On the other hand, when the sparingly soluble second compound is used, the second compound is dispersed in the electrolyte membrane.
Examples of the second compound include nitrates, sulfates, carbonates, formates, acetates, citrates, perchlorates, phosphates, chlorides, fluorides, hydroxides, acetylacetonate compounds, and the like. There is
[1.5.2. 含有量]
電解質膜が第2金属元素のイオン及び/又は第2微粒子を含む場合、電解質膜は、次の式(1)を満たしているのが好ましい。
0.0005≦M/A≦0.15 …(1)
但し、
M/Aは、前記固体高分子電解質に含まれる酸基のモル数(A)に対する、前記第2金属元素のモル数(M)の比。
[1.5.2. Content]
When the electrolyte membrane contains the ions of the second metal element and/or the second fine particles, the electrolyte membrane preferably satisfies the following formula (1).
0.0005≦M/A≦0.15 (1)
however,
M/A is the ratio of the number of moles (M) of the second metal element to the number of moles (A) of acid groups contained in the solid polymer electrolyte.
電解質膜/アノード触媒層の界面に第1微粒子のみを配置した場合であっても、電解質膜の劣化を効果的に抑制することができる。しかしながら、第1微粒子に加えて、電解質膜に第2化合物及び/又は第2金属元素のイオンをさらに添加すると、これらの相乗効果により、電解質膜の劣化がさらに抑制される。このような効果を得るためには、M/A比は、0.0005以上が好ましい。M/A比は、好ましくは、0.001以上、さらに好ましくは、0.005以上である。 Even when only the first fine particles are arranged at the interface of the electrolyte membrane/anode catalyst layer, deterioration of the electrolyte membrane can be effectively suppressed. However, when the second compound and/or the ions of the second metal element are further added to the electrolyte membrane in addition to the first fine particles, the synergistic effect of these further suppresses deterioration of the electrolyte membrane. In order to obtain such effects, the M/A ratio is preferably 0.0005 or more. The M/A ratio is preferably 0.001 or more, more preferably 0.005 or more.
一方、M/A比が大きくなりすぎると、電解質膜の伝導度が低下する場合がある。従って、M/A比は、0.15以下である必要がある。M/A比は、好ましくは、0.10以下、さらに好ましくは、0.05以下、さらに好ましくは、0.04以下、さらに好ましくは、0.03以下である。 On the other hand, if the M/A ratio becomes too large, the conductivity of the electrolyte membrane may decrease. Therefore, the M/A ratio should be 0.15 or less. The M/A ratio is preferably 0.10 or less, more preferably 0.05 or less, still more preferably 0.04 or less, still more preferably 0.03 or less.
[1.5.3. 平均粒径]
電解質膜に第2微粒子を添加する場合、第2微粒子の平均粒径は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な平均粒径を選択することができる。第2微粒子の平均粒径に関するその他の点は、第1微粒子の平均粒径と同様であるので、説明を省略する。
[1.5.3. Average particle size]
When the second fine particles are added to the electrolyte membrane, the average particle size of the second fine particles is not particularly limited, and an optimum average particle size can be selected according to the purpose. Other points regarding the average particle diameter of the second fine particles are the same as the average particle diameter of the first fine particles, so the description is omitted.
[1.5.4. 第2金属元素のイオン又は第2微粒子の位置]
第2金属元素のイオン及び第2微粒子が添加される位置は、特に限定されない。ラジカルは、必ずしもアノード側において生成するとは限らないので、第2金属元素のイオン及び第2微粒子は、カソード側に添加されていても良い。
[1.5.4. Position of Second Metal Element Ions or Second Fine Particles]
The positions where the ions of the second metal element and the second fine particles are added are not particularly limited. Since radicals are not necessarily generated on the anode side, the ions of the second metal element and the second fine particles may be added on the cathode side.
[2. 膜電極接合体の製造方法]
本発明に係る膜電極接合体の製造方法は、
電解質膜の表面、及び/又は、アノード触媒層の前記電解質膜側の表面に、過酸化水素を分解する機能を有する第1化合物からなる第1微粒子を付着させる第1工程と、
前記第1微粒子が付着している面が内側になるように、前記電解質膜のアノード側の表面に前記アノード触媒層を形成し、さらに、前記電解質膜の他方の面にカソード触媒層を形成して積層体とする第2工程と、
前記積層体を熱処理し、本発明に係る膜電極接合体を得る第3工程と
を備えている。
[2. Method for manufacturing membrane electrode assembly]
A method for manufacturing a membrane electrode assembly according to the present invention comprises:
a first step of attaching first fine particles made of a first compound having a function of decomposing hydrogen peroxide to the surface of the electrolyte membrane and/or the surface of the anode catalyst layer facing the electrolyte membrane;
The anode catalyst layer is formed on the anode-side surface of the electrolyte membrane so that the surface to which the first fine particles are adhered faces the inside, and the cathode catalyst layer is further formed on the other surface of the electrolyte membrane. a second step of forming a laminate;
and a third step of heat-treating the laminate to obtain a membrane electrode assembly according to the present invention.
