JP4684935B2 - Cathode electrode for fuel cell and fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用のカソード電極及び燃料電池に関するものであり、カソードにおける活性化過電圧を低くすることが可能なカソード電極およびそれを用いた燃料電池に関する。 The present invention relates to a cathode electrode for a fuel cell and a fuel cell, and more particularly to a cathode electrode capable of reducing activation overvoltage at the cathode and a fuel cell using the cathode electrode.
燃料電池には様々な形式のものがあるが、特に最近では、作動温度が80℃〜100℃程度の高分子電解質型の燃料電池や、作動温度が150℃〜200℃程度のリン酸型の燃料電池が実用段階に入っている。これら固体高分子型またはリン酸型の燃料電池の基本構成は、アノード電極及びカソード電極と、これら電極間に挿入された電解質とから概略構成されている。アノード電極及びカソード電極は、触媒粉末とバインダ樹脂とが混合されてシート状に固化成形されてなる多孔質体である。カソード電極の一面側には電解質が接しており、他面側には酸素供給流路が設けられている。発電時のカソード電極には、酸素供給流路から酸素が供給されるとともに電解質側から水素イオンが供給され、更に電極自体には外部回路を経た電子が供給される。そして触媒表面において、水素イオンと電子とにより酸素が還元されて水が形成される。 There are various types of fuel cells. Recently, a polymer electrolyte type fuel cell having an operating temperature of about 80 ° C. to 100 ° C., or a phosphoric acid type having an operating temperature of about 150 ° C. to 200 ° C. Fuel cells are in practical use. The basic structure of these solid polymer type or phosphoric acid type fuel cells is roughly composed of an anode electrode and a cathode electrode, and an electrolyte inserted between these electrodes. The anode electrode and the cathode electrode are porous bodies formed by mixing catalyst powder and a binder resin and solidifying and forming into a sheet shape. An electrolyte is in contact with one side of the cathode electrode, and an oxygen supply channel is provided on the other side. At the time of power generation, oxygen is supplied from the oxygen supply channel to the cathode electrode and hydrogen ions are supplied from the electrolyte side, and electrons from an external circuit are supplied to the electrode itself. On the catalyst surface, oxygen is reduced by hydrogen ions and electrons to form water.
ところで、カソード電極における酸素の還元反応は活性化過電圧が比較的高いために、還元反応自体の反応速度がアノード電極における水素の酸化反応に比べて遅くなっている。このため、燃料電池の出力電圧もこの活性化過電圧の影響によって低くなるという問題がある。活性化過電圧を低減するには、触媒表面における酸素濃度を向上させる必要がある。 By the way, since the activation overvoltage is relatively high in the oxygen reduction reaction at the cathode electrode, the reaction rate of the reduction reaction itself is slower than the hydrogen oxidation reaction at the anode electrode. For this reason, there is a problem that the output voltage of the fuel cell is also lowered due to the effect of the activation overvoltage. In order to reduce the activation overvoltage, it is necessary to improve the oxygen concentration on the catalyst surface.
これまで、カソード電極の触媒として白金系の合金を用いることによる活性化過電圧の低減の試みがなされてきたが、十分な効果が得られていなかった。
そこで、触媒粉末を固化成形させるバインダ樹脂に酸素透過性に優れたポリジメチルシロキサンを用い、触媒表面への酸素供給量を増大させて活性化過電圧を低減させる方法が提案されている(特許文献1)。
Therefore, a method has been proposed in which polydimethylsiloxane having excellent oxygen permeability is used as a binder resin for solidifying and molding the catalyst powder, and the activation overvoltage is reduced by increasing the amount of oxygen supplied to the catalyst surface (Patent Document 1). ).
しかし、ポリジメチルシロキサンは酸素透過性に優れるものの、熱安定性及び耐酸化性が低いという問題がある。従って、カソード電極にポリジメチルシロキサンが添加された燃料電池においては、運転時間の長期化や、作動温度の高温化(120℃〜150℃)に伴って、ポリジメチルシロキサンの酸素透過性が徐々に低下して出力電圧が次第に低減するといった問題があった。
また、酸素溶解性及び耐熱性に優れた含フッ素ポリマーをバインダ樹脂に採用することも検討されているが、含フッ素ポリマーの多くは溶剤に不溶であるため、電極の形成が困難であった。
However, although polydimethylsiloxane is excellent in oxygen permeability, it has a problem of low thermal stability and oxidation resistance. Therefore, in a fuel cell in which polydimethylsiloxane is added to the cathode electrode, the oxygen permeability of polydimethylsiloxane gradually increases as the operating time becomes longer or the operating temperature becomes higher (120 ° C. to 150 ° C.). There has been a problem that the output voltage gradually decreases due to a drop.
In addition, the use of a fluorine-containing polymer excellent in oxygen solubility and heat resistance as a binder resin has been studied. However, since most of the fluorine-containing polymers are insoluble in a solvent, it is difficult to form an electrode.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、酸素透過性、耐熱性及び耐酸化性に優れ、かつ溶剤にも溶解可能な樹脂材料をバインダ樹脂として備え、活性化過電圧を低減するとともに耐久性を向上することが可能な燃料電池用のカソード電極およびそれを用いた燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and includes a resin material that is excellent in oxygen permeability, heat resistance, and oxidation resistance and that can be dissolved in a solvent as a binder resin to reduce activation overvoltage and durability. An object of the present invention is to provide a cathode electrode for a fuel cell capable of improving the performance and a fuel cell using the same.
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池用のカソード電極は、触媒と、下記[化1]で表される含フッ素置換アセチレンポリマーと、下記[化2]で表される含ケイ素置換アセチレンポリマーとが含まれてなり、前記含フッ素置換アセチレンポリマーと前記含ケイ素置換アセチレンポリマーの混合比が、モノマー単位で、フッ素置換アセチレンポリマー:含ケイ素置換アセチレンポリマー=1:4〜1:100の範囲であり、前記触媒に対する前記含フッ素置換アセチレンポリマーの配合率が質量%で0.01%以上5%以下の範囲であり、前記触媒に対する前記含ケイ素置換アセチレンポリマーの配合率が質量%で1%以上20%以下の範囲であることを特徴とする。ただし、下記[化1]において、R1及びR2は独立して、水素、フッ素基、炭素数が1〜5のアルキル基、炭素数が1〜5のフッ素置換アルキル基、フッ素置換フェニル基のうちのいずれかであり、n1は100以上10000以下の整数であり、下記[化2]において、R 3 〜R 5 は独立して、炭素数が1〜5のアルキル基、炭素数が1〜5のフッ素置換アルキル基、フッ素置換フェニル基のうちのいずれかであり、n 2 は100以上10000以下の整数である。
The fuel cell cathode electrode of the present invention does not contain a catalyst, a fluorine-containing substituted acetylene polymer represented by the following [Chemical Formula 1] , and a silicon-containing substituted acetylene polymer represented by the following [Chemical Formula 2]. The mixing ratio of the fluorine-containing substituted acetylene polymer and the silicon-containing substituted acetylene polymer is a monomer unit in the range of fluorine-substituted acetylene polymer: silicon-containing substituted acetylene polymer = 1: 4 to 1: 100, and The blending ratio of the fluorine-containing substituted acetylene polymer is in the range of 0.01% to 5% by mass, and the blending ratio of the silicon-containing substituted acetylene polymer to the catalyst is in the range of 1% to 20% by mass. and wherein the der Rukoto. However, in the following [Chemical Formula 1] , R 1 and R 2 are independently hydrogen, a fluorine group, an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, a fluorine-substituted alkyl group having 1 to 5 carbon atoms , or a fluorine-substituted phenyl group. It is any one of, n 1 is Ri integer der of 100 to 10,000, in the following [Chemical Formula 2], R 3 ~R 5 are each independently alkyl groups of 1 to 5 carbon atoms, carbon atoms Is any one of 1 to 5 fluorine-substituted alkyl groups and fluorine-substituted phenyl groups, and n 2 is an integer of 100 or more and 10,000 or less.
