JP4407308B2 - Method for producing catalyst electrode for direct methanol fuel cell, method for producing membrane electrode assembly for direct methanol fuel cell, and method for producing direct methanol fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、ダイレクトメタノール型の固体高分子電解質型燃料電池等に好適に用いられるダイレクトメタノール型燃料電池用の触媒電極の製造方法、その膜電極接合体(MEA:Membrane-Electrode Assembly)の製造方法、及びその燃料電池の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method of manufacturing a catalytic electrode for DMFC suitably used for the direct methanol solid polymer electrolyte fuel cell or the like, the membrane electrode assembly (MEA: Membrane-Electrode Assembly) The method of manufacturing And a method of manufacturing the fuel cell .
燃料電池は、燃料が酸化される際に発生する燃焼熱を高い効率で電気エネルギーに変換することを可能にする装置であり、窒素酸化物などの環境汚染物質を生成せずクリーンであることなどから、次世代の電気エネルギー発生装置として注目され、各方面で盛んに開発が進められている。 A fuel cell is a device that makes it possible to convert combustion heat generated when fuel is oxidized into electrical energy with high efficiency, and it is clean without producing environmental pollutants such as nitrogen oxides. Therefore, it has been attracting attention as a next-generation electric energy generator and is being actively developed in various fields.
その一つである固体高分子電解質型燃料電池(以下、PEFCと略記する。)は、主として燃料極、酸素極、及び両電極間に挟持された水素イオン(プロトン)伝導膜で構成され、これらの電極に供給される燃料と酸素との反応による起電力が燃料極と酸素極との間に発生する。 One of them, a solid polymer electrolyte fuel cell (hereinafter abbreviated as PEFC), is mainly composed of a fuel electrode, an oxygen electrode, and a hydrogen ion (proton) conductive membrane sandwiched between both electrodes. An electromotive force is generated between the fuel electrode and the oxygen electrode due to the reaction between the fuel and oxygen supplied to the electrode.
例えば、燃料が水素である場合には、燃料極に供給された水素は、下記(式1)
2H2 → 4H+ +4e- (式1)
の反応により酸化され、燃料極に電子を与える。生じた水素イオンH+(プロトン)は、水素イオン伝導膜を介して酸素極へ移動する。
For example, when the fuel is hydrogen, the hydrogen supplied to the fuel electrode is expressed by the following (formula 1):
2H 2 → 4H + + 4e − (Formula 1)
Oxidized by this reaction, electrons are given to the fuel electrode. The generated hydrogen ions H + (protons) move to the oxygen electrode through the hydrogen ion conductive membrane.
酸素極へ移動した水素イオンは、酸素極に供給される酸素と下記(式2)
O2 +4H+ +4e- → 2H2O (式2)
のように反応し、水を生成する。このとき、酸素は、酸素極から電子を取り込み、還元される。
The hydrogen ions that have moved to the oxygen electrode are the oxygen supplied to the oxygen electrode and the following (formula 2)
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (Formula 2)
To produce water. At this time, oxygen takes in electrons from the oxygen electrode and is reduced.
このようにして、燃料極では水素が酸化され、酸素極では酸素が還元され、燃料電池全体では下記(式3)
2H2 + O2 → 2H2O (式3)
の水素の燃焼反応が進行する。このとき、電流が酸素極から燃料極へ流れ、燃料電池から電気エネルギーを取り出すことができる。
In this way, hydrogen is oxidized at the fuel electrode and oxygen is reduced at the oxygen electrode.
2H 2 + O 2 → 2H 2 O (Formula 3)
The hydrogen combustion reaction proceeds. At this time, an electric current flows from the oxygen electrode to the fuel electrode, and electric energy can be extracted from the fuel cell.
固体高分子電解質型燃料電池は、電解質に固体高分子状の水素イオン伝導膜を用いているため、電解質の飛散が無く、振動に強く、小型軽量化が可能で出力密度が大きい等、他の燃料電池にはない優れた特徴をもつ。 The solid polymer electrolyte fuel cell uses a solid polymer hydrogen ion conductive membrane for the electrolyte, so there is no scattering of the electrolyte, it is resistant to vibration, can be reduced in size and weight, and has a high output density. Excellent characteristics not found in fuel cells.
水素イオン伝導膜としては、従来、パーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂(Du Pont 社製のNafion(登録商標)(商品名)など)膜が一般的に用いられているが、その他にも、より安価な炭化水素系イオン交換膜や、無加湿下でも水素イオン伝導能を有するフラーレン誘導体膜など、種々の水素イオン伝導膜の研究開発が活発に行われている。 Conventionally, as the hydrogen ion conductive membrane, a perfluoroalkyl sulfonic acid resin membrane (such as Nafion (registered trademark) (trade name) manufactured by Du Pont) is generally used. Research and development of various hydrogen ion conductive membranes, such as a hydrocarbon-based ion exchange membrane and a fullerene derivative membrane having hydrogen ion conductivity even under non-humidified conditions, has been actively conducted.
ところで、(式3)の反応は、自発的に進む反応ではあるが、活性化エネルギーが大きい。このため、一般的なPEFCの動作温度で十分な反応速度を実現するには、白金等の触媒の助けが必要になる。そこで、多くのPEFCでは、触媒である白金又は白金合金などをカーボン微粒子に担持し、これをカーボンシートやカーボンクロスなどの導電性多孔質支持体の表面に塗布したものを燃料極及び酸素極とし、これらを水素イオン伝導膜と接合して膜電極接合体(MEA:Membrane-Electrode Assembly)を形成して用いている。 By the way, although the reaction of (Formula 3) is a reaction that proceeds spontaneously, the activation energy is large. For this reason, in order to achieve a sufficient reaction rate at a general PEFC operating temperature, the assistance of a catalyst such as platinum is required. Therefore, in many PEFCs, platinum or a platinum alloy, which is a catalyst, is supported on carbon fine particles, and this is applied to the surface of a conductive porous support such as a carbon sheet or carbon cloth as a fuel electrode and an oxygen electrode. These are joined to a hydrogen ion conductive membrane to form a membrane-electrode assembly (MEA).