[2.1. 第1工程]
まず、電解質膜の表面、及び/又は、アノード触媒層の前記電解質膜側の表面に、過酸化水素を分解する機能を有する第1化合物からなる第1微粒子を付着させる(第1工程)。
[2.1. First step]
First, first fine particles made of a first compound having a function of decomposing hydrogen peroxide are attached to the surface of the electrolyte membrane and/or the surface of the anode catalyst layer facing the electrolyte membrane (first step).
第1微粒子を付着させる方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法を選択することができる。第1微粒子の付着方法としては、例えば、
(a)第1微粒子を分散させた分散液を電解質膜の表面又はアノード触媒層の表面に散布し、乾燥させる方法、
(b)静電スクリーン印刷法などのドライ塗工法を用いて、電解質膜の表面又はアノード触媒層の表面に第1微粒子を塗工する方法、
などがある。
A method for adhering the first fine particles is not particularly limited, and an optimum method can be selected according to the purpose. As a method for attaching the first fine particles, for example,
(a) A method of spraying a dispersion liquid in which the first fine particles are dispersed on the surface of the electrolyte membrane or the surface of the anode catalyst layer and drying the dispersion liquid;
(b) a method of applying the first fine particles to the surface of the electrolyte membrane or the surface of the anode catalyst layer using a dry coating method such as an electrostatic screen printing method;
and so on.
第1微粒子は、電解質膜の表面又はアノード触媒層の表面のいずれか一方にのみ付着させても良く、あるいは、双方に付着させても良い。
また、第1微粒子は、電解質膜の表面全面、及び/又は、アノード触媒層の表面全面に付着させても良く、あるいは、表面の一部にのみ付着させても良い。
The first fine particles may adhere to either one of the surface of the electrolyte membrane and the surface of the anode catalyst layer, or may adhere to both.
Also, the first fine particles may adhere to the entire surface of the electrolyte membrane and/or the entire surface of the anode catalyst layer, or may adhere to only a portion of the surface.
電解質膜に第2金属元素のイオン又は第2微粒子を添加する方法としては、例えば、
(a)電解質膜を作製するためのキャスト溶液に第2微粒子、又は、第2金属元素を含む溶媒可溶性の化合物を添加する方法、
(b)電解質膜を作製した後、第2金属元素のイオンを含む溶液を電解質膜の表面に塗布し、第2金属元素のイオンを電解質膜内に拡散させる方法、
(c)電解質膜を作製した後、第2金属元素のイオンを含む溶液を電解質膜の表面に塗布し、第2金属元素のイオンを電解質膜内に拡散させ、電解質膜内において第2化合物を析出させる方法、
などがある。
As a method of adding the ions of the second metal element or the second fine particles to the electrolyte membrane, for example,
(a) a method of adding second fine particles or a solvent-soluble compound containing a second metal element to a casting solution for producing an electrolyte membrane;
(b) a method of applying a solution containing ions of the second metal element to the surface of the electrolyte membrane after the electrolyte membrane is produced, and diffusing the ions of the second metal element into the electrolyte membrane;
(c) After preparing the electrolyte membrane, a solution containing ions of the second metal element is applied to the surface of the electrolyte membrane, the ions of the second metal element are diffused into the electrolyte membrane, and the second compound is formed in the electrolyte membrane. a method of precipitating;
and so on.
[2.2. 第2工程]
次に、前記第1微粒子が付着している面が内側になるように、前記電解質膜のアノード側の表面に前記アノード触媒層を形成し、さらに、前記電解質膜の他方の面にカソード触媒層を形成して積層体とする(第2工程)。
[2.2. Second step]
Next, the anode catalyst layer is formed on the anode-side surface of the electrolyte membrane so that the surface to which the first fine particles are adhered faces the inside, and a cathode catalyst layer is formed on the other surface of the electrolyte membrane. is formed to form a laminate (second step).
触媒層の形成方法は、特に限定されない。触媒層の形成方法としては、例えば、
(a)基材表面に触媒層を形成し、電解質膜の表面に触媒層を転写する方法、
(b)電解質膜の表面に触媒層を形成するためのペーストを塗布し、乾燥させる方法、
などがある。
転写法を用いて触媒層を形成する場合、第1微粒子は、触媒層の表面に付着させても良く、あるいは、電解質膜の表面に付着させても良い。
A method for forming the catalyst layer is not particularly limited. As a method for forming the catalyst layer, for example,
(a) a method of forming a catalyst layer on the substrate surface and transferring the catalyst layer to the surface of the electrolyte membrane;
(b) a method of applying a paste for forming a catalyst layer on the surface of the electrolyte membrane and drying it;
and so on.
