JP4876389B2 - Electrolyte for polymer electrolyte fuel cell, polymer electrolyte fuel cell, polymer electrolyte fuel cell system and fuel cell vehicle - Google Patents
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Description
この発明は、固体高分子型燃料電池用電解質、固体高分子型燃料電池、固体高分子型燃料電池システム及び燃料電池車両に関する。 The present invention relates to an electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell system, and a fuel cell vehicle.
昨今のエネルギー資源問題、CO2排出に伴う地球温暖化問題の解決する手段として、燃料電池技術が注目されている。燃料電池は電池内で水素、メタノール、又はその他の炭化水素等の燃料を電気化学的に酸化することにより、燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して取り出すものである。このため、燃料電池は、火力発電、自動車などの内燃機関において燃料の燃焼によるNOXやSOXなどの発生がなく、クリーンな電気エネルギー源として着目されている。 Fuel cell technology is attracting attention as a means of solving the recent energy resource problems and global warming problems associated with CO 2 emissions. A fuel cell is one in which fuel such as hydrogen, methanol, or other hydrocarbons is electrochemically oxidized in the cell, thereby converting the chemical energy of the fuel directly into electric energy and taking it out. For this reason, the fuel cell has been attracting attention as a clean electric energy source without generating NO X or SO X due to fuel combustion in an internal combustion engine such as thermal power generation and automobile.
燃料電池にはいくつかの種類がある。中でも固体高分子型燃料電池(PEFC)が最も注目され開発が進められている。PEFCは、(1)低温作動性であるため起動・停止が容易、(2)理論電圧や理論変換効率が高い、(3)電解質に液相が存在しないためセル構造が縦型などの柔軟な設計が可能である、(4)イオン交換膜/電極界面では三相界面の制御により電流を多く取り出せることができ高出力密度が得られる、などの様々な利点を有している。 There are several types of fuel cells. Among them, the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has attracted the most attention and is being developed. PEFC is (1) easy to start and stop due to low temperature operation, (2) high theoretical voltage and high conversion efficiency, and (3) flexible cell structure such as vertical because there is no liquid phase in the electrolyte. There are various advantages such as that design is possible, and that (4) a large amount of current can be taken out by controlling the three-phase interface and a high output density can be obtained at the ion exchange membrane / electrode interface.
しかし、PEFCは最も注目されているにも拘らず、未だ多くの課題が山積みされている。中でも高分子電解質膜の技術は最重要課題の一つである。現在、最も広く使われている電解質膜であり、米国デュポン社から市販されているナフィオン(登録商標)膜に代表されるパーフルオロスルホン酸系ポリマーは、燃料電池の正極(空気極)で発生する活性酸素に対して耐性をもつ膜として開発された経緯がある。しかし、長期に渡る耐久試験において、まだ十分な耐性があるとは言えない状況である(非特許文献1参照。)。 However, even though PEFC has received the most attention, there are still many problems. Among them, polymer electrolyte membrane technology is one of the most important issues. At present, perfluorosulfonic acid polymers represented by Nafion (registered trademark) membranes, which are the most widely used electrolyte membranes and are commercially available from DuPont, USA, are generated at the positive electrode (air electrode) of fuel cells. It has been developed as a membrane resistant to active oxygen. However, in a long-term durability test, it cannot be said that there is still sufficient resistance (see Non-Patent Document 1).
燃料電池の作動原理は、負極(燃料極)でのH2酸化と、正極での分子状酸素(O2)の4電子還元による水の生成という2つの電気化学的過程から成り立っている。しかしながら、実際の燃料電池では、これらの反応の他に副反応が同時に起こっている。その代表的なものは、正極におけるO2の2電子還元による過酸化水素(H2O2)の生成である。過酸化水素は酸化力は弱いが、安定していて寿命が長い。過酸化水素は以下に示す反応式(1)、(2)に従って分解し、この際にヒドロキシラジカル、ヒドロペルオキシラジカルラジカルなどのラジカルが生成する。 The operating principle of a fuel cell consists of two electrochemical processes: H 2 oxidation at the negative electrode (fuel electrode) and water generation by 4-electron reduction of molecular oxygen (O 2 ) at the positive electrode. However, in an actual fuel cell, side reactions occur simultaneously in addition to these reactions. A typical example is the production of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) by two-electron reduction of O 2 at the positive electrode. Hydrogen peroxide has a weak oxidizing power but is stable and has a long life. Hydrogen peroxide is decomposed according to the following reaction formulas (1) and (2). At this time, radicals such as hydroxy radicals and hydroperoxy radical radicals are generated.