触媒層は、MEAを形成したときに高い出力密度が得られ、燃料からできるだけ効率よくエネルギーを取り出し得るものが望ましい。このためには、触媒層は、ガス拡散性が向上するように、ガス拡散性電極から連続的に多孔体構造が形成されることが望ましい。また、反応ガス/触媒/電解質の三相界面が十分に確保され、反応サイトの面積が増大するように、触媒層内に電解質が立体構造的に入り込むことが望ましい。 It is desirable that the catalyst layer has a high power density when the MEA is formed and can extract energy from the fuel as efficiently as possible. For this purpose, it is desirable that the catalyst layer has a porous structure continuously formed from the gas diffusible electrode so that the gas diffusibility is improved. Further, it is desirable that the electrolyte enters the catalyst layer in a three-dimensional structure so that a three-phase interface of the reaction gas / catalyst / electrolyte is sufficiently secured and the area of the reaction site is increased.
図6は、従来のPEFCに一般的に用いられている触媒電極とMEAの作製工程を示す概略断面図である。 FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process of a catalyst electrode and MEA generally used in a conventional PEFC.
まず、図6(a)に示すように、カーボンブラックと撥水性樹脂、例えばフッ素系樹脂(ポリテトラフルオロエチレンPTFEやポリフルオロエチレンFEP)とを混錬した塗料を、カーボンシートやカーボンクロスなどの導電性で多孔質の導電性多孔体1、5の表面に塗布し、これを樹脂が融ける温度まで加熱し、撥水性拡散層2、6を有する導電性多孔体1と5を作製する。
First, as shown in FIG. 6A, a paint obtained by kneading carbon black and a water-repellent resin, for example, a fluorine-based resin (polytetrafluoroethylene PTFE or polyfluoroethylene FEP) is used as a carbon sheet or carbon cloth. The conductive porous bodies 1 and 5 having the water-
次に、図6(b)に示すように、白金系触媒などの触媒を担持させたカーボン微粒子などと水素イオン伝導性高分子材料(例えば、デュポン社製のNafion(登録商標)など)とをアルコールなどの溶媒に分散させて混錬した混合物を作製し、撥水性の導電性多孔体1と5の上に塗布した後、60〜80℃に加温して溶媒を蒸発させ、酸素極触媒層3と燃料極触媒層7とを形成し、ガス拡散性触媒電極54(酸素極)とガス拡散性触媒電極58(燃料極)とをそれぞれ作製する。
Next, as shown in FIG. 6B, carbon fine particles carrying a catalyst such as a platinum-based catalyst and a hydrogen ion conductive polymer material (for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont) are used. An oxygen electrode catalyst is prepared by preparing a kneaded mixture by dispersing in a solvent such as alcohol and applying the mixture onto the water-repellent conductive porous bodies 1 and 5 and then heating the mixture to 60 to 80 ° C. to evaporate the solvent. The
次に、図6(c)に示すように、酸素極54の触媒層3と燃料極58の触媒層7との間にNafion(登録商標)などの水素イオン伝導膜9を挟持し、加熱圧着して接合し、MEA60を作製する。
Next, as shown in FIG. 6C, a hydrogen ion conductive membrane 9 such as Nafion (registered trademark) is sandwiched between the
上記のような工程が、ガス拡散性の多孔体構造と反応ガス/触媒/電解質の三相界面とを有する触媒層を形成する上で有効であることは一般に認められているが、溶媒を蒸発させて触媒層を形成した後の触媒層の処理に関して定まった方法が確立されていない。 It is generally accepted that the above process is effective in forming a catalyst layer having a gas diffusible porous structure and a reaction gas / catalyst / electrolyte three-phase interface. No fixed method has been established for the treatment of the catalyst layer after forming the catalyst layer.
例えば、多くの場合、導電性多孔体に触媒を含有する混合物を塗布し、大気中、60〜80℃で溶媒を蒸発させて触媒層を形成した後、特別な処理をしないでそのまま触媒層をイオン伝導膜と接合させている(特開2003−109606号公報など)。 For example, in many cases, after applying a mixture containing a catalyst to a conductive porous body and evaporating the solvent at 60 to 80 ° C. in the atmosphere to form a catalyst layer, the catalyst layer is left as it is without any special treatment. It is bonded to an ion conductive membrane (Japanese Patent Laid-Open No. 2003-109606).
あるいは、触媒を含有する混合物から溶媒を145℃で蒸発させて触媒層を形成している例もある。但し、雰囲気に関する記述はない(Journal of The Electrochemical Society,147(1), 92-98 (2000) )。 Alternatively, there is an example in which the catalyst layer is formed by evaporating the solvent from the mixture containing the catalyst at 145 ° C. However, there is no description about the atmosphere (Journal of The Electrochemical Society, 147 (1), 92-98 (2000)).
また、後述の特許文献1及び2では、白金を担持させたカーボンブラック粉末と含フッ素イオン交換樹脂と分散剤とエタノールとの混合物をパーフルオロアルキル重合体からなるイオン交換膜に塗布した後、大気中、120℃にて1時間溶媒を蒸発させて触媒層を形成する例が示されている。
In
また、後述の特許文献3では、白金系触媒を担持させたカーボン粉末と、パーフルオロアルキル重合体からなるイオン交換樹脂と、エタノールと水の混合分散媒(質量比で1:1)との混合物を塗布し、80℃で分散媒を蒸発させて触媒層を形成し、その上に同様の方法でイオン交換樹脂膜を形成した後、この膜・触媒層接合体を、酸素を含まない窒素ガス雰囲気中で60〜240℃にて5秒以上、例えば120℃にて30分加熱処理を行う例が示されている。
In
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、特にダイレクトメタノール型の固体高分子電解質型燃料電池に応用した場合に出力向上に効果のある触媒電極の製造方法、膜電極接合体の製造方法、及び燃料電池の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to produce a catalyst electrode that is effective in improving output particularly when applied to a direct methanol type solid polymer electrolyte fuel cell. The object is to provide a method, a method for producing a membrane electrode assembly, and a method for producing a fuel cell .