When the catalyst layer is formed using a transfer method, the first fine particles may be attached to the surface of the catalyst layer, or may be attached to the surface of the electrolyte membrane.
[2.3. 第3工程]
次に、前記積層体を熱処理する(第3工程)。これにより、本発明に係る膜電極接合体が得られる。
熱処理条件は、特に限定されるものではなく、目的に応じて、最適な条件を選択することができる。熱処理は、通常、1kgf/cm2(9.8×10-2MPa)~100kgf/cm2(9.8MPa)の圧力をかけながら、25℃~200℃において、1分~20分間加熱することにより行われる。
[2.3. Third step]
Next, the laminate is heat-treated (third step). Thereby, a membrane electrode assembly according to the present invention is obtained.
The heat treatment conditions are not particularly limited, and optimum conditions can be selected according to the purpose. The heat treatment is usually carried out by heating at 25°C to 200°C for 1 minute to 20 minutes while applying a pressure of 1 kgf/cm 2 (9.8 × 10 -2 MPa) to 100 kgf/cm 2 (9.8 MPa). performed by
[3. 作用]
電解質膜の劣化は、
(a)カソードからアノードに透過した酸素がアノード触媒上において水素と反応することでH2O2が生成し、
(b)アノード触媒上で生成したH2O2が電解質膜内に拡散し、電解質膜中に不純物として混入しているFeとH2O2とが反応することでヒドロキシラジカルが生成し、
(c)ヒドロキシラジカルが電解質を分解する、
ことにより起こると考えられる。
[3. action]
Degradation of the electrolyte membrane
(a) oxygen permeated from the cathode to the anode reacts with hydrogen on the anode catalyst to produce H 2 O 2 ;
(b) H 2 O 2 generated on the anode catalyst diffuses into the electrolyte membrane, and Fe mixed as an impurity in the electrolyte membrane reacts with H 2 O 2 to generate hydroxyl radicals,
(c) hydroxyl radicals decompose electrolytes;
This is thought to be caused by
そのため、過酸化水素を分解する機能を有する第1微粒子を電解質膜とアノード触媒層との界面に存在させると、アノードにおいて生成したH2O2がヒドロキシラジカルとなる前に水と酸素に分解される。その結果、電解質膜の分解が抑制され、電解質膜の化学的耐久性が向上する。
特に、酸化タングステン及びタングステン酸塩は、燃料電池環境下(酸性度、電位)で溶解することがなく、微粒子の状態で電解質膜/アノード触媒層の界面に存在することが可能である。そのため、溶解したイオンが電解質のスルホン酸基とイオン交換することがなく、高いプロトン伝導度を維持できるので、電池性能が低下しない。
また、酸化タングステンの中でも、WO3・(1/3)H2O又はWO3・2H2Oは、他の材料に比べて、格段に高い過酸化水素分解能を示す。そのため、これを、電解質膜/アノード触媒層界面に配置すると、電解質膜の化学的耐久性が向上する。
Therefore, when the first fine particles having the function of decomposing hydrogen peroxide are present at the interface between the electrolyte membrane and the anode catalyst layer, the H 2 O 2 generated at the anode is decomposed into water and oxygen before becoming hydroxyl radicals. be. As a result, the decomposition of the electrolyte membrane is suppressed and the chemical durability of the electrolyte membrane is improved.
In particular, tungsten oxides and tungstates are not soluble in the fuel cell environment (acidity, potential) and can exist in the form of fine particles at the electrolyte membrane/anode catalyst layer interface. Therefore, the dissolved ions do not undergo ion exchange with the sulfonic acid groups of the electrolyte, and high proton conductivity can be maintained, so that the battery performance does not deteriorate.
Among tungsten oxides, WO 3 .(1/3)H 2 O or WO 3 .2H 2 O exhibits remarkably high decomposition of hydrogen peroxide compared to other materials. Therefore, by arranging this at the electrolyte membrane/anode catalyst layer interface, the chemical durability of the electrolyte membrane is improved.
また、燃料電池作動環境下で安定な第1微粒子は、膜電極接合体の内部を移動しない。そのため、本発明に係る方法を用いて、電解質膜の劣化が激しい箇所に選択的に第1微粒子を配置すると、電解質膜の劣化を効率良く抑制することができ、かつ、長期間に渡って劣化抑制効果を持続させることができる。 Also, the first fine particles, which are stable under the operating environment of the fuel cell, do not move inside the membrane electrode assembly. Therefore, if the method according to the present invention is used to selectively dispose the first fine particles at locations where the electrolyte membrane is severely deteriorated, the deterioration of the electrolyte membrane can be efficiently suppressed, and the deterioration can be prevented over a long period of time. The inhibitory effect can be sustained.