また、本発明の燃料電池用のカソード電極においては、前記一般式(2)で表される含ケイ素置換アセチレンポリマーの酸素透過係数PO2が1×10−11[cm3(標準状態)・cm/cm2・s・Pa]以上であることが好ましい。
また、本発明の燃料電池用のカソード電極においては、前記含フッ素置換アセチレンポリマーがポリ(2−トリフルオロメチルフェニルアセチレン)であることが好ましい。
また、本発明の燃料電池用のカソード電極においては、前記含ケイ素置換アセチレンポリマーがポリ(1−トリメチルシリルプロピン)であることが好ましい。
また、本発明の燃料電池用のカソード電極においては、前記触媒に対する前記含フッ素置換アセチレンポリマーの配合率が質量%で0.03%以上3%以下の範囲であることが好ましい。
また、本発明の燃料電池用のカソード電極においては、前記触媒に対する前記含ケイ素置換アセチレンポリマーの配合率が質量%で3%以上10%以下の範囲であることが好ましい。
In the cathode electrode for a fuel cell of the present invention, the oxygen permeability coefficient P O2-containing silicon-substituted acetylene polymer represented by the general formula (2) is 1 × 10 -11 [cm 3 (standard state) · cm / Cm 2 · s · Pa] or more .
Moreover, in the cathode electrode for a fuel cell of the present invention, the fluorine-containing substituted acetylene polymer is preferably poly (2-trifluoromethylphenylacetylene).
Moreover, in the cathode electrode for a fuel cell of the present invention, the silicon-containing substituted acetylene polymer is preferably poly (1-trimethylsilylpropyne).
Moreover, in the cathode electrode for a fuel cell of the present invention, the blending ratio of the fluorine-containing substituted acetylene polymer with respect to the catalyst is preferably in the range of 0.03% to 3% by mass%.
Moreover, in the cathode electrode for a fuel cell of the present invention, the blending ratio of the silicon-containing substituted acetylene polymer with respect to the catalyst is preferably in the range of 3% to 10% by mass%.
次に、本発明の燃料電池は、先のいずれかに記載の燃料電池用のカソード電極を備えたことを特徴とする。 Next, a fuel cell according to the present invention is characterized by including the cathode electrode for a fuel cell as described above.
以上説明したように、本発明の燃料電池用のカソード電極によれば、上記一般式(1)で表される含フッ素置換アセチレンポリマーと、上記一般式(2)で表される含ケイ素置換アセチレンポリマーとが含まれており、この含フッ素置換アセチレンポリマーは、ポリマー自体に対する酸素溶解性及び耐熱性に優れているので、カソード電極内部における酸素濃度を高めて活性化過電圧を低減することができ、また燃料電池の長時間の運転にも十分な耐久性を発揮することができる。
また、この含フッ素置換アセチレンポリマーは、各種の溶剤に溶解させることが可能であり、カソード電極の形成を容易に行うことができる。
As described above, according to the cathode electrode for a fuel cell of the present invention, the fluorine-containing substituted acetylene polymer represented by the general formula (1) and the silicon-containing substituted acetylene represented by the general formula (2). Since this fluorine-containing substituted acetylene polymer is excellent in oxygen solubility and heat resistance with respect to the polymer itself, it is possible to increase the oxygen concentration inside the cathode electrode and reduce the activation overvoltage, In addition, sufficient durability can be exhibited even for a long time operation of the fuel cell.
Moreover, this fluorine-containing substituted acetylene polymer can be dissolved in various solvents, and the cathode electrode can be easily formed.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
本実施形態の燃料電池は、図1に示すように、本発明に係るカソード電極2およびアノード電極3と、カソード電極2およびアノード電極3の間に挟持された電解質4と、カソード電極2の外側に配置された酸化剤流路5aを有する酸化剤配流板5と、アノード電極3の外側に配置された燃料流路6aを有する燃料配流板6とから構成され、80℃〜200℃の温度で作動するものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the fuel cell of this embodiment includes a
酸化剤配流板5および燃料配流板6は導電性を有する金属等から構成されており、カソード電極2およびアノード電極3にそれぞれ接合することで、集電体として機能するとともに、カソード電極2およびアノード電極3に対して、酸素および燃料を供給する。すなわち、アノード電極3には、燃料配流板6の燃料流路6aを介して燃料である水素が供給され、またカソード電極2には、酸化剤配流板5の酸化剤流路5aを介して酸化剤としての酸素が供給される。なお、燃料として供給される水素は、炭化水素若しくはアルコールの改質により発生させた水素でも良く、また、酸化剤として供給される酸素は、空気に含まれる状態で供給されても良い。
The
この燃料電池においては、アノード電極3側で水素が酸化されてプロトン(水素イオン)が生じ、この水素イオンが電解質4を伝導してカソード電極2に到達する。また、アノード電極3での水素が酸化に伴ってアノード電極3から外部回路に電子が流れ、この電子がカソード電極に流れ込む。そしてカソード電極2において、水素イオンと酸素と電子とが電気化学的に反応し、酸素が還元されて水が生成するとともに、電気エネルギーが発生する。
In this fuel cell, hydrogen is oxidized on the
電解質4は、プロトン伝導性を有するものであって、80℃〜100℃で作動する固体高分子電解質または150℃〜200℃で作動するリン酸型電解質を用いることが好ましい。また本発明においては、100℃〜150℃の間で作動する電解質を使用しても良い。
固体高分子電解質の材質としては例えば、パーフルオロカーボンスルフォン酸型イオン交換膜や、炭化水素型高分子電解質膜が好ましい。
また、リン酸型電解質の材質としては例えば、塩基性ポリマーに、リン酸、ポリリン酸、ホスホン酸、硫酸のうちのいずれか一種以上の酸が含浸されてなるものが好ましい。前記酸のうちリン酸は、85%のオルソリン酸水溶液に含浸するのが望ましく、塩基性ポリマーの一官能基あたり200〜1000モル%程度のドープ量に設定することが望ましい。塩基性ポリマーがリン酸等を保持することにより、リン酸等の水素イオンが一部解離し、この水素イオンによって電解質膜4にイオン伝導性が付与される。リン酸を保持する塩基性ポリマーとしては、ポリベンズイミダゾール、ポリ(ピリジン)、ポリ(ピリミジン)、ポリイミダゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリキリノン、ポリキノキサリン、ポリリアジアゾール、ポリ(テトラザビレン)、ポリオキサゾール、ポリビニルピリジン、ポリビニルイミザゾール、これらの誘導体、のうちのいずれか一種または二種以上からなるものである。特に、塩基性ポリマーとして、下記一般式(3)に示すポリベンズイミダゾールを用いることが好ましい。なお、塩基性ポリマーの平均分子量は1000〜1000000が好ましい。更にリン酸型電解質として、多孔質炭化ケイ素体にリン酸を含浸させたものを用いても良い。
The
As a material of the solid polymer electrolyte, for example, a perfluorocarbon sulfonic acid type ion exchange membrane or a hydrocarbon type polymer electrolyte membrane is preferable.