H2O2→2・OH ・・・式(1)
H2O2→・H+・OOH ・・・式(2)
ここに示した式(1)及び(2)の反応は、金属イオン(例えばFe2+、Cu2+など)の存在下ではハーバーワイス(Haber-Weiss)反応となる。ハーバーワイス反応では、過酸化水素は金属イオンなどの触媒作用によりヒドロキシラジカル(・OH)に変化する。ヒドロキシラジカルは、活性酸素の中で最も反応性に富み、酸化力が非常に強いことが知られている。なお、金属イオンが鉄イオンの場合には、ハーバーワイス反応は下式(3)に示すフェントン反応として知られている。
H 2 O 2 → 2.OH Formula (1)
H 2 O 2 → · H + · OOH (2)
The reactions of the formulas (1) and (2) shown here are Haber-Weiss reactions in the presence of metal ions (for example, Fe 2+ , Cu 2+, etc.). In the Harbor Weiss reaction, hydrogen peroxide is converted into hydroxy radicals (.OH) by a catalytic action such as metal ions. Hydroxyl radicals are known to be most reactive among active oxygens and have very strong oxidizing power. When the metal ion is an iron ion, the Harbor Weiss reaction is known as the Fenton reaction represented by the following formula (3).
Fe2++H2O2→Fe3++OH- +・OH ・・・式(3)
このように、電解質膜中に金属イオンが混入すると、電解質膜の中で、ハーバーワイス反応により過酸化水素がヒドロキシラジカルへと変化し、このヒドロキシラジカルにより電解質膜が劣化するおそれがある(非特許文献1参照。)。
Fe 2+ + H 2 O 2 → Fe 3+ + OH − + · OH Formula (3)
As described above, when metal ions are mixed in the electrolyte membrane, hydrogen peroxide is changed into hydroxy radicals by the Harbor Weiss reaction in the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane may be deteriorated by the hydroxy radicals (non-patent). Reference 1).
そこで、過酸化水素のラジカル化を阻止する方法として、金属酸化物(例えば、酸化マンガン、酸化コバルトなど。)を電解質膜中に分散配合させることによって過酸化水素を接触分解する方法や、過酸化物安定化剤(例えば、スズ化合物など。)を電解質膜中に分散配合させることによって、過酸化水素のラジカル化を阻止する方法が提案されている(特許文献1参照。)。また、過酸化物ラジカルをトラップして不活性化する化合物(例えば、フェノール性水酸基を有する化合物。)を電解質膜に配合する方法が提案されている(特許文献1、及び特許文献2参照。)。
しかしながら、金属酸化物やスズ化合物は水に溶解しないため、金属酸化物やスズ化合物を微粒子化したとしても均一に電解質膜中に分散させることは困難である。また、スズ化合物が分解した場合、酸性を示す電解質膜内に金属がカチオンとして溶出してハーバーワイス反応が起こる可能性があり、活性酸素の発生が促進される可能性がある。 However, since metal oxides and tin compounds do not dissolve in water, it is difficult to uniformly disperse them in the electrolyte membrane even if the metal oxides or tin compounds are made fine particles. Further, when the tin compound is decomposed, the metal may be eluted as a cation in the acidic electrolyte membrane to cause a Harbor Weiss reaction, which may promote the generation of active oxygen.
また、金属酸化物などの触媒によって過酸化水素を分解する際には、接触分解による。すなわち、過酸化水素は触媒近傍でなければ起こらない。このため、触媒から離れた過酸化水素を分解することができない。 Further, when hydrogen peroxide is decomposed by a catalyst such as a metal oxide, it is based on catalytic decomposition. That is, hydrogen peroxide does not occur unless in the vicinity of the catalyst. For this reason, it is not possible to decompose hydrogen peroxide away from the catalyst.
さらに、過酸化物ラジカルをトラップして不活性化する場合には、発生したラジカルのモル濃度と当量のラジカル不活性化化合物が必要である。そして、この化合物は再生されないため、ラジカルをトラップする度にラジカル不活性化化合物が必要となり、長期に渡って過酸化物を消費することが困難である。 Further, when the peroxide radical is trapped and inactivated, a radical inactivating compound equivalent to the molar concentration of the generated radical is required. Since this compound is not regenerated, a radical inactivating compound is required every time a radical is trapped, and it is difficult to consume peroxide for a long period of time.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、第1の発明である固体高分子型燃料電池用電解質は、ヒドロキシラジカルの酸化還元電位よりも低い電位で還元剤として働き、かつ、過酸化水素が還元剤として働く酸化還元電位よりも高い電位で酸化剤として働く可逆的な酸化還元サイクルを有する化合物を有することを要旨とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and the electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell according to the first invention functions as a reducing agent at a potential lower than the oxidation-reduction potential of a hydroxy radical, and , hydrogen peroxide and summarized in that a reversible that have a redox cycling compounds which act as oxidizing agent at a potential higher than the redox potential to act as a reducing agent.
また、第2の発明である固体高分子型燃料電池は、上記第1の発明に係る固体高分子型燃料電池用電解質のうち少なくともいずれか一つを用いたことを要旨とする。 The solid polymer fuel cell according to the second invention is characterized in that at least one of the electrolytes for solid polymer fuel cells according to the first invention is used.