さらに、電解質膜/アノード触媒層の界面に第1微粒子を配置することに加えて、電解質膜に第2微粒子及び/又は第2金属元素のイオンをさらに添加すると、これらの添加量が相対的に少量であっても、高い耐久性が得られる。これは、
(a)第1微粒子は、過酸化水素を分解して無害化する作用があり、その添加量が少量であっても、高い過酸化水素分解効果を示すため、
(b)第2微粒子及び第2金属元素のイオンは、ラジカルを消去する作用があるため、
(c)第1微粒子と、第2微粒子及び/又は第2金属元素のイオンとを共存させると、第1微粒子の過酸化水素分解効果が向上するため、及び/又は、
(d)第1微粒子により分解されなかった過酸化水素からラジカルが発生しても、第2微粒子及び/又は第2金属元素のイオンがラジカルを効果的に消去するため、
と考えられる。
Furthermore, in addition to arranging the first fine particles at the interface of the electrolyte membrane/anode catalyst layer, if the second fine particles and/or the ions of the second metal element are further added to the electrolyte membrane, the amounts of these additions are relatively Even with a small amount, high durability can be obtained. this is,
(a) The first fine particles have the effect of decomposing hydrogen peroxide to make it harmless, and even if the amount added is small, they exhibit a high hydrogen peroxide decomposition effect.
(b) Since the ions of the second fine particles and the second metal element have the effect of eliminating radicals,
and/or
(d) Even if radicals are generated from hydrogen peroxide that has not been decomposed by the first fine particles, the ions of the second fine particles and/or the second metal element effectively eliminate the radicals.
it is conceivable that.
(実施例1、比較例1~2)
[1. 試料の作製]
[1.1. 電解質膜の作製]
[1.1.1. 実施例1]
電解質溶液(D2020、ナフィオン(登録商標)分散液、1000EW、20mass%、Chemours社製)と1-プロパノールと超純水とを、電解質溶液:1-プロパノール:水=10:7:3(質量比)となるように混合した。さらに、混合液に超音波を10分間照射することで電解質を分散させ、キャスト溶液を得た。
(Example 1, Comparative Examples 1 and 2)
[1. Preparation of sample]
[1.1. Preparation of electrolyte membrane]
[1.1.1. Example 1]
Electrolyte solution (D2020, Nafion (registered trademark) dispersion, 1000 EW, 20 mass%, manufactured by Chemours), 1-propanol, and ultrapure water were mixed together, electrolyte solution: 1-propanol: water = 10: 7: 3 (mass ratio ) was mixed. Further, the mixed solution was irradiated with ultrasonic waves for 10 minutes to disperse the electrolyte, thereby obtaining a casting solution.
キャスト溶液:1.20gをφ35mmのフラットシャーレに採取し、恒温室雰囲気(25℃)で数日放置して、乾固させた。次いで、シャーレのまま140℃で15分間アニールした。アニール後、膜を超純水で5回洗浄した。さらに、シャーレから膜を剥がし、風乾させた。 Casting solution: 1.20 g was sampled in a flat petri dish of φ35 mm and left in a constant temperature room atmosphere (25° C.) for several days to dry and solidify. Then, the plate was annealed at 140° C. for 15 minutes. After annealing, the film was washed with ultrapure water five times. Furthermore, the membrane was peeled off from the petri dish and air-dried.
次に、WO3を1mass%の割合で分散させたエタノール溶液を調製した。アトマイザースプレーを用いて、電解質膜の表面にエタノール溶液を塗布し、複合電解質膜を得た。WO3の塗布面積は4cm2とした。また、WO3の塗布量は、塗布面積中のWO3の平均含有量(塗布領域に含まれる固体高分子電解質及びWO3の総質量に対するWO3の質量の割合)が20mass%となる量とした。 Next, an ethanol solution was prepared in which WO 3 was dispersed at a rate of 1 mass%. An ethanol solution was applied to the surface of the electrolyte membrane using an atomizer spray to obtain a composite electrolyte membrane. The application area of WO 3 was 4 cm 2 . In addition, the amount of WO3 to be applied is such that the average content of WO3 in the application area ( the ratio of the mass of WO3 to the total mass of the solid polymer electrolyte and WO3 contained in the application area) is 20% by mass. did.