本発明者は、電気化学デバイスの各種製造プロセスの最適化を検討する中で、次のような発明に到達した。 The present inventor has reached the following invention while examining optimization of various manufacturing processes of electrochemical devices.
即ち、本発明は、
触媒粒子とイオン伝導性樹脂と溶媒とを含む液層を導電性多孔体上に塗布した後、
前記液層を100℃未満の温度で乾燥処理して前記溶媒を蒸発させて触媒層を形成し 、
しかる後に、2×10Pa以上、大気中の酸素分圧以下の酸素が存在する全圧1気圧 以下の雰囲気中で、前記触媒層を100〜140℃の温度で0.2〜6時間、加熱処理 する、
ダイレクトメタノール型燃料電池用の触媒電極の製造方法に係わるものである。
That is, the present invention
After applying a liquid layer containing catalyst particles, an ion conductive resin and a solvent on the conductive porous body,
The liquid layer is dried at a temperature of less than 100 ° C. to evaporate the solvent to form a catalyst layer;
Thereafter, the catalyst layer is heat-treated at a temperature of 100 to 140 ° C. for 0.2 to 6 hours in an atmosphere having a total pressure of 1 atm or less in which oxygen having an oxygen partial pressure of 2 × 10 Pa or more and an oxygen partial pressure in the air is present. To
The present invention relates to a method for producing a catalyst electrode for a direct methanol fuel cell .
また、この触媒電極の製造方法によって、前記導電性多孔体上に前記液層を形成し、前記乾燥処理及び前記加熱処理を経て前記触媒電極を作製する工程と、一対の前記触媒電極間に前記触媒層と接触してイオン伝導膜を挟み、接合させて一体化する工程とを有する、ダイレクトメタノール型燃料電池用の膜電極接合体の製造方法に係わるものである。 Further, by the manufacturing method of this catalyst electrodes, the liquid layer is formed on the conductive porous body, a process of forming the catalyst electrode through the drying process and the heat treatment, the between the pair of the catalyst electrode The present invention relates to a method of manufacturing a membrane electrode assembly for a direct methanol fuel cell , which includes a step of contacting and integrating an ion conductive membrane in contact with a catalyst layer.
更に、前記の製造方法によって得られた膜電極接合体を、メタノール供給部と酸素供給部との間に挟む工程を有する、ダイレクトメタノール型燃料電池の製造方法に係わるものである。 Furthermore, the present invention relates to a method for manufacturing a direct methanol fuel cell , comprising a step of sandwiching the membrane electrode assembly obtained by the above manufacturing method between a methanol supply unit and an oxygen supply unit.
本発明者は、上記の方法によって触媒電極、膜電極接合体及び燃料電池を作製し、これを用いて固体高分子電解質型燃料電池等の燃料電池を構成すると、出力が増加することを見出した。 The present inventor has found that when a catalyst electrode, a membrane electrode assembly, and a fuel cell are produced by the above-described method and a fuel cell such as a solid polymer electrolyte fuel cell is configured using the catalyst electrode, the output increases. .
触媒粒子とイオン伝導性樹脂と溶媒とを含む液層を形成し、前記液層を100℃未満の温度で乾燥処理して前記溶媒を蒸発させて触媒層を形成した後、2×10Pa以上、大気中の酸素分圧以下の酸素が存在する全圧1気圧以下の特定の雰囲気中で前記触媒層を100℃以上、140℃以下、0.2〜6時間という特定の温度及び時間で加熱処理する工程を行うと、ダイレクトメタノール型燃料電池に用いたときに出力が向上することが判明した。 After forming a liquid layer containing catalyst particles, an ion conductive resin and a solvent, the liquid layer is dried at a temperature of less than 100 ° C. to evaporate the solvent to form a catalyst layer, 2 × 10 Pa or more, The catalyst layer is heat-treated at a specific temperature and time of 100 ° C. or higher and 140 ° C. or lower and 0.2 to 6 hours in a specific atmosphere having a total pressure of 1 atm or less in which oxygen having an oxygen partial pressure of atmospheric pressure or less exists. It has been found that the output is improved when the direct methanol fuel cell is used.
こうした特定の分圧の酸素存在下で加熱処理する効果として、触媒層に形成されるべき液層を導電性多孔体上に塗布すると、触媒物質がその多孔体中に滲み込むため、反応ガス/触媒/電解質の三相界面の形成に寄与せずにガス拡散の障害になっている、触媒表面などに付着している有機化合物やカーボンが単なる加熱処理では除去されないが、これは本発明による特定の酸素分圧下で全圧1気圧以下の雰囲気中、100℃以上、140℃以下、0.2〜6時間の加熱処理によって効果的かつ十分に酸化除去され、ガス拡散路や三相界面がより効果的に形成されることなどが考えられる。 As an effect of the heat treatment in the presence of oxygen having a specific partial pressure, when a liquid layer to be formed on the catalyst layer is applied on the conductive porous body, the catalyst substance penetrates into the porous body, Organic compounds and carbon adhering to the catalyst surface that do not contribute to the formation of the catalyst / electrolyte three-phase interface and hinder gas diffusion are not removed by simple heat treatment. It is effectively and sufficiently oxidized and removed by heat treatment at 100 ° C. or higher and 140 ° C. or lower for 0.2 to 6 hours in an atmosphere with a partial pressure of oxygen of 1 atm or less under the partial pressure of oxygen. It can be considered to be formed effectively.