更に、第3の発明である固体高分子型燃料電池システムは、上記第2の発明に係る固体高分子型燃料電池を備えることを要旨とする。 Furthermore, the solid polymer fuel cell system according to the third invention is characterized by comprising the solid polymer fuel cell according to the second invention.
そして、第4の発明である燃料電池車両は、上記第3の発明に係る固体高分子型燃料電池システムが搭載されていることを要旨とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell vehicle on which the polymer electrolyte fuel cell system according to the third aspect is mounted.
第1の発明によれば、固体高分子型燃料電池用電解質中に含まれた化合物が触媒として作用し、活性酸素を分解する。また、この化合物は、活性酸素を分解した後に化合物の酸化還元サイクルにより元の型に戻るため、何度も利用することができる。このため、耐久性能が維持された固体高分子型燃料電池用電解質を実現することが可能となる。 According to the first invention, the compound contained in the polymer electrolyte fuel cell electrolyte acts as a catalyst to decompose active oxygen. Moreover, since this compound returns to the original form by the redox cycle of the compound after decomposing active oxygen, it can be used many times. For this reason, it is possible to realize an electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell in which durability performance is maintained.
第2の発明によれば、耐久性能が維持された固体高分子型燃料電池を実現することが可能となる。 According to the second invention, it is possible to realize a solid polymer fuel cell in which durability performance is maintained.
第3の発明によれば、長時間にわたり性能が維持された固体高分子型燃料電池システムを実現することができる。 According to the third invention, it is possible to realize a polymer electrolyte fuel cell system whose performance is maintained for a long time.
第4の発明によれば、長時間連続運転に耐えうる燃料電池車両を実現することができる。 According to the fourth aspect of the invention, a fuel cell vehicle that can withstand continuous operation for a long time can be realized.
以下、本発明に係る固体高分子型燃料電池用電解質、固体高分子型燃料電池、固体高分子型燃料電池システム及び燃料電池車両の詳細を実施の形態に基づいて説明する。 Hereinafter, details of an electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell system, and a fuel cell vehicle according to the present invention will be described based on embodiments.
まず、本発明に係る固体高分子型燃料電池用電解質の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池用電解質は、ヒドロキシラジカルの酸化還元電位よりも低い電位で還元剤として働き、かつ、過酸化水素が還元剤として働く酸化還元電位よりも高い電位で酸化剤として働く酸化還元サイクルを有する化合物を有することを特徴とする。 First, an embodiment of an electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described. The polymer electrolyte fuel cell electrolyte according to the present embodiment acts as a reducing agent at a potential lower than the oxidation-reduction potential of the hydroxy radical, and at a potential higher than the oxidation-reduction potential at which hydrogen peroxide acts as the reducing agent. It has a compound having a redox cycle that acts as an oxidizing agent.
正常な燃料電池の系全体の反応は、下式(4)、(5)に示す通りである。 The reaction of the entire normal fuel cell system is as shown in the following formulas (4) and (5).
2H2+O2→2H2O ・・・式(4)
H2+O2→H2O2 ・・・式(5)
式(4)は酸素の4電子還元、式(5)は酸素の2電子還元である。式(4)、(5)の反応は競争反応として同時に進行する。
2H 2 + O 2 → 2H 2 O Formula (4)
H 2 + O 2 → H 2 O 2 Formula (5)
Equation (4) is a four-electron reduction of oxygen, and equation (5) is a two-electron reduction of oxygen. The reactions of formulas (4) and (5) proceed simultaneously as a competitive reaction.
ここで、式(4)は、下式(6)で示される正極主反応と、下式(7)で示される負極反応との素反応の和である。なお、E0は標準酸化還元電位(Normal Hydrogen Electrode;NHE)で表している。 Here, the formula (4) is the sum of elementary reactions of the positive electrode main reaction represented by the following formula (6) and the negative electrode reaction represented by the following formula (7). Note that E 0 is represented by a normal oxidation-reduction potential (Normal Hydrogen Electrode; NHE).
O2+4H++4e−→2H2O E0=1.23[V] ・・・式(6)
H2→2H++2e− E0=0.00[V] ・・・式(7)
同様に、式(5)は、下式(8)で示される正極副反応と、上式(7)で示される負極反応との素反応の和である。
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O E 0 = 1.23 [V] (6)
H 2 → 2H + + 2e − E 0 = 0.00 [V] (7)
Similarly, the formula (5) is the sum of elementary reactions of the positive electrode side reaction represented by the following formula (8) and the negative electrode reaction represented by the above formula (7).