[1.1.2. 比較例1~2]
電解質溶液(D2020、ナフィオン(登録商標)分散液、1000EW、20mass%、Chemours社製)と1-プロパノールと超純水とを、電解質溶液:1-プロパノール:水=10:7:3(質量比)となるように混合した後、さらにWO3を添加した。WO3添加量は、膜全体の平均含有量(膜全体に含まれる固体高分子電解質及びWO3の総質量に対するWO3の質量の割合)が20mass%となる量(比較例1)、又は、3mass%となる量(比較例2)とした。さらに、混合液に超音波を10分間照射することで電解質を分散させ、キャスト溶液を得た。
[1.1.2. Comparative Examples 1 and 2]
Electrolyte solution (D2020, Nafion (registered trademark) dispersion, 1000 EW, 20 mass%, manufactured by Chemours), 1-propanol, and ultrapure water were mixed together, electrolyte solution: 1-propanol: water = 10: 7: 3 (mass ratio ), and then more WO 3 was added. The amount of WO3 added is such that the average content of the entire membrane (the ratio of the mass of WO3 to the total mass of the solid polymer electrolyte and WO3 contained in the entire membrane) is 20 mass% (Comparative Example 1), or The amount (Comparative Example 2) was set to 3 mass%. Further, the mixed solution was irradiated with ultrasonic waves for 10 minutes to disperse the electrolyte, thereby obtaining a casting solution.
キャスト溶液:1.20gをφ35mmのフラットシャーレに採取し、恒温室雰囲気(25℃)で数日放置して、乾固させた。次いで、シャーレのまま140℃で15分間アニールした。アニール後、膜を超純水で5回洗浄した。さらに、シャーレから膜を剥がし、風乾させた。 Casting solution: 1.20 g was sampled in a flat petri dish of φ35 mm and left in a constant temperature room atmosphere (25° C.) for several days to dry and solidify. Then, the plate was annealed at 140° C. for 15 minutes. After annealing, the film was washed with ultrapure water five times. Furthermore, the membrane was peeled off from the petri dish and air-dried.
[1.2. MEAの作製]
電解質膜の両面に触媒層を熱転写(145℃、5分、60kgf/cm2(5.9MPa)して、MEAを作製した。
[1.2. Production of MEA]
A catalyst layer was thermally transferred (145° C., 5 minutes, 60 kgf/cm 2 (5.9 MPa)) to both surfaces of the electrolyte membrane to prepare an MEA.
[2. 試験方法]
[2.1. 目視によるヒビ割れの評価]
MEAを作製する前に、目視により電解質膜のヒビ割れを評価した。
[2.2. 走査型透過電子顕微鏡(SEM)観察]
走査型透過電子顕微鏡(SEM)を用いて、得られたMEAの断面、及び、MEAからアノード触媒層を剥がした後の電解質膜の表面を観察した。
[2. Test method]
[2.1. Visual evaluation of cracks]
Cracking of the electrolyte membrane was visually evaluated before fabricating the MEA.
[2.2. Scanning transmission electron microscope (SEM) observation]
Using a scanning transmission electron microscope (SEM), the cross section of the obtained MEA and the surface of the electrolyte membrane after peeling off the anode catalyst layer from the MEA were observed.
[3. 結果]
[3.1. 目視によるヒビ割れの評価]
表1に、結果を示す。比較例1は、電解質膜にヒビ割れが発生していた。一方、実施例1及び比較例2は、電解質膜にヒビ割れは認められなかった。
[3. result]
[3.1. Visual evaluation of cracks]
Table 1 shows the results. Comparative Example 1 had cracks in the electrolyte membrane. On the other hand, in Example 1 and Comparative Example 2, no cracks were observed in the electrolyte membrane.
[3.2. SEM観察]
図2(A)に、実施例1で得られた膜電極接合体の断面のSEM像を示す。図2(B)に、比較例2で得られた膜電極接合体の断面のSEM像を示す。スプレー法で作製したMEA(実施例1)の場合、WO3は電解質膜とアノード触媒層の界面に存在した。一方、キャスト法で作製したMEA(比較例2)の場合、WO3は電解質膜内のアノード側に偏析していたが、電解質膜とアノード触媒層の界面にはWO3層は認められなかった。
[3.2. SEM observation]
FIG. 2A shows a SEM image of the cross section of the membrane electrode assembly obtained in Example 1. FIG. FIG. 2B shows a SEM image of the cross section of the membrane electrode assembly obtained in Comparative Example 2. As shown in FIG. In the MEA prepared by the spray method (Example 1 ), WO3 was present at the interface between the electrolyte membrane and the anode catalyst layer. On the other hand, in the MEA produced by the casting method (Comparative Example 2 ), WO3 was segregated on the anode side in the electrolyte membrane , but no WO3 layer was observed at the interface between the electrolyte membrane and the anode catalyst layer. .