Moreover, as a material of the phosphoric acid electrolyte, for example, a material obtained by impregnating a basic polymer with one or more acids of phosphoric acid, polyphosphoric acid, phosphonic acid, and sulfuric acid is preferable. Among the acids, phosphoric acid is preferably impregnated in an 85% orthophosphoric acid aqueous solution, and is preferably set to a doping amount of about 200 to 1000 mol% per one functional group of the basic polymer. When the basic polymer holds phosphoric acid or the like, hydrogen ions such as phosphoric acid are partially dissociated, and ion conductivity is imparted to the
次に、本発明に係るカソード電極2は、多孔質性の触媒層2aと、この触媒層2aを保持する多孔質カーボンシート(カーボン多孔質体)2bから概略構成されている。触媒層2aは、白金、白金と他の貴金属(例えばルテニウム)との合金または白金と卑金属(例えばコバルト)との合金のいずれかを活性炭に坦持させてなる電極触媒(触媒)と、下記一般式(4)で表される含フッ素置換アセチレンポリマーと、下記一般式(5)で表される含ケイ素置換アセチレンポリマーとが少なくとも含有されて構成されている。この触媒層2aにおいては、含フッ素置換アセチレンポリマーが膜状の形態ではなく、含フッ素置換アセチレンポリマーが触媒中に分散された形態にあることが望ましい。これにより、含フッ素置換アセチレンポリマーは触媒のバインダーとして機能する。
Next, the
なお、下記一般式(4)において、R1及びR2は独立して、水素、フッ素基、アルキル基、フッ素置換アルキル基、フッ素置換フェニル基のうちのいずれかであり、n1は100以上10000以下の整数である。また、R1及びR2は独立して、水素、フッ素基、炭素数が1〜5のアルキル基、炭素数が1〜5のフッ素置換アルキル基、または、フェニル基の5個の水素原子のうち1〜2個をフッ素原子で置換したフッ素置換フェニル基のうちのいずれかであることがより好ましく、R1が水素であり、R2がトリフルオロメチル基(CF3基)であるポリ(2−トリフルオロメチルフェニルアセチレン)が最も好ましい。 In the following general formula (4), R 1 and R 2 are independently any one of hydrogen, a fluorine group, an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, and a fluorine-substituted phenyl group, and n 1 is 100 or more. It is an integer of 10,000 or less. R 1 and R 2 are independently hydrogen, a fluorine group, an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, a fluorine-substituted alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, or 5 hydrogen atoms of a phenyl group. More preferably, it is any one of fluorine-substituted phenyl groups in which one or two of them are substituted with fluorine atoms, R 1 is hydrogen, and R 2 is a trifluoromethyl group (CF 3 group). 2-trifluoromethylphenylacetylene) is most preferred.
上記一般式(4)に示す含フッ素置換アセチレンポリマーは、ポリアセチレンの水素が、R1基及びR2基を有するフェニル基に置換されてなる樹脂である。この含フッ素置換アセチレンポリマーは、ポリアセチレン構造の主鎖を有するために耐熱性および耐酸化性が高くなっており、例えば150℃以上の酸化性雰囲気においても分解することがない。
また、この含フッ素置換アセチレンポリマーは、ポリマーに対する酸素の溶解性が高く、特に空気中の酸素を選択的に溶解する性質がある。従って、含フッ素置換アセチレンポリマーをカソード電極に含有させることで、触媒層2a内部における酸素濃度が向上し、活性化過電圧の低減が図られる。更に、含フッ素置換アセチレンポリマーはフッ素系樹脂であるにもかかわらず、トルエン等の溶剤に対して溶解性を示すので、触媒とともに溶剤に混合することで均一なスラリーが形成され、このスラリーを用いてカソード電極を形成することにより、含フッ素置換アセチレンポリマーを触媒層2a中に均一に分散させることができる。
以上より、含フッ素置換アセチレンポリマーは燃料電池の電極構成材料として好適である。
The fluorine-containing substituted acetylene polymer represented by the general formula (4) is a resin obtained by replacing the hydrogen of polyacetylene with a phenyl group having an R 1 group and an R 2 group. Since this fluorine-containing substituted acetylene polymer has a main chain of a polyacetylene structure, it has high heat resistance and oxidation resistance. For example, it does not decompose even in an oxidizing atmosphere of 150 ° C. or higher.
Further, this fluorine-containing substituted acetylene polymer has a high solubility of oxygen in the polymer, and particularly has a property of selectively dissolving oxygen in the air. Therefore, by containing the fluorine-containing substituted acetylene polymer in the cathode electrode, the oxygen concentration in the catalyst layer 2a is improved, and the activation overvoltage is reduced. Furthermore, even though the fluorine-containing substituted acetylene polymer is a fluorine-based resin, it exhibits solubility in solvents such as toluene, so that a uniform slurry is formed by mixing with a solvent together with a catalyst. By forming the cathode electrode, the fluorine-containing substituted acetylene polymer can be uniformly dispersed in the catalyst layer 2a.
From the above, the fluorine-containing substituted acetylene polymer is suitable as an electrode constituent material for a fuel cell.
含ケイ素置換アセチレンポリマーは、含フッ素置換アセチレンポリマーと同様に触媒中に分散された状態でカソード電極に含まれることが望ましい。これにより、含ケイ素置換アセチレンポリマーも触媒のバインダーとして機能する。
The silicon- containing substituted acetylene polymer is desirably contained in the cathode electrode in a state of being dispersed in the catalyst in the same manner as the fluorine-containing substituted acetylene polymer. Thus, the silicon-containing substituted acetylene polymer also functions as a catalyst binder.
なお、下記一般式(5)において、R3〜R5は独立して、アルキル基、フッ素置換アルキル基、フッ素置換フェニル基のうちのいずれかであり、n2は100以上10000以下の整数である。また、R3〜R5は独立して、炭素数が1〜5のアルキル基、炭素数が1〜5のフッ素置換アルキル基、または、フェニル基の5個の水素原子のうち1〜2個をフッ素原子で置換したフッ素置換フェニル基から選択されたものであることがより好ましく、R3〜R5は独立して炭素数が1〜3のアルキル基であることが更に好ましく、R3〜R5が全てメチル基であるポリ(1−トリメチルシリルプロピン)であることが特に好ましい。 In the following general formula (5), R 3 to R 5 are independently any one of an alkyl group, a fluorine-substituted alkyl group, and a fluorine-substituted phenyl group, and n 2 is an integer of 100 or more and 10,000 or less. is there. R 3 to R 5 are independently 1 to 2 of 5 hydrogen atoms of an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, a fluorine-substituted alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, or a phenyl group. more preferably the are those selected from fluorine-substituted phenyl group substituted with a fluorine atom, more preferably R 3 to R 5 are independently a carbon number of 1 to 3 alkyl groups, R 3 ~ Particularly preferred is poly (1-trimethylsilylpropyne) in which all R 5 are methyl groups.