作用機構はともかく、本発明の重要な点は、特定の分圧の酸素存在下、全圧1気圧以下の雰囲気中、100℃以上、140℃以下、0.2〜6時間の温度及び時間で行う前記加熱処理には、出力を増加させる正の作用と、逆に出力を低下させる負の作用とが競合しているが、本発明によって、加熱処理を行う際の酸素圧力、全圧、加熱処理温度(更には加熱処理時間)に最適範囲が存在することがはじめて見出されたのである。
しかも、こうした加熱処理の前に、前記溶媒を蒸発させて前記触媒層を形成する前記乾燥処理を100℃未満で行うので、前記触媒層を構成するイオン導電性樹脂の劣化などを引き起こすことがない。
Regardless of the mechanism of action, the important point of the present invention is that the temperature and time are from 100 ° C. to 140 ° C. and from 0.2 to 6 hours in an atmosphere having a total partial pressure of 1 atm or less in the presence of oxygen at a specific partial pressure. In the heat treatment to be performed, the positive action for increasing the output and the negative action for reducing the output are competing, but according to the present invention, the oxygen pressure, total pressure, and heating during the heat treatment are competing. For the first time, it has been found that there is an optimum range for the treatment temperature (and also the heat treatment time).
In addition, before the heat treatment, the drying treatment for evaporating the solvent to form the catalyst layer is performed at less than 100 ° C., so that the ion conductive resin constituting the catalyst layer is not deteriorated. .
本発明の触媒電極の製造方法において、後述の実施例において示すように、前記加熱処理を100〜140℃の温度にて行い、また、前記加熱処理を0.2〜6時間行う。 The method of manufacturing a catalytic electrode of the present invention, as shown in the Examples below, have rows the heat treatment at a temperature of 100 to 140 ° C., also performs the heat treatment 0.2-6 hours.
また、前記溶媒を蒸発させて前記触媒層を形成する前記乾燥処理を、前記加熱処理の前に、100℃未満(望ましくは60〜80℃)で行うが、これは大気圧の大気中と同じ酸素分圧を有する雰囲気中で行うのがよい。前記溶媒の蒸発による除去は、前記触媒層を構成する水素イオン伝導性樹脂の劣化などを引き起こさない60〜80℃で行うのがよい。温度が低いので、この処理を行う雰囲気に特に制限はなく、大気中で行うのが好都合である。 In addition, the drying process for evaporating the solvent to form the catalyst layer is performed at a temperature lower than 100 ° C. (preferably 60 to 80 ° C.) before the heat treatment, which is the same as in atmospheric air. It is preferable to carry out in an atmosphere having an oxygen partial pressure. Removal of the solvent by evaporation is preferably performed at 60 to 80 ° C., which does not cause deterioration of the hydrogen ion conductive resin constituting the catalyst layer. Since the temperature is low, there is no particular limitation on the atmosphere in which this treatment is performed, and it is convenient to perform in the air.
また、前記触媒電極は、膜電極接合体用の触媒電極として形成するのがよく、前記膜電極接合体の前記触媒電極間に水素イオン伝導膜を挟持させるのがよい。 The catalyst electrode is preferably formed as a catalyst electrode for a membrane electrode assembly, and a hydrogen ion conductive membrane is preferably sandwiched between the catalyst electrodes of the membrane electrode assembly.
また、本発明の燃料電池の製造方法において、前記メタノール(燃料)供給部側の触媒電極と前記酸素供給部側の触媒電極とを外部負荷に接続するのがよく、これにて燃料電池を製造するのがよい。 In the fuel cell manufacturing method of the present invention, the catalyst electrode on the methanol ( fuel ) supply unit side and the catalyst electrode on the oxygen supply unit side are preferably connected to an external load, whereby the fuel cell is manufactured. It is good to do.
次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面参照下により詳しく説明する。 Next, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
実施の形態1
図1は、本発明の実施の形態1に基づく触媒層とMEAの作製工程を示す概略断面図である。
Embodiment 1
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a production process of a catalyst layer and an MEA based on Embodiment 1 of the present invention.
まず、図1(a)に示すように、カーボンブラックと撥水性樹脂、例えばフッ素系樹脂(ポリテトラフルオロエチレンPTFEやポリフルオロエチレンFEP)とを混錬した混合物を、カーボンシートやカーボンクロスなどの導電性で多孔質の導電性多孔体の表面に塗布し、これを樹脂が融ける温度、例えばFEPであれば380℃まで加熱し、撥水性拡散層2、6を有する導電性多孔体1と5を作製する。
First, as shown in FIG. 1 (a), a mixture obtained by kneading carbon black and a water-repellent resin such as a fluorine-based resin (polytetrafluoroethylene PTFE or polyfluoroethylene FEP) is used as a carbon sheet or carbon cloth. Conductive porous bodies 1 and 5 having water-
次に、図1(b)に示すように、触媒粒子と水素イオン伝導性樹脂と溶媒との混合物を作製し、撥水性の導電性多孔体1および5の上に塗布した後、100℃未満の温度、例えば60〜80℃に加温して溶媒を蒸発させ、酸素極触媒層3および燃料極触媒層7を形成する。
Next, as shown in FIG. 1 (b), a mixture of catalyst particles, a hydrogen ion conductive resin and a solvent is prepared and applied onto the water-repellent conductive porous bodies 1 and 5, and then less than 100 ° C. The temperature is raised to, for example, 60 to 80 ° C. to evaporate the solvent, thereby forming the oxygen
ここで、酸素極側触媒として、例えば白金、燃料極側触媒として、例えば白金ルテニウム合金を用い、カーボン微粒子などに担持させて用いるのがよい。 Here, as the oxygen electrode side catalyst, for example, platinum, and as the fuel electrode side catalyst, for example, a platinum ruthenium alloy is preferably used by being supported on carbon fine particles.