O2+2H++2e−→H2O2 E0=0.68[V] ・・・式(8)
熱力学的には、酸化還元電位の高い物質が酸化剤として働き、酸化還元電位の低い物質が還元剤として働く。そして、系全体のΔE0(酸化還元電位の差)が正の値のときに反応が進む。
O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O 2 E 0 = 0.68 [V] (8)
Thermodynamically, a substance with a high redox potential acts as an oxidizing agent, and a substance with a low redox potential acts as a reducing agent. The reaction proceeds when ΔE 0 (redox potential difference) of the entire system is a positive value.
上式(5)発生した過酸化水素は、下式(9)〜(11)に示す反応で消失すると考えられている。 The hydrogen peroxide generated in the above formula (5) is considered to disappear by the reactions shown in the following formulas (9) to (11).
H2O2+H2→2H2O ・・・ 式(9)
H2O2+2H++2e−→2H2O E0=1.77[V] ・・・式(10)
2H2O2→2H2O+O2 ・・・式(11)
式(9)は、正極において、過酸化水素が負極から電解質膜を通ってクロスオーバーしてくるH2により水に還元される場合を示している。式(10)は、過酸化水素が正極で水素イオンと電子を受け取り、水に還元される場合を示している。式(11)は、2分子の過酸化水素が反応し、一方の過酸化水素が酸化剤として働き、もう一方の過酸化水素が還元剤として働いて水と酸素を発生させる反応を示している。なお、過酸化水素は上式(10)及び下式(12)に示すように過酸化水素よりも酸化還元電位の高い物質に対しては還元剤として働く一方、過酸化水素よりも酸化還元電位の低い物質に対しては酸化剤として働くことが知られている。
H 2 O 2 + H 2 → 2H 2 O (9)
H 2 O 2 + 2H + + 2e − → 2H 2 O E 0 = 1.77 [V] (10)
2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2 ... Formula (11)
Formula (9) shows a case where hydrogen peroxide is reduced to water in the positive electrode by H 2 crossing over from the negative electrode through the electrolyte membrane. Equation (10) shows a case where hydrogen peroxide receives hydrogen ions and electrons at the positive electrode and is reduced to water. Formula (11) shows a reaction in which two molecules of hydrogen peroxide react, one hydrogen peroxide acts as an oxidizing agent, and the other hydrogen peroxide acts as a reducing agent to generate water and oxygen. . As shown in the above formula (10) and the following formula (12), hydrogen peroxide acts as a reducing agent for a substance having a higher redox potential than hydrogen peroxide, while the redox potential is higher than that of hydrogen peroxide. It is known to act as an oxidant for substances with low levels.
H2O2→O2+2H++2e− E0=0.68[V] ・・・式(12)
ここで、式(9)は、式(10)で示される素反応と、式(7)で示される素反応との和である。式(11)は、式(10)で示される素反応と、式(12)で示される素反応との和である。
H 2 O 2 → O 2 + 2H + + 2e - E 0 = 0.68 [V] ··· formula (12)
Here, Expression (9) is the sum of the elementary reaction represented by Expression (10) and the elementary reaction represented by Expression (7). Expression (11) is the sum of the elementary reaction represented by Expression (10) and the elementary reaction represented by Expression (12).
次に、燃料電池がFe2+イオンで汚染された場合考える。正極で発生した過酸化水素は、Fe2+を触媒としたフェントン反応により、ヒドロキシラジカルへと変化する。 Next, consider a case where the fuel cell is contaminated with Fe 2+ ions. Hydrogen peroxide generated at the positive electrode is converted into a hydroxyl radical by the Fenton reaction using Fe 2+ as a catalyst.
Fe2++H2O2 →Fe3++OH-+・OH ・・・式(3)
このヒドロキシラジカルの酸化還元電位は2.85[V]であり、極めて高い酸化力を有している。ヒドロキシラジカルは、下式(13)に示すように、水素イオンを酸化することで消失する。
Fe 2+ + H 2 O 2 → Fe 3+ + OH − + · OH Formula (3)
The oxidation-reduction potential of this hydroxy radical is 2.85 [V] and has an extremely high oxidizing power. The hydroxy radical disappears by oxidizing the hydrogen ion as shown in the following formula (13).