上記一般式(5)に示す含ケイ素置換アセチレンポリマーは、ポリアセチレンの水素が上記のR3〜R5置換のシリル基に置換されてなる樹脂である。この含ケイ素置換アセチレンポリマーは、ポリアセチレン構造の主鎖を有するために耐熱性および耐酸化性が高くなっており、200℃以上の酸化性雰囲気においても分解することがない。すなわち、この含ケイ素置換アセチレンポリマーは、熱重量分析によって重量減少開始温度を測定した場合の重量減少開始温度が200℃以上であり、優れた耐熱性を有している。特に、ポリ(1−トリメチルシリルプロピン)の重量減少開始温度は300℃以上であり、80℃〜200℃程度で作動する燃料電池の電極構成材料として好適な耐熱性を有している。 The silicon-containing substituted acetylene polymer represented by the above general formula (5) is a resin in which hydrogen of polyacetylene is substituted with the above R 3 to R 5 substituted silyl group. Since this silicon-containing substituted acetylene polymer has a main chain of a polyacetylene structure, it has high heat resistance and oxidation resistance, and does not decompose even in an oxidizing atmosphere of 200 ° C. or higher. That is, this silicon-containing substituted acetylene polymer has an excellent heat resistance with a weight reduction starting temperature of 200 ° C. or higher when the weight reduction starting temperature is measured by thermogravimetric analysis. In particular, poly (1-trimethylsilylpropyne) has a weight reduction starting temperature of 300 ° C. or higher, and has heat resistance suitable as an electrode constituent material of a fuel cell operating at about 80 ° C. to 200 ° C.
また、この含ケイ素置換アセチレンポリマーは、広がった主鎖の間に、運動性の大きなR3〜R5置換のシリル基が存在している。このような分子構造を備えた含ケイ素アセチレンポリマーは、従来のポリジメチルシロキサン等と比較して10倍以上の酸素透過性を有している。従って含ケイ素置換アセチレンポリマーをカソード電極に含有させることで、触媒表面における酸素濃度が向上し、活性化過電圧の低減が図られる。
更に、含ケイ素置換アセチレンポリマーは、トルエン等の溶剤に対する溶解性が高いため、含フッ素置換アセチレンポリマーと同様に、触媒層2a中に均一に分散させることができる。
以上より、含ケイ素置換アセチレンポリマーは、含フッ素置換アセチレンポリマーと同様に、燃料電池の電極構成材料として好適である。
In addition, this silicon-containing substituted acetylene polymer has R 3 to R 5 substituted silyl groups having high mobility between the extended main chains. The silicon-containing acetylene polymer having such a molecular structure has an oxygen permeability of 10 times or more compared to conventional polydimethylsiloxane and the like. Therefore, by containing the silicon-containing substituted acetylene polymer in the cathode electrode, the oxygen concentration on the catalyst surface is improved, and the activation overvoltage is reduced.
Furthermore, since the silicon-containing substituted acetylene polymer has high solubility in a solvent such as toluene, it can be uniformly dispersed in the catalyst layer 2a as in the case of the fluorine-containing substituted acetylene polymer.
From the above, the silicon-containing substituted acetylene polymer is suitable as an electrode constituent material of a fuel cell, like the fluorine-containing substituted acetylene polymer.
なお、含ケイ素置換アセチレンポリマーの酸素透過係数PO2は1×10−11[cm3(標準状態)・cm/cm2・s・Pa]以上であり、より好ましくは1×10−10[cm3(標準状態)・cm/cm2・s・Pa]以上である。含ケイ素置換アセチレンポリマーとして最も好ましいポリ(1−トリメチルシリルプロピン)の酸素透過性係数PO2は1×10−10〜1×10−9[cm3(標準状態)・cm/cm2・s・Pa]程度である。酸素透過性係数PO2が1×10−11[cm3(標準状態)・cm/cm2・s・Pa]以上の樹脂を用いることで、カソード電極2における活性化過電圧を低減させることができる。
The oxygen-containing coefficient P O2 of the silicon-containing substituted acetylene polymer is 1 × 10 −11 [cm 3 (standard state) · cm / cm 2 · s · Pa] or more, more preferably 1 × 10 −10 [cm. 3 (standard state) · cm / cm 2 · s · Pa] or more. The most preferable poly (1-trimethylsilylpropyne) as the silicon-containing substituted acetylene polymer has an oxygen permeability coefficient P O2 of 1 × 10 −10 to 1 × 10 −9 [cm 3 (standard state) · cm / cm 2 · s · Pa] grade. By using a resin having an oxygen permeability coefficient P O2 of 1 × 10 −11 [cm 3 (standard state) · cm / cm 2 · s · Pa] or more, activation overvoltage in the
ところで含フッ素置換アセチレンポリマーは、酸素/窒素分離係数(PO2/PN2)が比較的高い値を示すので、ポリマー中への酸素の選択的な溶解性が高い反面、酸素透過係数PO2自体が含ケイ素置換アセチレンポリマーに比べて低いため、酸素の透過量自体が少ないという性質がある。
そこで、本発明に係るカソード電極では、含フッ素置換アセチレンポリマーに加えて、酸素透過係数PO2が比較的高い含ケイ素置換アセチレンポリマーを含有させる。これにより、カソード電極におけるバインダーの酸素透過係数PO2と酸素/窒素分離係数(PO2/PN2)とが向上し、触媒層内部における酸素濃度を向上できると同時に触媒表面における酸素濃度も向上することができ、これにより活性化過電圧の更なる低減が図られる。
By the way, since the fluorine-containing substituted acetylene polymer has a relatively high oxygen / nitrogen separation coefficient (P O2 / P N2 ), the selective solubility of oxygen in the polymer is high, but the oxygen permeability coefficient P O2 itself. Is lower than that of silicon-containing substituted acetylene polymers, and therefore has a property that the permeation amount of oxygen itself is small.
Therefore, in the cathode electrode according to the present invention, in addition to the fluorinated substituent acetylene polymers, the oxygen permeability coefficient P O2 is Ru contain a relatively high silicon-containing substituted acetylene polymer. As a result, the oxygen permeability coefficient P O2 and the oxygen / nitrogen separation coefficient (P O2 / P N2 ) of the binder in the cathode electrode are improved, so that the oxygen concentration in the catalyst layer can be improved and the oxygen concentration on the catalyst surface is also improved. This can further reduce the activation overvoltage.
カソード電極における含フッ素置換アセチレンポリマーと含ケイ素置換アセチレンポリマーの混合比は、モノマー単位で、フッ素置換アセチレンポリマー:含ケイ素置換アセチレンポリマー=1:4〜1:100の範囲が好ましい。両ポリマーの混合比が1:4以上であれば、含ケイ素置換アセチレンポリマーの含有量が十分な量となり、カソード電極におけるバインダーの酸素透過係数PO2を向上できる。また、両ポリマーの混合比が1:100以下であれば、含フッ素置換アセチレンポリマーの含有量が十分な量となり、カソード電極におけるバインダーの酸素/窒素分離係数(PO2/PN2)を向上できる。 The mixing ratio of the fluorine-containing substituted acetylene polymer and the silicon-containing substituted acetylene polymer in the cathode electrode is preferably in the range of monomer units and fluorine-substituted acetylene polymer: silicon-containing substituted acetylene polymer = 1: 4 to 1: 100. When the mixing ratio of the two polymers is 1: 4 or more, the content of the silicon-containing substituted acetylene polymer is sufficient, and the oxygen permeability coefficient PO2 of the binder in the cathode electrode can be improved. Further, when the mixing ratio of the two polymers is 1: 100 or less, the content of the fluorine-containing substituted acetylene polymer becomes a sufficient amount, and the oxygen / nitrogen separation factor ( PO2 / PN2 ) of the binder in the cathode electrode can be improved. .