図3(A)に、実施例1で得られた膜電極接合体からアノード触媒層を剥がした後の電解質膜表面のSEM像を示す。さらに、図3(B)に、比較例2で得られた膜電極接合体からアノード触媒層を剥がした後の電解膜表面のSEM像を示す。
比較例2の場合、アノード触媒層を剥がした後の電解質膜の表面の大半は電解質からなり、電解質膜の表面に露出しているWO3はほとんど認められなかった。一方、実施例1の場合、アノード触媒層を剥がした後の電解質膜の表面には、WO3しか確認できなかった。
FIG. 3A shows an SEM image of the electrolyte membrane surface after the anode catalyst layer was peeled off from the membrane electrode assembly obtained in Example 1. FIG. Further, FIG. 3B shows an SEM image of the electrolytic membrane surface after the anode catalyst layer was peeled off from the membrane electrode assembly obtained in Comparative Example 2. As shown in FIG.
In the case of Comparative Example 2, most of the surface of the electrolyte membrane after peeling off the anode catalyst layer consisted of the electrolyte, and almost no WO 3 exposed on the surface of the electrolyte membrane was observed. On the other hand, in the case of Example 1 , only WO3 was confirmed on the surface of the electrolyte membrane after the anode catalyst layer was peeled off.
(実施例2、比較例3)
[1. 試料の作製]
[1.1. 実施例2]
実施例1と同様にして、電解質膜のアノード側表面にWO3粉末を塗布(塗布面積:4cm2)した電解質膜を作製した。
(Example 2, Comparative Example 3)
[1. Preparation of sample]
[1.1. Example 2]
In the same manner as in Example 1, an electrolyte membrane was prepared by coating the anode-side surface of the electrolyte membrane with WO 3 powder (coating area: 4 cm 2 ).
[1.2. 比較例3]
実施例1と同様にして、電解質のみからなるキャスト膜を作製した。
次に、硝酸セリウムを1mass%の割合で分散させた水溶液を調製した。アトマイザースプレーを用いて、電解質膜の表面に水溶液を塗布し、複合電解質膜を得た。Ceの塗布面積は4cm2とした。また、Ceの塗布量は、塗布面積中の電解質膜のスルホン酸基量の20%に相当する量とした。
[1.2. Comparative Example 3]
In the same manner as in Example 1, a cast membrane consisting of only the electrolyte was produced.
Next, an aqueous solution was prepared in which cerium nitrate was dispersed at a rate of 1% by mass. An aqueous solution was applied to the surface of the electrolyte membrane using an atomizer spray to obtain a composite electrolyte membrane. The Ce coating area was 4 cm 2 . Also, the amount of Ce applied was set to an amount corresponding to 20% of the amount of sulfonic acid groups of the electrolyte membrane in the applied area.
[2. 試験方法]
得られた電解質膜を80℃、80%RHの条件で72時間放置した。その後、電解質膜に含まれるW量又はCe量を定量し、試験前後の値を比較した。
図4に、各種添加剤を含む溶液の塗布位置、及び、W又はCeの定量位置を示す。図4に示すように、各種添加剤は、電解質膜のほぼ中央に塗布した。また、W又はCeの定量は、添加剤の塗布領域のほぼ中央の領域(定量位置1)と、添加剤を塗布していない領域(定量位置2)の2箇所で行った。
[2. Test method]
The obtained electrolyte membrane was left under conditions of 80° C. and 80% RH for 72 hours. After that, the amount of W or Ce contained in the electrolyte membrane was quantified, and the values before and after the test were compared.
FIG. 4 shows the application positions of solutions containing various additives and the quantitative positions of W or Ce. As shown in FIG. 4, various additives were applied approximately in the center of the electrolyte membrane. In addition, W or Ce was quantified at two points, a region near the center of the additive-coated region (quantification position 1) and a region where no additive was applied (quantification position 2).
[3. 結果]
表2に結果を示す。実施例2の場合、定量位置1におけるW量は、試験前後においてほとんど変化がなかった。また、定量位置2におけるW量は、初期及び試験後のいずれもゼロであった。
一方、比較例3の場合、定量位置1におけるCe量は、試験後に大きく減少した。また、定量位置2では、初期状態でも既に少量のCeが検出され、試験後においてはCe量が増大した。
以上の結果から、劣化を抑制したい箇所にWO3を選択的に添加すると、当該箇所における劣化抑制効果を長期間に渡って持続させることができることが分かった。
[3. result]
Table 2 shows the results. In the case of Example 2, the amount of W at the
On the other hand, in the case of Comparative Example 3, the amount of Ce at the
From the above results, it was found that selective addition of WO 3 to a portion where deterioration is to be suppressed can maintain the effect of suppressing deterioration over a long period of time.
(実施例4~10、比較例4)
[1. 試験方法]
0.067mmolの各種添加剤を10mLの水に分散させて分散液とし、この分散液にさらに4.41mmolの過酸化水素を添加した。添加剤には、以下のものを用いた。
(a)タングステン酸アルミニウム(Al2(WO4)3)(実施例4)
(b)タングステン酸バリウム(BaWO4)(実施例5)
(c)タングステン酸鉄(FeWO4)(実施例6)
(d)タングステン酸ニッケル(Ni2WO4)(実施例7)
(e)タングステン酸銅(Cu2WO4)(実施例8)
(f)タングステン酸亜鉛(ZnWO4)(実施例9)
(g)WO2(実施例10)
(h)無添加(比較例4)
(Examples 4 to 10, Comparative Example 4)
[1. Test method]
0.067 mmol of various additives were dispersed in 10 mL of water to form a dispersion, to which 4.41 mmol of hydrogen peroxide was further added. The following additives were used.