また、前記水素イオン伝導性樹脂として、例えばパーフルオロアルキルスルホン酸樹脂を用いるのがよく、具体的には、デュポン社製のNafion(登録商標)や、旭硝子社製のフレミオン(登録商標)や、旭化成社製のアシプレックス(登録商標)などを挙げることができる。 Further, as the hydrogen ion conductive resin, for example, perfluoroalkyl sulfonic acid resin is preferably used, specifically, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass, Asahi Kasei Co., Ltd. Aciplex (registered trademark) and the like.
また、前記溶媒としてアルコール(例えば、エタノールや1−プロパノール)、またはアルコールと水との混合溶媒を用いるのがよい。 As the solvent, an alcohol (for example, ethanol or 1-propanol) or a mixed solvent of alcohol and water is preferably used.
次に、図1(c)に示すように、酸素極触媒層3および燃料極触媒層7を100〜140℃の温度にて、2×10Pa以上、大気中の酸素分圧以下の酸素が存在する雰囲気中で、0.2〜6時間加熱処理して、加熱処理した酸素極触媒層3aおよび燃料極触媒層7aを形成し、ガス拡散性触媒電極4(酸素極)および8(燃料極)をそれぞれ作製する。
Next, as shown in FIG. 1 (c), the oxygen
次に、図1(d)に示すように、水素イオン伝導膜9を酸素極4と燃料極8との間に挟持し、100〜150℃の温度にて加熱圧着(ホットプレス)して接合し、膜電極接合体(MEA)10を作製する。水素イオン伝導膜として、例えばパーフルオロアルキルスルホン酸樹脂膜を用いるのがよく、具体的には、デュポン社製のNafion(登録商標)膜や、旭硝子社製のフレミオン(登録商標)膜や、旭化成社製のアシプレックス(登録商標)膜などを挙げることができる。
Next, as shown in FIG. 1 (d), the hydrogen ion conductive film 9 is sandwiched between the
触媒層3aおよび7aを形成する水素イオン伝導性樹脂と、水素イオン伝導膜9とを同じ材質にしておくと、MEAを形成したときに水素イオン伝導膜9から触媒層3aおよび7aへ連続して水素イオン伝導路を形成することができる。 If the hydrogen ion conductive resin forming the catalyst layers 3a and 7a and the hydrogen ion conductive film 9 are made of the same material, when the MEA is formed, the hydrogen ion conductive film 9 is continuously connected to the catalyst layers 3a and 7a. A hydrogen ion conduction path can be formed.
図2は、上記のMEA10を用いて作製したダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)20の構成を示す概略断面図である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a direct methanol fuel cell (DMFC) 20 manufactured using the
図2に示したDMFC20では、MEA10はセル上半部13及びセル下半部14の間に挟持され、DMFC20に組み込まれる。セル上半部13及びセル下半部14には、それぞれ、燃料供給管15及び酸素(空気)供給管16が設けられており、燃料供給管15からはメタノール水溶液が供給され、また酸素(空気)供給管16からは酸素もしくは空気が供給される。
In the DMFC 20 shown in FIG. 2, the
メタノール水溶液と酸素(もしくは空気)は、それぞれ、通気孔(図示省略)を有する燃料供給部11及び酸素供給部12を通過して燃料極8及び酸素極4に供給される。燃料供給部11は燃料極8とセル上半部13とを電気的に接続し、酸素供給部12は酸素極4とセル下半部14とを電気的に接続する役割もする。また、セル上半部13には燃料の漏洩を防ぐためにOリング(図示せず)が配置されていてよい。
The methanol aqueous solution and oxygen (or air) are supplied to the fuel electrode 8 and the
発電は、メタノール水溶液と酸素(もしくは空気)を供給しながら、セル上半部13及びセル下半部14に接続されている外部回路17を閉じることで行うことができる。このとき、燃料極8の表面上では下記(式4)
2CH3OH+2H2O → 12H++2CO2+12e- (式4)
の反応によりメタノールが酸化され、燃料極8に電子を与える。生じた水素イオンH+は水素イオン伝導膜9を介して酸素極4へ移動する。
Power generation can be performed by closing the external circuit 17 connected to the cell upper half 13 and the cell lower half 14 while supplying an aqueous methanol solution and oxygen (or air). At this time, on the surface of the fuel electrode 8, the following (formula 4)
2CH 3 OH + 2H 2 O → 12H + + 2CO 2 + 12e − (Formula 4)
As a result of the reaction, methanol is oxidized and electrons are given to the fuel electrode 8. The generated hydrogen ions H + move to the
酸素極4へ移動した水素イオンは、酸素極4に供給される酸素と下記(式5)
3O2+12H++12e- → 6H2O (式5)
のように反応し、水を生成する。このとき、酸素は、酸素極4から電子を取り込み、還元される。
The hydrogen ions moved to the
3O 2 + 12H + + 12e − → 6H 2 O (Formula 5)
To produce water. At this time, oxygen takes in electrons from the
このようにして、燃料極8ではメタノールが酸化され、酸素極4では酸素が還元され、燃料電池全体では下記(式6)
2CH3OH+3O2 → 2CO2+6H2O (式6)
のメタノールの燃焼反応が進行する。このとき、電流が酸素極4から燃料極8へ流れ、燃料電池20から電気エネルギーを取り出すことができる。
In this way, methanol is oxidized at the fuel electrode 8 and oxygen is reduced at the
2CH 3 OH + 3O 2 → 2CO 2 + 6H 2 O (Formula 6)
The methanol combustion reaction proceeds. At this time, an electric current flows from the
また、メタノールの代わりに水素を供給するようにすれば、水素酸素燃料電池として用いることができる。 Moreover, if hydrogen is supplied instead of methanol, it can be used as a hydrogen-oxygen fuel cell.