また、触媒に対する含フッ素置換アセチレンポリマーの配合率は、質量%で0.01%以上5%以下の範囲が好ましく、0.03%以上3%以下の範囲がより好ましい。更に、触媒に対する含ケイ素置換アセチレンポリマーの配合率は、質量%で1%以上20%以下の範囲が好ましく、3%以上10%以下の範囲がより好ましい。
触媒に対する各ポリマーの配合率が下限値以上であれば、触媒表面に十分な量の酸素を供給することができる。また配合率が上限値以下であれば、カソード電極2自体の抵抗率が低く抑えられ、カソード電極の内部抵抗を低減できる。
Further, the blending ratio of the fluorine-containing substituted acetylene polymer with respect to the catalyst is preferably in the range of 0.01% to 5% by mass%, more preferably in the range of 0.03% to 3%. Furthermore, the blending ratio of the silicon-containing substituted acetylene polymer with respect to the catalyst is preferably in the range of 1% to 20% by mass, more preferably in the range of 3% to 10%.
If the blending ratio of each polymer with respect to the catalyst is not less than the lower limit value, a sufficient amount of oxygen can be supplied to the catalyst surface. If the blending ratio is equal to or less than the upper limit value, the resistivity of the
また、カソード電極2の触媒層2aには、触媒と、含フッ素置換アセチレンポリマーと、含ケイ素置換アセチレンポリマーとに加え、疎水性樹脂、リン酸等を保持可能な塩基性ポリマーまたはプロトン伝導性樹脂のいずれかを添加しても良い。また、疎水性樹脂と塩基性ポリマーを同時に添加しても良い。また、疎水性樹脂とプロトン伝導性樹脂を同時に添加しても良い。
疎水性樹脂としては例えば、ポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロエチレン共重合体、パーフルオロエチレン等といった疎水性および耐熱性に優れた樹脂を用いることができる。疎水性樹脂を添加することにより、発電反応に伴って生成した水によって触媒層2aが過剰に濡れるのを防止することができ、カソード電極2内部における酸素の拡散阻害を防止することができる。すなわち、カ
ソード電極2内部の触媒表面において、気相(酸素)−液相(水)−固相(触媒)の三相界面が多く形成されて、カソード電極2の特性を向上させることができる。
また、塩基性ポリマーとしては、上記の電解質4に用いられる塩基性ポリマーを利用することができる。塩基性ポリマーの平均分子量は1000〜100000が好ましい。平均分子量が1000以下では触媒との密着性が悪く、また平均分子量が100000以上では、溶剤に溶けにくくなり触媒との混合が困難になるからである。塩基性ポリマーを添加することによって、電解質4から滲み出されたリン酸等をカソード電極2に保持させることができる。これにより、カソード電極2の触媒表面に水素イオンを効率よく輸送させることができ、酸素の還元反応の反応速度を高めることができる。
更に、プロトン伝導性樹脂としては、パーフルオロカーボンスルフォン酸型イオン交換樹脂などのフッ素系イオン交換樹脂を用いることができる。特にフッ素系イオン交換樹脂は酸素選択的溶解性を有しており、当該樹脂に溶解させた酸素を電極表面に効率よく輸送させることができる。これにより、カソード電極の触媒表面に水素イオンを効率よく輸送させることができ、酸素の還元反応の反応速度を高めることができ、活性化過電圧をより低くすることができる。
The catalyst layer 2a of the
As the hydrophobic resin, for example, a resin having excellent hydrophobicity and heat resistance such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene / hexafluoroethylene copolymer, perfluoroethylene, and the like can be used. By adding the hydrophobic resin, it is possible to prevent the catalyst layer 2a from being wetted excessively by the water generated during the power generation reaction, and to prevent the diffusion of oxygen in the
Moreover, as a basic polymer, the basic polymer used for said
Further, as the proton conductive resin, a fluorine ion exchange resin such as a perfluorocarbon sulfonic acid type ion exchange resin can be used. In particular, the fluorine-based ion exchange resin has oxygen selective solubility, and oxygen dissolved in the resin can be efficiently transported to the electrode surface. Thereby, hydrogen ions can be efficiently transported to the catalyst surface of the cathode electrode, the reaction rate of the oxygen reduction reaction can be increased, and the activation overvoltage can be further reduced.
触媒層2aにおける疎水性樹脂の配合率は質量%で1%以上20%以下の範囲が好ましく、2%以上10%以下の範囲がより好ましい。疎水性樹脂の配合率を1%以上とすることで触媒層2a自体の疎水性を高めることができる。また疎水性樹脂の配合率を20%以下とすることでカソード電極2の内部抵抗を低減することができる。
また、触媒層2aにおける塩基性ポリマーの配合率は質量%で0%以上10%以下の範囲が好ましく、2%以上5%以下の範囲がより好ましい。塩基性ポリマーの配合率を2%以上とすることで触媒層2aにおける水素イオンの伝導性を高めて酸素の還元反応を効率よく進めることができる。また塩基性ポリマーの配合率を10%以下とすることでカソード電極2の内部抵抗を低減することができる。
更に、触媒層2aにおけるプロトン伝導性樹脂の配合率は質量%で0%以上10%以下の範囲が好ましく、2%以上5%以下の範囲がより好ましい。プロトン伝導性樹脂の配合率を2%以上とすることで触媒層2aにおける水素イオンの伝導性を高めて酸素の還元反応を効率よく進めることができる。またプロトン伝導性樹脂の配合率を10%以下とすることでカソード電極2の内部抵抗を低減することができる。
The blending ratio of the hydrophobic resin in the catalyst layer 2a is preferably in the range of 1% to 20% by mass%, and more preferably in the range of 2% to 10%. By making the blending ratio of the hydrophobic resin 1% or more, the hydrophobicity of the catalyst layer 2a itself can be increased. Moreover, the internal resistance of the
Further, the blending ratio of the basic polymer in the catalyst layer 2a is preferably in the range of 0% to 10% by mass%, and more preferably in the range of 2% to 5%. By setting the blending ratio of the basic polymer to 2% or more, the hydrogen ion conductivity in the catalyst layer 2a can be increased and the oxygen reduction reaction can be efficiently advanced. Moreover, the internal resistance of the
Furthermore, the blending ratio of the proton conductive resin in the catalyst layer 2a is preferably in the range of 0% to 10% by mass%, and more preferably in the range of 2% to 5%. By setting the blending ratio of the proton conductive resin to 2% or more, the hydrogen ion conductivity in the catalyst layer 2a can be increased, and the oxygen reduction reaction can be advanced efficiently. Moreover, the internal resistance of the