(a) Aluminum tungstate (Al2 ( WO4) 3 ) (Example 4 )
(b) Barium tungstate ( BaWO4 ) (Example 5)
(c) Iron tungstate ( FeWO4 ) (Example 6)
( d ) Nickel tungstate ( Ni2WO4 ) (Example 7)
(e) Copper tungstate ( Cu2WO4 ) (Example 8 )
(f) Zinc tungstate ( ZnWO4 ) (Example 9)
(g) WO2 (Example 10)
(h) No additive (Comparative Example 4)
得られた分散液を80℃で1時間保持した後、分散液に残存している過酸化水素濃度を測定した。さらに、次の式(2)から過酸化水素分解率を算出した。
過酸化水素分解率(%)=(C0-C)×100/C0 …(2)
但し、
C0は、元の分散液に含まれる過酸化水素の濃度、
Cは、80℃で1時間保持後の分散液に含まれる過酸化水素の濃度。
After holding the resulting dispersion at 80° C. for 1 hour, the concentration of hydrogen peroxide remaining in the dispersion was measured. Furthermore, the hydrogen peroxide decomposition rate was calculated from the following formula (2).
Hydrogen peroxide decomposition rate (%) = (C 0 - C) x 100/C 0 (2)
however,
C 0 is the concentration of hydrogen peroxide contained in the original dispersion,
C is the concentration of hydrogen peroxide contained in the dispersion after being held at 80° C. for 1 hour.
[2. 結果]
表3に、各種添加剤のH2O2分解率を示す。本実験条件において、H2O2は、熱による自己分解をしないことが分かった(比較例4)。一方、実施例10のWO2だけでなく、実施例4~9の各種タングステン酸塩を用いた場合においてもH2O2は分解した。
以上より、タングステン酸塩を電解質とアノード側触媒層の界面に配置することで、化学劣化が抑制されることが予想される。
[2. result]
Table 3 shows the H 2 O 2 decomposition rate of various additives. It was found that H 2 O 2 does not undergo thermal self-decomposition under the experimental conditions (Comparative Example 4). On the other hand, not only WO 2 of Example 10 but also H 2 O 2 was decomposed when various tungstates of Examples 4 to 9 were used.
From the above, it is expected that chemical deterioration is suppressed by arranging the tungstate at the interface between the electrolyte and the anode-side catalyst layer.
(実施例11~12、比較例5)
[1. 試料の作製]
[1.1. 実施例11]
キャスト溶液に、電解質膜のスルホン酸基の1%がFeイオンで置換される量の硫酸鉄をさらに加えた以外は、実施例1と同様にしてMEAを作製した。
[1.2. 比較例5]
キャスト溶液に、電解質膜のスルホン酸基の1%がFeイオンで置換される量の硫酸鉄をさらに加えた以外は、比較例2と同様にしてMEAを作製した。
[1.3. 実施例12]
キャスト溶液に、電解質膜のスルホン酸基の1%がFeイオンで置換される量の硫酸鉄、及び、電解質膜のスルホン酸基の4.4%がCeイオンで置換される量の硝酸セリウムをさらに加えた以外は、実施例1と同様にしてMEAを作製した。
(Examples 11-12, Comparative Example 5)
[1. Preparation of sample]
[1.1. Example 11]
An MEA was produced in the same manner as in Example 1, except that iron sulfate was added to the casting solution in such an amount that 1% of the sulfonic acid groups of the electrolyte membrane were replaced with Fe ions.
[1.2. Comparative Example 5]
An MEA was produced in the same manner as in Comparative Example 2, except that iron sulfate was added to the casting solution in such an amount that 1% of the sulfonic acid groups of the electrolyte membrane were replaced with Fe ions.
[1.3. Example 12]
Iron sulfate in an amount such that 1% of the sulfonic acid groups of the electrolyte membrane are replaced with Fe ions and cerium nitrate in an amount such that 4.4% of the sulfonic acid groups of the electrolyte membrane are replaced with Ce ions are added to the casting solution. An MEA was produced in the same manner as in Example 1, except that additional components were added.