・OH+H++e−→H2O E0=2.85[V] ・・・式(13)
しかしながら、燃料電池の起動停止などに伴い水素(水素イオン)供給不足が生じると、ヒドロキシラジカルは極めて高い酸化力を有しているため、本来酸化されることのないナフィオン(登録商標)膜のC−F結合を切断する場合がある。そこで、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池用電解質は、ヒドロキシラジカルの酸化還元電位よりも低い電位で還元剤として働き、かつ、過酸化水素が還元剤として働く酸化還元電位よりも高い電位で酸化剤として働く酸化還元サイクルを有する化合物を有するため、この化合物が触媒として作用し、活性酸素である過酸化水素及びヒドロキシラジカルを分解する。このため、ヒドロキシラジカルは電解質膜を酸化することなく、電解質膜中に含まれている化合物の触媒作用により消失する。また、この触媒作用を有する化合物は、活性酸素を分解した後に化合物の酸化還元サイクルにより元の還元型に戻るため、何度も利用することができる。このため、耐久性能が維持された固体高分子型燃料電池用電解質を実現することが可能となる。
OH + H + + e − → H 2 O E 0 = 2.85 [V] (13)
However, when hydrogen (hydrogen ion) supply shortage occurs due to the start-stop of the fuel cell, etc., the hydroxyl radical has an extremely high oxidizing power, and therefore, C of the Nafion (registered trademark) membrane that is not oxidized originally. The -F bond may be broken. Therefore, the polymer electrolyte fuel cell electrolyte according to the present embodiment functions as a reducing agent at a potential lower than the oxidation-reduction potential of the hydroxy radical, and higher than the oxidation-reduction potential at which hydrogen peroxide functions as a reducing agent. Since it has a compound having a redox cycle that acts as an oxidant at an electric potential, this compound acts as a catalyst to decompose hydrogen peroxide and hydroxy radicals, which are active oxygen. For this reason, the hydroxy radical disappears by the catalytic action of the compound contained in the electrolyte membrane without oxidizing the electrolyte membrane. In addition, since the compound having the catalytic action returns to the original reduced form by the oxidation-reduction cycle of the compound after decomposing active oxygen, it can be used many times. For this reason, it is possible to realize an electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell in which durability performance is maintained.
ここで、この触媒として作用する化合物の一例として、可逆的な酸化還元サイクルを有するN−ヒドロキシフタルイミド(NHPI)をあげ、NHPIを燃料電池反応系内に導入した場合を示す。NHPIは酸化されるとPINO(フタルイミド−N−オキシル)となる。NHPI及びPINOは、1.34[V]の酸化還元電位を有している。 Here, as an example of the compound acting as the catalyst, N-hydroxyphthalimide (NHPI) having a reversible redox cycle is shown, and the case where NHPI is introduced into the fuel cell reaction system is shown. When NHPI is oxidized, it becomes PINO (phthalimide-N-oxyl). NHPI and PINO have a redox potential of 1.34 [V].
NHPI→PINO+H++e− E0=1.34[V] ・・・式(14)
PINO+H++e−→NHPI E0=1.34[V] ・・・式(15)
式(10)及び式(13)で示すように、過酸化水素及びフェントン反応で発生したヒドロキシラジカルの酸化還元電位は、NHPIの酸化還元電位より高い。このため、NHPIが存在すると、還元剤であるNHPIの触媒作用により過酸化水素またはヒドロキシラジカルは水に還元される。この場合、下式(16)、(17)に示すように、NHPIはドロキシラジカル又は過酸化水素によりNHPIはPINOへと酸化される。
NHPI → PINO + H + + e − E 0 = 1.34 [V] (14)
PINO + H + + e − → NHPI E 0 = 1.34 [V] (15)
As shown in Formula (10) and Formula (13), the oxidation-reduction potential of the hydroxyl radical generated by the hydrogen peroxide and Fenton reaction is higher than the oxidation-reduction potential of NHPI. For this reason, when NHPI is present, hydrogen peroxide or hydroxy radicals are reduced to water by the catalytic action of NHPI as a reducing agent. In this case, as shown in the following formulas (16) and (17), NHPI is oxidized to PINO by droxy radical or hydrogen peroxide.
・OH+NHPI→H2O+PINO ・・・式(16)
H2O2+2NHPI→2H2O+2PINO ・・・式(17)
式(16)は、式(13)で示される素反応と、式(14)で示される素反応との和である。式(17)は、式(10)で示される素反応と、式(15)で示される素反応との和である。
OH + NHPI → H 2 O + PINO Formula (16)
H 2 O 2 + 2NHPI → 2H 2 O + 2PINO (17)
Formula (16) is the sum of the elementary reaction shown by Formula (13) and the elementary reaction shown by Formula (14). Equation (17) is the sum of the elementary reaction represented by equation (10) and the elementary reaction represented by equation (15).
NHPIの酸化型であるPINOは、下式(18)、(19)及び式(15)に示すように、酸化剤となって水素イオン、水素、あるいは過酸化水素を酸化することでNHPIに還元される。 As shown in the following formulas (18), (19) and (15), PINO, which is an oxidized form of NHPI, is reduced to NHPI by oxidizing hydrogen ions, hydrogen or hydrogen peroxide as an oxidizing agent. Is done.