上記の触媒層2aを製造するには、たとえば、触媒と、含フッ素置換アセチレンポリマーと、含ケイ素置換アセチレンポリマーとを、適当な溶剤に混合してスラリーとし、このスラリーを多孔質カーボンシート2bに塗布し、更に溶剤を除去することで製造できる。前記のスラリーには、疎水性樹脂、塩基性ポリマーまたはプロトン伝導性樹脂を添加しても良い。溶剤としては例えばトルエンを用いることができる。トルエンを用いることで、少なくとも、含フッ素置換アセチレンポリマー及び含ケイ素置換アセチレンポリマーを溶解させることができる。
また、疎水性樹脂、塩基性ポリマーまたはプロトン伝導性樹脂が、トルエン等の溶剤に不溶の場合には、これら疎水性樹脂等及び触媒により触媒層を形成し、そのあとから含フッ素置換アセチレンポリマーを添加すると同時に、含ケイ素置換アセチレンポリマーを添加してもよい。具体的には、触媒及びこれら疎水性樹脂等を、疎水性樹脂等が可溶な溶剤に混合してスラリーとし、このスラリーから溶剤を除去して混合物とする。次に、含フッ素置換アセチレンポリマーと、含ケイ素置換アセチレンポリマーとが溶解されたトルエン溶液を調製し、このトルエン溶液に先ほどの混合物を投入して混練することによりスラリーとし、このスラリーを多孔質カーボンシート2bに塗布し、更にトルエンを除去することで触媒層を形成する。また、先ほどの混合物にトルエン溶液を塗布してからトルエンを除去しても良い。このようにして、疎水性樹脂等が更に添加されてなる触媒層が得られる。
In order to produce the catalyst layer 2a, for example, a catalyst, a fluorine-containing substituted acetylene polymer, and a silicon- containing substituted acetylene polymer are mixed in an appropriate solvent to form a slurry, and this slurry is formed into the
Further, when the hydrophobic resin, basic polymer or proton conductive resin is insoluble in a solvent such as toluene, a catalyst layer is formed with these hydrophobic resin or the like and a catalyst, and then the fluorine-containing substituted acetylene polymer is formed. Simultaneously with the addition, a silicon- containing substituted acetylene polymer may be added. Specifically, the catalyst and the hydrophobic resin are mixed with a solvent in which the hydrophobic resin is soluble to form a slurry, and the solvent is removed from the slurry to obtain a mixture. Next, a toluene solution in which the fluorine-containing substituted acetylene polymer and the silicon- containing substituted acetylene polymer are dissolved is prepared, and the mixture is added to the toluene solution and kneaded to form a slurry. The catalyst layer is formed by applying to the
次にアノード電極3は、多孔質性の触媒層3aと、この触媒層3aを保持する多孔質カーボンシート(カーボン多孔質体)3bから概略構成されている。触媒層3aには、白金、白金と他の貴金属(例えばルテニウム)との合金または白金と卑金属(例えばコバルト)との合金のいずれかを活性炭に坦持させてなる電極触媒(触媒)とこの電極触媒を固化成形するための疎水性結着剤とが含まれている。疎水性結着剤には例えば、ポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロエチレン共重合体、パーフルオロエチレン等といった疎水性および耐熱性に優れた樹脂を用いることができる。疎水性結着剤を添加することにより、発電反応に伴って生成した水によって触媒層3aが過剰に濡れるのを防止することができ、アノード電極3内部の燃料ガスの拡散阻害を防止することができる。すなわち、アノード電極3内部の電極触媒表面において、気相(水素)−液相(水)−固相(触媒)の三相界面が多く形成されて、電極の特性を向上させることができる。また触媒層3aには、触媒と疎水性結着剤の他に塩基性ポリマーを含有させても良い。塩基性ポリマーを添加することによって、電解質4から滲み出されたリン酸等を保持することができる。これにより、触媒表面において生成した水素イオンをアノード電極の外側に効率よく輸送させることができる。なお、アノード電極3に添加する塩基性ポリマーとしては、上記の電解質4に用いられる塩基性ポリマーを利用することができる。塩基性ポリマーの平均分子量は1000〜1000000が好ましい。平均分子量が1000以下では触媒との密着性が悪く、また平均分子量が1000000以上では、溶剤に溶けにくくなり触媒との混合が困難になるからである。
Next, the
本発明に係るカソード電極2に含まれる含フッ素置換アセチレンポリマーは、酸素を選択的に溶解する選択溶解性に優れるとともに、200℃程度の高温にも耐えることができ、かつ耐酸化性にも優れるものである。酸化剤流路5aからカソード電極2に供給された酸素は、一部が多孔質性の触媒層2aに吸収されて触媒表面に到達するが、他の一部は含フッ素置換アセチレンポリマーを透過して触媒表面に達する。このように本実施形態のカソード電極2によれば、含フッ素置換アセチレンポリマーを含有させることによって、触媒層2aの内部における酸素濃度を高めることができ、活性化過電圧を低減させることができる。また、耐熱性及び耐酸化性に優れることから、長期に渡って80℃〜200℃の高温で連続運転される燃料電池の電極として用いられた場合でも、酸素透過能力が低減することなく出力電圧を高く維持させることができる。
The fluorine-containing substituted acetylene polymer contained in the
また、含フッ素置換アセチレンポリマーに加えて、カソード電極2に含ケイ素置換アセチレンポリマーを添加することによって、カソード電極におけるバインダーの酸素透過係数PO2及び酸素/窒素分離係数(PO2/PN2)の双方が向上し、触媒層2aの内部における酸素濃度が向上すると同時に触媒表面における酸素濃度を高めることができ、活性化過電圧の更なる低減を図ることができる。
Further, by adding a silicon-containing substituted acetylene polymer to the
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to this Example.
(参考例1)
参考例1のカソード電極を以下のようにして製造した。まず、ポリ(2−トリフルオロメチルフェニルアセチレン)(以下、PTFMPAと表記する)を0.3質量%の濃度で溶解させたトルエン溶液20mlを用意し、このトルエン溶液に白金担持触媒2gを添加して混合してスラリーとした。触媒とPTFMPAの質量比は触媒:PTFMPA=1:0.05であった。なお白金担持触媒には、カーボン(ValcanXC72)に白金を坦持させた白金担持触媒(白金含有率40質量%)を用いた。
得られたスラリーを微細カーボン層を有するカーボンペーパー(SGL Carbon社製:GDL30BC)上に塗布した。塗布後、真空中150℃で約15分間乾燥して溶媒を除去した。このようにしてカーボンペーパーに触媒層が形成されてなる参考例1のカソード電極を製造した。なお、カソード電極の触媒層におけるPTFMPAの配合率は5質量%であった。
( Reference Example 1)
The cathode electrode of Reference Example 1 was produced as follows. First, 20 ml of a toluene solution in which poly (2-trifluoromethylphenylacetylene) (hereinafter referred to as PTFMPA) was dissolved at a concentration of 0.3% by mass was prepared, and 2 g of a platinum-supported catalyst was added to the toluene solution. To make a slurry. The mass ratio of catalyst to PTFMPA was catalyst: PTFMPA = 1: 0.05. As the platinum-supported catalyst, a platinum-supported catalyst (platinum content 40 mass%) in which platinum was supported on carbon (Valcan XC72) was used.
The obtained slurry was applied on carbon paper (SGL Carbon: GDL30BC) having a fine carbon layer. After coating, the solvent was removed by drying in vacuum at 150 ° C. for about 15 minutes. Thus, the cathode electrode of Reference Example 1 in which the catalyst layer was formed on the carbon paper was produced. In addition, the compounding ratio of PTFMPA in the catalyst layer of the cathode electrode was 5% by mass.