実施の形態1に説明した方法によって触媒電極およびMEAを作製し、これを用いてダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)を構成し、DMFCの出力特性を調べた結果について説明する。実験は、前記加熱処理を行う際の酸素圧力、加熱処理温度及び加熱処理時間を種々に変えて行い、これらについて最適条件を見出した例について説明する。 A description will be given of a result obtained by fabricating a catalyst electrode and an MEA by the method described in the first embodiment, forming a direct methanol fuel cell (DMFC) using the catalyst electrode, and examining output characteristics of the DMFC. The experiment is performed by changing the oxygen pressure, the heat treatment temperature, and the heat treatment time when performing the heat treatment, and an example in which optimum conditions are found for these will be described.
<比較例1>
まず、図6(a)に示したように、カーボンブラックと、撥水性樹脂としてポリフルオロエチレン樹脂(FEP)を混錬した混合物をカーボンペーパー上に塗布し、これを樹脂が融ける温度である380℃まで加熱し、撥水性拡散層2、6を有する導電性多孔体1と5を作製した。次に、図6(b)に示したように、白金を担持したカーボン微粒子(田中貴金属製)とNafion(登録商標)溶液(アルドリッチ社製)とを、水と1−プロパノールとの混合溶媒に均一に分散させた混合物を導電性多孔体1の上に塗布した後、大気中、80℃にて5分間加温して溶媒を蒸発させ、酸素極触媒層3を形成し、ガス拡散性触媒電極54(酸素極)を作製した。同様にして、白金を担持したカーボン微粒子の代わりに白金ルテニウム合金を担持したカーボン微粒子(田中貴金属社製)を用いて、導電性多孔体5の上に燃料極触媒層7を形成し、ガス拡散性触媒電極58(燃料極)を作製した。
<Comparative Example 1>
First, as shown in FIG. 6A, a mixture obtained by kneading carbon black and polyfluoroethylene resin (FEP) as a water-repellent resin is applied on carbon paper, and this is a temperature at which the resin melts 380. The conductive porous bodies 1 and 5 having the water-
次に、図6(c)に示したように、水素イオン伝導膜としてNafion(登録商標)115膜を酸素極54と燃料極58との間に挟持し、150℃で加熱圧着(ホットプレス)して接合させ、一体化したMEA60を作製した。 Next, as shown in FIG. 6C, a Nafion (registered trademark) 115 membrane is sandwiched between the oxygen electrode 54 and the fuel electrode 58 as a hydrogen ion conductive membrane, and thermocompression bonding (hot press) at 150 ° C. And joined to produce an integrated MEA 60.
このMEA60を図2に示したDMFC20と同様のDMFCに組み込み、燃料極58には3質量%のメタノール溶液を、酸素極54には空気をそれぞれ流し、DMFCの出力を測定した。この場合の最大出力を100(基準)とする。 The MEA 60 was incorporated in a DMFC similar to the DMFC 20 shown in FIG. 2, a 3 mass% methanol solution was passed through the fuel electrode 58, and air was passed through the oxygen electrode 54, and the output of the DMFC was measured. In this case, the maximum output is 100 (reference).
<実施例1〜6、比較例2、3>
まず、比較例と同様にして、図1(a)に示したように、撥水性を有する導電性多孔体1と5を作製し、図1(b)に示したように、導電性多孔体1の上に酸素極触媒層3を形成し、導電性多孔体5の上に燃料極触媒層7を形成した。
<Examples 1 to 6, Comparative Examples 2 and 3>
First, as in the comparative example, as shown in FIG. 1A, conductive porous bodies 1 and 5 having water repellency were prepared, and as shown in FIG. An oxygen
次に、比較例1とは異なり、図1(c)に示したように、大気中(酸素の分圧 2×104Pa)、温度120℃にて、加熱処理時間を0.1〜8時間の間で種々に変えて、触媒層の加熱処理を行った。
Next, unlike Comparative Example 1, as shown in FIG. 1C, the heat treatment time was 0.1 to 8 at a temperature of 120 ° C. in the atmosphere (partial pressure of
次に、比較例1と同様にして、図1(d)に示したように、水素イオン伝導膜としてNafion(登録商標)115膜を酸素極4と燃料極8との間に挟持し、加熱圧着(ホットプレス)して接合させ、一体化したMEA10を作製した。
Next, similarly to Comparative Example 1, as shown in FIG. 1D, a Nafion (registered trademark) 115 film as a hydrogen ion conductive film is sandwiched between the
比較例と同様に、このMEA10を図2に示したDMFC20に組み込み、燃料極8には3質量%のメタノール溶液を、酸素極4には空気をそれぞれ流し、DMFC20の出力を測定した。この場合の最大出力を求め、比較例1における最大出力を100(基準)とする相対値で表した。その結果を、比較例1の結果と共に、表1および図3に示す。
Similarly to the comparative example, this
図3および表1によれば、DMFCの最大出力は、加熱処理時間が0.1時間の比較例2では、加熱処理を行わない比較例1と変わりがないが、加熱処理時間が0.2時間の実施例1から急激に増加し始めることがわかる。また、加熱処理時間が1時間をこえると、DMFCの最大出力は減少に転じ、加熱処理時間が6時間をこえると、立ち上がりほどではないが、減少が急激になり、加熱処理時間が8時間の比較例3では、加熱処理を行わない比較例1と変わりがない。 According to FIG. 3 and Table 1, the maximum output of DMFC is the same as that of Comparative Example 1 in which the heat treatment time is 0.1 hours in Comparative Example 2 in which the heat treatment time is 0.1 hour. It can be seen that the time starts to increase rapidly from Example 1. In addition, when the heat treatment time exceeds 1 hour, the maximum output of DMFC starts to decrease, and when the heat treatment time exceeds 6 hours, the decrease is abrupt, but the heat treatment time is 8 hours. In Comparative Example 3, there is no difference from Comparative Example 1 in which no heat treatment is performed.
以上から、触媒層の加熱処理を行う時間は、0.2〜6時間が好ましいことがわかる。更に限定するなら、加熱処理時間は、0.5〜4時間がより好ましく、1〜2時間が最も好ましい。 From the above, it can be seen that the heat treatment time of the catalyst layer is preferably 0.2 to 6 hours. If further limited, the heat treatment time is more preferably 0.5 to 4 hours, and most preferably 1 to 2 hours.