[2. 試験方法]
得られたMEAの両側にガス拡散層を配置し、燃料電池セルに組み付けた。電極面積は0.64cm2とした。次いで、得られた燃料電池セルを用いて、以下の条件下で90時間の開回路(OC)耐久試験を行った。
セル温度:95℃
湿度:アノード及びカソード共に30%RH
ガス流量:300cc/min(アノード:H2、カソード:O2)
背圧:133kPa
[2. Test method]
Gas diffusion layers were placed on both sides of the obtained MEA, and assembled into a fuel cell. The electrode area was 0.64 cm 2 . Next, using the obtained fuel cell, an open circuit (OC) endurance test was conducted for 90 hours under the following conditions.
Cell temperature: 95°C
Humidity: 30% RH for both anode and cathode
Gas flow rate: 300 cc/min ( anode: H2, cathode: O2 )
Back pressure: 133kPa
燃料電池から排出された試験中の加湿ガスを凝縮させ、得られた水を24時間毎に回収した。回収水中には、電解質膜が化学劣化分解したFイオンが溶解している。これをイオンクロマトグラフィーにより定量し、90時間までのFイオン量の累計を算出した。 The humidified gas under test discharged from the fuel cell was condensed and the resulting water was collected every 24 hours. In the collected water, F ions, which are chemically degraded and decomposed in the electrolyte membrane, are dissolved. This was quantified by ion chromatography, and the total amount of F ions up to 90 hours was calculated.
[3. 結果]
表4に結果を示す。表4より、実施例11は、比較例5に比べてF溶出量が少ないことが分かる。これは、電解質膜/アノード触媒層界面にWO2を偏在させることにより、過酸化水素が効率良く分解されたためと考えられる。さらに、実施例12は、実施例11よりもさらにF溶出量が減少しており、CeとWの複合添加の効果が認められた。
[3. result]
Table 4 shows the results. From Table 4, it can be seen that Example 11 has a smaller F elution amount than Comparative Example 5. This is probably because hydrogen peroxide was efficiently decomposed by uneven distribution of WO 2 at the electrolyte membrane/anode catalyst layer interface. Furthermore, in Example 12, the F elution amount was further reduced than in Example 11, and the effect of combined addition of Ce and W was recognized.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is by no means limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention.
本発明に係る膜電極接合体は、固体高分子形燃料電池、固体高分子形水電解装置などの各種電気化学デバイスに用いることができる。 The membrane electrode assembly according to the present invention can be used for various electrochemical devices such as polymer electrolyte fuel cells and polymer electrolyte water electrolysis devices.
Claims (10)
前記電解質膜の一方の面に接合されたアノード触媒層と、
前記電解質膜の他方の面に接合されたカソード触媒層と、
前記電解質膜と前記アノード触媒層との界面に配置された第1微粒子と
を備え、
前記第1微粒子は、過酸化水素を分解する機能を有する第1化合物からなる
膜電極接合体。 an electrolyte membrane containing a solid polymer electrolyte;
an anode catalyst layer bonded to one surface of the electrolyte membrane;
a cathode catalyst layer bonded to the other surface of the electrolyte membrane;
first fine particles arranged at an interface between the electrolyte membrane and the anode catalyst layer;
The membrane electrode assembly, wherein the first fine particles are composed of a first compound having a function of decomposing hydrogen peroxide.
(b)前記電解質膜内に分散している、前記第2金属元素を含む第2化合物からなる第2微粒子
をさらに含む請求項1から5までのいずれか1項に記載の膜電極接合体。 and/or
(b) The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 5, further comprising second fine particles made of a second compound containing the second metal element and dispersed in the electrolyte membrane.
0.0005≦M/A≦0.15 …(1)
但し、
M/Aは、前記固体高分子電解質に含まれる前記酸基のモル数(A)に対する、前記第2金属元素のモル数(M)の比。 8. The membrane electrode assembly according to claim 6, which satisfies the following formula (1).
0.0005≦M/A≦0.15 (1)
however,
M/A is the ratio of the number of moles (M) of the second metal element to the number of moles (A) of the acid groups contained in the solid polymer electrolyte.
前記第1微粒子が付着している面が内側になるように、前記電解質膜のアノード側の表面に前記アノード触媒層を形成し、さらに、前記電解質膜の他方の面にカソード触媒層を形成して積層体とする第2工程と、
前記積層体を熱処理し、請求項1から9までのいずれか1項に記載の膜電極接合体を得る第3工程と
を備えた膜電極接合体の製造方法。 a first step of attaching first fine particles made of a first compound having a function of decomposing hydrogen peroxide to the surface of the electrolyte membrane and/or the surface of the anode catalyst layer facing the electrolyte membrane;
The anode catalyst layer is formed on the anode-side surface of the electrolyte membrane so that the surface to which the first fine particles are adhered faces the inside, and the cathode catalyst layer is further formed on the other surface of the electrolyte membrane. a second step of forming a laminate;
A method for manufacturing a membrane electrode assembly, comprising a third step of heat-treating the laminate to obtain the membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 9.
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