また、PTFMPAの酸素透過係数PO2は相対湿度0%の条件で2.5×10−9[cm3(標準状態)・cm/cm2・s・Pa]であり、酸素拡散係数(D)は4.0×10−7[cm2/s]であり、酸素溶解度係数(S)は4.73×10−6[cm3(標準状態)/cm3・Pa]であり、酸素/窒素分離係数(PO2/PN2)は3.4であり、ゲルパーメイションクロマトグラフ法で測定した分子量は160000であった。
なお、酸素透過係数PO2の測定は次のように行った。PTFMPAを膜厚100μmの薄膜に成形し、この薄膜を隔壁とした2つの領域をもつ測定装置を用意した。各領域には、ガス流入路とガス流出路がそれぞれ設けられている。一方の流入路からArガスを流量200ml/Lで流通させ、他方の流入路から空気を流量200ml/Lで流通させた。Arガスを流した側の領域についてガスの成分分析をガスクロマトグラフにより行うことにより、酸素透過係数PO2を測定した。
The oxygen permeability coefficient P O2 of PTFMPA is at 0% relative humidity conditions 2.5 × 10 -9 [cm 3 (standard state) · cm / cm 2 · s · Pa], the oxygen diffusion coefficient (D) Is 4.0 × 10 −7 [cm 2 / s], the oxygen solubility coefficient (S) is 4.73 × 10 −6 [cm 3 (standard state) / cm 3 · Pa], and oxygen / nitrogen The separation factor ( PO2 / PN2 ) was 3.4, and the molecular weight measured by gel permeation chromatography was 160000.
The oxygen permeability coefficient P02 was measured as follows. PTFMPA was formed into a thin film having a thickness of 100 μm, and a measuring apparatus having two regions using this thin film as a partition was prepared. Each region is provided with a gas inflow passage and a gas outflow passage. Ar gas was circulated at a flow rate of 200 ml / L from one inflow passage, and air was circulated at a flow rate of 200 ml / L from the other inflow passage. The oxygen permeation coefficient P02 was measured by performing a gas component analysis on the region on the side where the Ar gas was flowed using a gas chromatograph.
次に、アノード電極として、市販の白金担持ガス拡散電極(Electrochem社製触媒付電極EC−20-10-7)を用意した。また電解質として、リン酸をポリベンズイミダゾール(以下、PBIと表記する)の塩基性基に対して300質量%ドープさせたPBI膜を用意した。そして、カソード電極と電解質とアノード電極を重ね合わせ、更に各電極の外側に酸化剤配流板および燃料配流板を配置することにより、図1に示すような参考例1の燃料電池を製造した。
Next, a commercially available platinum-supported gas diffusion electrode (Electrochem catalyst electrode EC-20-10-7 manufactured by Electrochem) was prepared as an anode electrode. Further, as an electrolyte, a PBI film in which phosphoric acid was doped with 300% by mass with respect to a basic group of polybenzimidazole (hereinafter referred to as PBI) was prepared. Then, a fuel cell of Reference Example 1 as shown in FIG. 1 was manufactured by superimposing the cathode electrode, the electrolyte, and the anode electrode, and disposing an oxidant distribution plate and a fuel distribution plate outside each electrode.
(実施例2)
実施例2のカソード電極を以下のようにして製造した。まず、PTFMPAとポリ(1−トリメチルシリルプロピン)(以下、PTMSPと表記する)とをモノマーユニット比(PTFMPA:PTMSP)で1:4の割合でかつ0.5質量%の濃度で溶解させたトルエン溶液20mlを用意し、このトルエン溶液に白金担持触媒2gを添加して混合してスラリーとした。触媒とPTFMPAとPTMSPの質量比は触媒:(PTFMPA+PTMSP)=1:0.05であった。なお白金担持触媒は参考例1と同じものを用いた。
得られたスラリーを参考例1と同じ種類のカーボンペーパー上に塗布した。塗布後、真空中150℃で約15分間乾燥して溶媒を除去した。このようにして実施例2のカソード電極を製造した。
そして、実施例2のカソード電極を用いたこと以外は参考例1と同様にして、実施例2の燃料電池を製造した。なお、カソード電極の触媒層におけるPTFMPAの配合率は1質量%であり、PTMSPの配合率は4質量%であった。
(Example 2)
The cathode electrode of Example 2 was manufactured as follows. First, toluene obtained by dissolving PTFMPA and poly (1-trimethylsilylpropyne) (hereinafter referred to as PTMSP) at a monomer unit ratio (PTFMPA: PTMSP) of 1: 4 and a concentration of 0.5% by mass. 20 ml of a solution was prepared, and 2 g of a platinum-supported catalyst was added to the toluene solution and mixed to form a slurry. The mass ratio of the catalyst, PTFMPA, and PTMSP was catalyst: (PTFMMPA + PTMSP) = 1: 0.05. The same platinum-supported catalyst as in Reference Example 1 was used.
The obtained slurry was applied on the same type of carbon paper as in Reference Example 1. After coating, the solvent was removed by drying in vacuum at 150 ° C. for about 15 minutes. In this way, the cathode electrode of Example 2 was manufactured.
A fuel cell of Example 2 was manufactured in the same manner as Reference Example 1 except that the cathode electrode of Example 2 was used. In addition, the compounding rate of PTFMPA in the catalyst layer of a cathode electrode was 1 mass%, and the compounding rate of PTMSP was 4 mass%.
また、PTMSPの酸素透過係数PO2は相対湿度0%の条件で7.9×10−7[cm3(標準状態)・cm/cm2・s・Pa]であり、酸素拡散係数(D)は4.0×10−5[cm2/s]であり、酸素溶解度係数(S)は1.5×10−5[cm3(標準状態)/cm3・Pa]であり、酸素/窒素分離係数(PO2/PN2)は1.6であり、ゲルパーメイションクロマトグラフ法で測定した分子量は180000であった。酸素透過係数PO2の測定は参考例1の場合と同様に行った。
The oxygen permeability coefficient P O2 of PTMSP is 7.9 × 10 −7 [cm 3 (standard state) · cm / cm 2 · s · Pa] under the condition of 0% relative humidity, and the oxygen diffusion coefficient (D) Is 4.0 × 10 −5 [cm 2 / s], the oxygen solubility coefficient (S) is 1.5 × 10 −5 [cm 3 (standard state) / cm 3 · Pa], and oxygen / nitrogen The separation factor (P O2 / P N2 ) was 1.6, and the molecular weight measured by gel permeation chromatography was 180000. The oxygen permeability coefficient PO 2 was measured in the same manner as in Reference Example 1.
(実施例3)
PTFMPAとPTMSPのモノマーユニット比(PTFMPA:PTMSP)を1:100にしたこと以外は上記実施例2と同様にして実施例3のカソード電極を製造した。
そして、実施例3のカソード電極を用いたこと以外は参考例1と同様にして、実施例3の燃料電池を製造した。なお、カソード電極の触媒層におけるPTFMPAの配合率は0.05質量%であり、PTMSPの配合率は5質量%であった。
(Example 3)
A cathode electrode of Example 3 was produced in the same manner as in Example 2 except that the monomer unit ratio of PTFMPA and PTMSP (PTFMMPA: PTMSP) was 1: 100.
A fuel cell of Example 3 was manufactured in the same manner as Reference Example 1 except that the cathode electrode of Example 3 was used. The PTFMPA content in the catalyst layer of the cathode electrode was 0.05% by mass, and the PTMSP content was 5% by mass.
(実施例4)
PTFMPAとPTMSPのモノマーユニット比(PTFMPA:PTMSP)を1:200にしたこと以外は上記実施例2と同様にして実施例4のカソード電極を製造した。
そして、実施例4のカソード電極を用いたこと以外は参考例1と同様にして、実施例4の燃料電池を製造した。なお、カソード電極の触媒層におけるPTFMPAの配合率は0.03質量%であり、PTMSPの配合率は5質量%であった。
Example 4
A cathode electrode of Example 4 was produced in the same manner as in Example 2 except that the monomer unit ratio of PTFMPA and PTMSP (PTFMMPA: PTMSP) was 1: 200.