既述したように、乾燥処理して溶媒を蒸発させて触媒層を形成した後に、酸素の存在する雰囲気中で触媒層を100℃以上の温度で加熱処理すると、なぜ燃料電池の出力向上に有効であるのかということの明確な理由は、解明されていない。しかし、加熱処理には、燃料電池の出力を増加させる正の作用と、逆に燃料電池の出力を低下させる負の作用とが競合しており、その結果、加熱処理時間に最適範囲が存在することは、図3から明らかである。 As mentioned above, after drying and evaporating the solvent to form a catalyst layer, heating the catalyst layer at a temperature of 100 ° C or higher in an atmosphere containing oxygen is effective for improving the output of the fuel cell. The obvious reason for this is not clear. However, in the heat treatment, a positive action for increasing the output of the fuel cell competes with a negative action for reducing the output of the fuel cell, and as a result, there is an optimum range for the heat treatment time. This is clear from FIG.
正の作用としては、反応ガス/触媒/電解質の三相界面の形成に寄与せず、ガス拡散の障害になっている、触媒表面などに付着している有機化合物やカーボンが酸化によって除去され、ガス拡散路や三相界面がより効果的に形成されることなどが考えられる。負の作用としては、酸化の過剰な進展によって有効な三相界面が減少したり、ガス拡散路の表面が酸化されて撥水性が低下し、電池反応で生成した水を除去する効率が低下したりすることが考えられる。 As a positive effect, organic compounds and carbon adhering to the catalyst surface, etc., which do not contribute to the formation of the reaction gas / catalyst / electrolyte three-phase interface and hinder gas diffusion, are removed by oxidation, It is conceivable that the gas diffusion path and the three-phase interface are formed more effectively. Negative effects include a decrease in the effective three-phase interface due to excessive progress of oxidation, or a decrease in water repellency due to oxidation of the surface of the gas diffusion path, resulting in a reduction in the efficiency of removing water generated in the battery reaction. Can be considered.
<実施例7〜10、比較例4、5>
本実施例でも、触媒層の加熱処理を行う以外は比較例1と同様の工程を行い、触媒層およびMEA10を作製した。触媒層の加熱処理は、大気中(酸素の分圧 2×104Pa)、加熱処理時間1時間にて、加熱処理温度を80〜150℃の間で種々に変えて行った。
<Examples 7 to 10, Comparative Examples 4 and 5>
Also in this example, the same process as in Comparative Example 1 was performed except that the catalyst layer was heat-treated, and a catalyst layer and
次に、比較例1と同様に、上記のMEA10をDMFC20に組み込み、DMFC20の出力を測定した。この場合の最大出力を求め、比較例1における最大出力を100(基準)とする相対値で表した。その結果を、表2および図4に示す。
Next, as in Comparative Example 1, the
以上から、触媒層の加熱処理を行う温度は、100〜140℃が好ましいことがわかる。更に限定するなら、加熱処理時間は、105〜135℃がより好ましく、120〜130℃が最も好ましい。 From the above, it can be seen that the temperature at which the catalyst layer is heat-treated is preferably 100 to 140 ° C. If further limited, the heat treatment time is more preferably 105 to 135 ° C, and most preferably 120 to 130 ° C.
前述したと同様に、明確な理由は解明されていないが、加熱処理には、燃料電池の出力を増加させる正の作用と、逆に燃料電池の出力を低下させる負の作用とが競合しており、その結果、加熱処理温度にも最適範囲が存在することは、図4および表2から明らかである。 As described above, the clear reason has not been elucidated, but the heat treatment competes with the positive effect of increasing the output of the fuel cell and the negative effect of reducing the output of the fuel cell. As a result, it is clear from FIG. 4 and Table 2 that there is an optimum range for the heat treatment temperature.
<実施例11〜14、比較例6>および<実施例15〜18、比較例7>
本実施例でも、触媒層の加熱処理を行う以外は比較例1と同様の工程を行い、触媒層およびMEA10を作製した。触媒層の加熱処理は、加熱処理温度120℃、加熱処理時間1時間にて、加熱処理を行う雰囲気中の酸素分圧を2〜2×104Paの間で種々に変えて行った。
<Examples 11-14, Comparative Example 6> and <Examples 15-18, Comparative Example 7>
Also in this example, the same process as in Comparative Example 1 was performed except that the catalyst layer was heat-treated, and a catalyst layer and
但し、実施例11〜14と比較例6は、酸素分圧につれて全圧も変化させた場合であり、実施例15〜18と比較例7は、共存する窒素の量を変えて、全圧を大気圧に保った場合である。 However, Examples 11 to 14 and Comparative Example 6 are cases where the total pressure was also changed with the oxygen partial pressure, and Examples 15 to 18 and Comparative Example 7 were to change the total amount of nitrogen by changing the amount of coexisting nitrogen. This is when it is kept at atmospheric pressure.
次に、比較例1と同様に、上記のMEA8をDMFC20に組み込み、DMFC20の出力を測定した。この場合の最大出力を求め、比較例1における最大出力を100(基準)とする相対値で表した。その結果を、表3、表4と図5に示す。 Next, as in Comparative Example 1, the above MEA 8 was incorporated in the DMFC 20 and the output of the DMFC 20 was measured. The maximum output in this case was determined and expressed as a relative value with the maximum output in Comparative Example 1 being 100 (reference). The results are shown in Table 3, Table 4, and FIG.
表3と表4とを比べると、DMFCの最大出力は、加熱処理を行う雰囲気中の酸素分圧に依存するが、全圧には依存しないことがわかる。そこで、図5には、表3と表4とをまとめて図示した。 Comparing Table 3 and Table 4, it can be seen that the maximum output of DMFC depends on the oxygen partial pressure in the atmosphere in which the heat treatment is performed, but does not depend on the total pressure. Therefore, FIG. 5 shows Table 3 and Table 4 together.