2PINO+H2→2NHPI ・・・式(18)
PINO+H++e− →NHPI E0=1.34[V] ・・・式(15)
2PINO+H2O2→2NHPI+O2 ・・・式(19)
式(18)は、式(15)で示される素反応と、式(7)で示される素反応との和である。式(19)は、式(15)で示される素反応と、式(12)で示される素反応との和である。PINOの酸化還元電位は1.34[V]であり、熱力学的にナフィオン(登録商標)膜のC−F結合を切断するほど高くはない。このため、PINOによって電解質膜が酸化されることはない。
2PINO + H 2 → 2NHPI (18)
PINO + H + + e − → NHPI E 0 = 1.34 [V] (15)
2PINO + H 2 O 2 → 2NHPI + O 2 Formula (19)
Equation (18) is the sum of the elementary reaction represented by equation (15) and the elementary reaction represented by equation (7). Equation (19) is the sum of the elementary reaction represented by equation (15) and the elementary reaction represented by equation (12). The redox potential of PINO is 1.34 [V], which is not so high as to thermodynamically break the C—F bond of the Nafion (registered trademark) membrane. For this reason, the electrolyte membrane is not oxidized by PINO.
ここで、図1に、ヒドロキシラジカル、酸素、過酸化水素、水素、NHPI及びPINOの酸化還元電位を示す。この図の右欄は還元剤の酸化半反応式を示し、左欄は酸化剤の還元半反応式を示す。縦軸は酸化還元電位を示し、上に行くほど酸化還元電位が高くなっている。つまり、上に位置するほど酸化力が強く酸化され難いことを示している。そして、下に位置するほど酸化力が弱く酸化され易いことを示している。なお、半反応式の後の括弧内に示されている数値は、酸化剤又は還元剤として作用する化合物の酸化還元電位である。また、丸の中の数値は、上記した式の番号を示す。なお、酸化還元電位はpHや温度によって影響を受けるため、図1では標準水素電極(NHE)に補正して標準酸化還元電位を記載している。 Here, FIG. 1 shows redox potentials of hydroxy radicals, oxygen, hydrogen peroxide, hydrogen, NHPI and PINO. The right column of this figure shows the oxidation half reaction formula of the reducing agent, and the left column shows the reduction half reaction formula of the oxidizing agent. The vertical axis represents the oxidation-reduction potential, and the oxidation-reduction potential increases as it goes upward. In other words, the higher the position is, the stronger the oxidizing power is, and it is difficult to oxidize. The lower the position, the weaker the oxidizing power and the easier it is to oxidize. In addition, the numerical value shown in the parenthesis after the half reaction formula is the oxidation-reduction potential of the compound acting as an oxidizing agent or a reducing agent. Moreover, the numerical value in a circle | round | yen shows the number of an above-described formula. Since the oxidation-reduction potential is affected by pH and temperature, FIG. 1 shows the standard oxidation-reduction potential corrected to the standard hydrogen electrode (NHE).
このように、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池用電解質では、ヒドロキシラジカルの酸化還元電位よりも低い電位で還元剤として働き、かつ、過酸化水素が還元剤として働く酸化還元電位よりも高い電位で酸化剤として働く酸化還元サイクルを有する化合物を有するため、化合物が触媒として作用し、ヒドロキシラジカルや過酸化水素などの活性酸素を分解する。このため、ヒドロキシラジカルや過酸化水素によって電解質膜のC−F結合は切断されず、電解質膜の劣化を防ぐことができる。また、この化合物は、活性酸素を分解した後に化合物の酸化還元サイクルにより元の還元型に戻るため、何度も利用することができる。このため、耐久性能が維持された固体高分子型燃料電池用電解質を実現することが可能となる。 Thus, in the polymer electrolyte fuel cell electrolyte according to the present embodiment, the redox potential acts as a reducing agent at a potential lower than the redox potential of the hydroxy radical, and the hydrogen peroxide acts as a reducing agent. Since it has a compound having a redox cycle that acts as an oxidizing agent at a high potential, the compound acts as a catalyst and decomposes active oxygen such as hydroxy radicals and hydrogen peroxide. For this reason, the C—F bond of the electrolyte membrane is not broken by hydroxy radicals or hydrogen peroxide, and deterioration of the electrolyte membrane can be prevented. Moreover, since this compound returns to the original reduced form by the redox cycle of the compound after decomposing active oxygen, it can be used many times. For this reason, it is possible to realize an electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell in which durability performance is maintained.
なお、ここでは触媒として作用する化合物の一例としてNHPIを示したが、ヒドロキシラジカルのみの消失を目的とした場合は、0.68[V]〜2.85[V]の範囲に標準酸化還元電位を持つ化合物であることが好ましい。また、ヒドロキシラジカル及び過酸化水素の双方の消失を目的とする場合には、この化合物は、過酸化水素が酸化剤として働く酸化還元電位よりも低い電位で還元剤として働き、かつ、過酸化水素が還元剤として働く酸化還元電位よりも高い電位で酸化剤として働くことが必要であるため、この化合物の標準酸化還元電位は0.68[V]〜1.77[V]の範囲にあることが好ましい。 Here, NHPI is shown as an example of a compound that acts as a catalyst. However, when the purpose is to eliminate only hydroxy radicals, the standard redox potential is in the range of 0.68 [V] to 2.85 [V]. It is preferable that the compound has When the purpose is to eliminate both hydroxy radicals and hydrogen peroxide, this compound acts as a reducing agent at a potential lower than the oxidation-reduction potential at which hydrogen peroxide acts as an oxidizing agent. Since it is necessary to act as an oxidizing agent at a potential higher than the redox potential acting as a reducing agent, the standard redox potential of this compound should be in the range of 0.68 [V] to 1.77 [V]. Is preferred.