And the fuel cell of Example 4 was manufactured like the reference example 1 except having used the cathode electrode of Example 4. FIG. In addition, the compounding rate of PTFMPA in the catalyst layer of the cathode electrode was 0.03% by mass, and the compounding rate of PTMSP was 5% by mass.
(比較例1)
ポリ(ビニリデンフルオライド)(以下、PVdFと表記する)を0.3質量%の濃度で溶解させたN−メチルピロリドン溶液(NMP溶液)20mlを用意し、このNMP溶液に白金担持触媒2gを添加して混合してスラリーとした。触媒とPVdFの質量比は触媒:PVdF=1:0.05であった。なお白金担持触媒には参考例1と同様の白金担持触媒を用いた。
得られたスラリーを、参考例1と同じ種類のカーボンペーパー上に塗布した。塗布後、真空中150℃で約15分間乾燥して溶媒を除去した。このようにして比較例1のカソード電極を製造した。なお、カソード電極の触媒層におけるPVdFの配合率は3質量%であった。
そして、比較例1のカソード電極を用いたこと以外は参考例1と同様にして、比較例1の燃料電池を製造した。
(Comparative Example 1)
20 ml of N-methylpyrrolidone solution (NMP solution) in which poly (vinylidene fluoride) (hereinafter referred to as PVdF) is dissolved at a concentration of 0.3% by mass is prepared, and 2 g of a platinum-supported catalyst is added to the NMP solution. And mixed to make a slurry. The mass ratio of catalyst to PVdF was catalyst: PVdF = 1: 0.05. In addition, the platinum supported catalyst similar to the reference example 1 was used for the platinum supported catalyst.
The obtained slurry was applied on the same type of carbon paper as in Reference Example 1. After coating, the solvent was removed by drying in vacuum at 150 ° C. for about 15 minutes. In this way, the cathode electrode of Comparative Example 1 was produced. The blending ratio of PVdF in the catalyst layer of the cathode electrode was 3% by mass.
And the fuel cell of the comparative example 1 was manufactured like the reference example 1 except having used the cathode electrode of the comparative example 1. FIG.
(比較例2)
PTFMPAに代えてPTMSPを用いたこと以外は参考例1と同様にして、比較例2の燃料電池を製造した。
(Comparative Example 2)
A fuel cell of Comparative Example 2 was produced in the same manner as Reference Example 1 except that PTMSP was used instead of PTFMPA.
(評価)
上記のようにして製造した各燃料電池に対して、カソード電極に空気を供給するとともにアノード電極に水素を供給し、作動温度150℃、電解質に対して加湿しない条件(無加湿の条件)で発電を行い、発電特性を評価した。発電は、出力電流密度が0.3A/cm2になる条件で行った。表1に、発電開始から10時間、500時間および1000時間経過したときの各燃料電池の出力電圧を示す。
(Evaluation)
For each fuel cell manufactured as described above, air is supplied to the cathode electrode and hydrogen is supplied to the anode electrode, and power generation is performed under conditions where the operating temperature is 150 ° C. and the electrolyte is not humidified (non-humidified condition). The power generation characteristics were evaluated. Power generation was performed under conditions where the output current density was 0.3 A / cm 2 . Table 1 shows the output voltage of each fuel cell when 10 hours, 500 hours, and 1000 hours have elapsed since the start of power generation.
表1に示すように、参考例1の燃料電池は、1000時間の経過後であっても0.605Vの電圧を維持しており、比較例1と比べて高い出力電圧を維持していることがわかる。これは、酸素溶解性の高いPTFMPAを含有させたことによってカソード電極の触媒層内部における酸素濃度が増大して活性化過電圧が低下し、これにより作動電圧が大きくなったためである。
実施例2及び3の燃料電池では、PTFMPAに加えて酸素透過性の高いPTMSPを含有させたことにより、触媒表面における酸素濃度が増大して、出力電圧が更に増大していることがわかる。
また、参考例1、実施例2、及び実施例3の燃料電池は、PTFMPAを含まない比較例2と比べて、10時間後の出力電圧は低いものの、500時間後では参考例1、実施例2、及び実施例3の出力電圧が比較例2よりも大きくなり、500時間から1000時間の間では出力電圧がほとんど低下していない。これは、PTFMPAを含有させたことによって、カソード電極の耐熱性及び耐酸化性が向上し、燃料電池の長期安定性が向上したためである。
実施例4については、PTFMPAの含有率が低いために、参考例1、実施例2、及び実施例3と比べて500〜1000時間後の出力電圧が低くなっているが、10時間後の出力電圧は参考例1、実施例2、及び実施例3、及び比較例1並びに2の中で最も高く、初期特性に優れていることがわかる。
As shown in Table 1, the fuel cell of Reference Example 1 maintains a voltage of 0.605 V even after 1000 hours, and maintains a higher output voltage than that of Comparative Example 1. I understand. This is because the oxygen concentration inside the catalyst layer of the cathode electrode is increased and the activation overvoltage is lowered due to the inclusion of PTFMPA having high oxygen solubility, thereby increasing the operating voltage.
In the fuel cells of Examples 2 and 3, it can be seen that the inclusion of PTMSP having high oxygen permeability in addition to PTFMPA increases the oxygen concentration on the catalyst surface and further increases the output voltage.
The fuel cells of Reference Example 1, Example 2, and Example 3 had lower output voltages after 10 hours than Comparative Example 2 that did not contain PTFMPA, but after 500 hours, Reference Example 1 and Example 2 and the output voltage of Example 3 were larger than those of Comparative Example 2, and the output voltage hardly decreased between 500 hours and 1000 hours. This is because inclusion of PTFMPA improved the heat resistance and oxidation resistance of the cathode electrode and improved the long-term stability of the fuel cell.
About Example 4, since the content rate of PTFMPA is low, the output voltage after 500 to 1000 hours is lower than that of Reference Example 1, Example 2, and Example 3 , but the output after 10 hours. It can be seen that the voltage is the highest among Reference Example 1, Example 2, Example 3, and Comparative Examples 1 and 2, and the initial characteristics are excellent.
2…カソード電極、3…アノード電極、4…電解質、5…酸化剤配流板、5a…酸化剤流路、6…燃料配流板、6a…燃料流路
2 ... Cathode electrode, 3 ... Anode electrode, 4 ... Electrolyte, 5 ... Oxidant flow plate, 5a ... Oxidant flow channel, 6 ... Fuel flow plate, 6a ... Fuel flow channel
Claims (7)
ただし、下記[化1]において、R1及びR2は独立して、水素、フッ素基、炭素数が1〜5のアルキル基、炭素数が1〜5のフッ素置換アルキル基、フッ素置換フェニル基のうちのいずれかであり、n1は100以上10000以下の整数であり、下記[化2]において、R 3 〜R 5 は独立して、炭素数が1〜5のアルキル基、炭素数が1〜5のフッ素置換アルキル基、フッ素置換フェニル基のうちのいずれかであり、n 2 は100以上10000以下の整数である。
However, in the following [Chemical Formula 1] , R 1 and R 2 are independently hydrogen, a fluorine group, an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, a fluorine-substituted alkyl group having 1 to 5 carbon atoms , or a fluorine-substituted phenyl group. It is any one of, n 1 is Ri integer der of 100 to 10,000, in the following [Chemical Formula 2], R 3 ~R 5 are each independently alkyl groups of 1 to 5 carbon atoms, carbon atoms Is any one of 1 to 5 fluorine-substituted alkyl groups and fluorine-substituted phenyl groups, and n 2 is an integer of 100 or more and 10,000 or less.
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