図5および表3と表4によれば、DMFCの最大出力は、加熱処理を行う雰囲気中の酸素分圧が2Paの比較例6または7では、加熱処理を行わない比較例1と差はないが、酸素分圧が2×10Paの実施例11および15から急激に増加し始めることがわかる。また、酸素分圧が2×104 Paをこえると、DMFCの最大出力は減少に転じる。従って、大気圧の大気中の酸素分圧以上の酸素を雰囲気中に導入することは、装置や操作上の負担が増加するばかりで出力は向上しない。 According to FIG. 5 and Tables 3 and 4, the maximum output of DMFC is not different in Comparative Example 6 or 7 in which the oxygen partial pressure in the atmosphere in which the heat treatment is performed is 2 Pa, compared with Comparative Example 1 in which the heat treatment is not performed. However, it can be seen that the oxygen partial pressure starts to increase rapidly from Examples 11 and 15 where the oxygen partial pressure is 2 × 10 Pa. When the oxygen partial pressure exceeds 2 × 10 4 Pa, the maximum output of DMFC starts to decrease. Therefore, introducing oxygen in the atmosphere at or above the atmospheric partial pressure of atmospheric pressure increases the burden on the apparatus and operation and does not improve the output.
以上から、触媒層の加熱処理を行う際の雰囲気中の酸素分圧は、2×10Pa以上、大気圧の大気中の酸素分圧以下であるのが好ましいことがわかる。更に限定するなら、加熱処理時の酸素分圧は、1×102 Pa以上、大気圧の大気中の酸素分圧以下であるのがより好ましく、2×102 Pa以上、大気圧の大気中の酸素分圧以下であるのが更に好ましい。 From the above, it can be seen that the oxygen partial pressure in the atmosphere during the heat treatment of the catalyst layer is preferably 2 × 10 Pa or more and not more than the oxygen partial pressure in the atmospheric pressure atmosphere. If further limited, the oxygen partial pressure during the heat treatment is more preferably 1 × 10 2 Pa or more and less than or equal to the oxygen partial pressure in the atmospheric pressure atmosphere, and 2 × 10 2 Pa or more in the atmospheric pressure atmosphere. More preferably, the oxygen partial pressure is less than or equal to.
前述したと同様に、明確な理由は解明されていないが、加熱処理には、燃料電池の出力を増加させる正の作用と、逆に燃料電池の出力を低下させる負の作用とが競合しており、その結果、加熱処理温度にも最適範囲が存在することは、図4および表2から明らかである。 As described above, the clear reason has not been elucidated, but the heat treatment competes with the positive effect of increasing the output of the fuel cell and the negative effect of reducing the output of the fuel cell. As a result, it is clear from FIG. 4 and Table 2 that there is an optimum range for the heat treatment temperature.
実施例1〜18は、ダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)を例として説明したが、水素酸素燃料電池でも同様の効果が観察された。 In Examples 1 to 18, the direct methanol fuel cell (DMFC) was described as an example, but the same effect was observed in the hydrogen-oxygen fuel cell.
以上、本発明を実施の形態および実施例に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。 Although the present invention has been described based on the embodiments and examples, it is needless to say that the present invention is not limited to these examples and can be appropriately changed without departing from the gist of the invention. .
本発明は、水素イオン伝導体が対向電極間に挟持され、電気化学反応部を構成する、ダイレクトメタノール型燃料電池に適用でき、その性能を向上させるのに好適に用いられる。 The present invention, hydrogen ion conductor is sandwiched between the counter electrodes constitute an electrochemical reaction section, can be applied to direct methanol fuel cells, it is preferably used to improve the performance of it.
3…酸素極触媒層、3a…加熱処理した酸素極触媒層、4…酸素極、
5…燃料極触媒層、7a…加熱処理した燃料極触媒層、8…燃料極、
9…水素イオン伝導膜、10…膜電極接合体(MEA)、11…燃料供給部、
12…酸素供給部、13…セル上半部、14…セル下半部、15…燃料供給管、
16…酸素(空気)供給管、17…外部回路(出力回路)、20…燃料電池
3 ... oxygen electrode catalyst layer, 3a ... heat-treated oxygen electrode catalyst layer, 4 ... oxygen electrode,
5 ... Fuel electrode catalyst layer, 7a ... Heat-treated fuel electrode catalyst layer, 8 ... Fuel electrode,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 ... Hydrogen ion conductive film, 10 ... Membrane electrode assembly (MEA), 11 ... Fuel supply part,
12 ... Oxygen supply part, 13 ... Cell upper half part, 14 ... Cell lower half part, 15 ... Fuel supply pipe,
16 ... Oxygen (air) supply pipe, 17 ... External circuit (output circuit), 20 ... Fuel cell
Claims (6)
前記液層を100℃未満の温度で乾燥処理して前記溶媒を蒸発させて触媒層を形成し 、
しかる後に、2×10Pa以上、大気中の酸素分圧以下の酸素が存在する全圧1気圧 以下の雰囲気中で、前記触媒層を100〜140℃の温度で0.2〜6時間、加熱処理 する、
ダイレクトメタノール型燃料電池用の触媒電極の製造方法。 After applying a liquid layer containing catalyst particles, an ion conductive resin and a solvent on the conductive porous body,
The liquid layer is dried at a temperature of less than 100 ° C. to evaporate the solvent to form a catalyst layer;
Thereafter, the catalyst layer is heat-treated at a temperature of 100 to 140 ° C. for 0.2 to 6 hours in an atmosphere having a total pressure of 1 atm or less in which oxygen having an oxygen partial pressure of 2 × 10 Pa or more and an oxygen partial pressure in the air is present. To
A method for producing a catalyst electrode for a direct methanol fuel cell .
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