さらに、この化合物の酸化体及び還元体が、比較的安定な化合物であればより好ましい。なお、各化合物の実際の酸化還元電位(Real Hydrogen Electrode;RHE)はpH、温度などの諸条件によって変化するので、それに合わせた範囲のものを用いることが好ましい。ただし、電極に用いられている白金への被毒を考慮すると、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池用電解質に用いる化合物は、炭素、水素、酸素及び窒素のみで構成された有機化合物であることが好ましい。 Furthermore, it is more preferable if the oxidized form and reduced form of this compound are relatively stable compounds. In addition, since the actual oxidation-reduction potential (Real Hydrogen Electrode; RHE) of each compound changes according to various conditions such as pH and temperature, it is preferable to use those in a range corresponding to the conditions. However, considering the poisoning of platinum used in the electrode, the compound used for the electrolyte for the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment is an organic compound composed only of carbon, hydrogen, oxygen and nitrogen. It is preferable that
このように、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池用電解質は、電解質膜の劣化を抑制できるため、耐久性能が維持された固体高分子型燃料電池用電解質を実現することが可能となる。 Thus, the polymer electrolyte fuel cell electrolyte according to the present embodiment can suppress the deterioration of the electrolyte membrane, so that it is possible to realize an electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell in which durability performance is maintained. Become.
なお、上記化合物は、下記の一般式(I)
(式中、R1及びR2は同一又は異なる任意の置換基を、Xは酸素原子又はヒドロキシル基を表す。)で示される化合物であることが好ましく、更には、R1及びR2は互いに結合して二重結合、芳香環、又は非芳香族性の環を形成していることが好ましい。 (Wherein R1 and R2 represent the same or different arbitrary substituents, X represents an oxygen atom or a hydroxyl group), and R1 and R2 are preferably bonded to each other to form It is preferable to form a heavy bond, an aromatic ring, or a non-aromatic ring.
さらに、この化合物が、下記の一般式(II)
(式中環Yは、二重結合を有する又は芳香族性若しくは非芳香族性の5〜12員環のうちいずれか一種類の環を表す。)で示されるイミド化合物であることが好ましい。 (Wherein ring Y represents a imide compound having a double bond or any one of aromatic or non-aromatic 5- to 12-membered rings).
上記した化合物を電解質膜内に共存させることにより、下式(20)、(21)に示す素反応が進む。そして、ヒドロキシラジカルや過酸化水素が電解質膜内に進入した場合にのみ、上記化合物がN−オキシルラジカル(>NO・)を供給し、効率的にヒドロキシラジカルや過酸化水素を水へと還元して電解質膜の酸化を抑制する。 By allowing the above-described compound to coexist in the electrolyte membrane, elementary reactions represented by the following formulas (20) and (21) proceed. Only when hydroxy radicals or hydrogen peroxide enters the electrolyte membrane, the above compound supplies N-oxyl radicals (> NO.) And efficiently reduces hydroxy radicals and hydrogen peroxide to water. Suppresses oxidation of the electrolyte membrane.
>NOH+・OH →>NO・+H2O ・・・式(20)
2(>NOH)+H2O2 →2(>NO・)+2H2O ・・・式(21)
また、水素供給により発生したN−オキシルラジカルは、下式(22)〜(24)に示す素反応により、水素または過酸化水素から水素イオンを引き抜き、元のヒドロキシイミド(>NOH)の形に回復する。
> NOH + OH →> NO. + H 2 O (20)
2 (> NOH) + H 2 O 2 → 2 (> NO ·) + 2H 2 O (21)
In addition, the N-oxyl radical generated by the supply of hydrogen extracts hydrogen ions from hydrogen or hydrogen peroxide by the elementary reactions shown in the following formulas (22) to (24) to form the original hydroxyimide (> NOH). Recover.
2(>NO・)+H2 → 2(>NOH) ・・・式(22)
>NO・+H++e− →>NOH ・・・式(23)
2(>NO・)+H2O2→2(>NOH)+O2 ・・・式(24)
図2に、ヒドロキシイミド基を有する化合物の代表例としてN−ヒドロキシフタルイミド(NHPI)を、また、NHPIがラジカル化したNHPIの酸化型としてフタル酸イミドN−オキシル(PINO)を示し、NHPIのヒドロキシイミド基とPINOのN−オキシルラジカルとの間でサイクルがまわることにより、長期に渡りヒドロキシラジカルや過酸化水素を消失させるメカニズムを表す。すなわち、NHPIは、ヒドロキシラジカルまたは過酸化水素に対して還元剤として作用し、ヒドロキシラジカルまたは過酸化水素を水へ還元する。一方、PINOは、過酸化水素に対して酸化剤として作用して、過酸化水素を酸素へと酸化する。このようにして、NHPIがPINOとの間で酸化還元サイクルがまわると同時に、過酸化酸素やヒドロキシラジカルが消失する。
2 (> NO ·) + H 2 → 2 (> NOH) (22)
> NO ・ + H + + e − →> NOH ... Formula (23)
2 (> NO ·) + H 2 O 2 → 2 (> NOH) + O 2 Formula (24)
FIG. 2 shows N-hydroxyphthalimide (NHPI) as a representative example of a compound having a hydroxyimide group, and phthalic acid imide N-oxyl (PINO) as an oxidized form of NHPI radicalized by NHPI. It represents a mechanism in which hydroxy radicals or hydrogen peroxide disappears over a long period of time by a cycle between the imide group and the N-oxyl radical of PINO. That is, NHPI acts as a reducing agent for hydroxy radicals or hydrogen peroxide, and reduces hydroxy radicals or hydrogen peroxide to water. On the other hand, PINO acts as an oxidizing agent for hydrogen peroxide and oxidizes hydrogen peroxide to oxygen. In this way, a redox cycle occurs between NHPI and PINO, and oxygen peroxide and hydroxy radicals disappear at the same time.
また、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池用電解質が有する化合物は、過酸化水素を還元及び酸化により消失するにあたり、水素ラジカル(水素原子)の出入りが関与する。この水素ラジカルの出入りにより、過酸化水素分解時に発生するヒドロキシラジカルがこの化合物から離れた箇所に存在する場合であってもヒドロキシラジカルを消失させる。図3にこのメカニズムを示す。図3に示すように、例えばこのような化合物としてNHPIを使用した場合に、NHPIと水分子との間で水素ラジカルを交換して運ぶグローサス・メカニズム(Grotthuss Mechanism)が起こる。このように水分子に水素ラジカルを供給しながら還元反応を進めるため、NHPIとヒドロキシラジカルとが離れている場合であってもヒドロキシラジカルを消失させる触媒反応が進み、ヒドロキシラジカルを消失させることが可能となる。このため、電解質膜内の広い範囲に存在するヒドロキシラジカルを消失させることが可能となる。 In addition, the compound included in the polymer electrolyte fuel cell electrolyte according to the present embodiment involves the entry and exit of hydrogen radicals (hydrogen atoms) when hydrogen peroxide is eliminated by reduction and oxidation. Due to the entry and exit of the hydrogen radicals, the hydroxy radicals generated during the decomposition of hydrogen peroxide are eliminated even if they are present at locations away from the compound. FIG. 3 shows this mechanism. As shown in FIG. 3, for example, when NHPI is used as such a compound, a Groththuss Mechanism occurs in which hydrogen radicals are exchanged between NHPI and water molecules. Since the reduction reaction proceeds while supplying hydrogen radicals to water molecules in this way, even when NHPI and hydroxy radicals are separated, a catalytic reaction that eliminates hydroxy radicals proceeds, and hydroxy radicals can be lost. It becomes. For this reason, it is possible to eliminate hydroxy radicals existing in a wide range in the electrolyte membrane.
このような触媒作用を有する化合物を選択するにあたり重要なことは、化合物の安定性、耐久性、耐熱性及び電解質膜への溶解性である。特に、化合物の安定性及び耐久性は、燃料電池を長期にわたって使用する場合において、また、活性酸素を消失し続ける意味において最も重要である。また、燃料電池の定常状態の運転温度を80〜90[℃]、将来電解質膜の耐熱性が向上することを考慮すると、電解質膜は120[℃]ほどの温度下であっても十分耐えうる耐熱性を有する必要がある。また、この化合物を電解質膜へ均一に溶解するためには難溶でもかまわないが、水に対して溶解することが必要である。水に対して不溶となると電解質膜内で析出して水素ラジカルの出入りが不可能となり、ヒドロキシラジカルや過酸化水素などの活性酸素を消失させる効果(触媒機能)を失うことになる。 What is important in selecting a compound having such a catalytic action is the stability, durability, heat resistance, and solubility in the electrolyte membrane of the compound. In particular, the stability and durability of the compound is most important when the fuel cell is used over a long period of time and in the sense that the active oxygen continues to disappear. Considering that the steady-state operating temperature of the fuel cell is 80 to 90 [° C.] and that the heat resistance of the electrolyte membrane will be improved in the future, the electrolyte membrane can sufficiently withstand even at a temperature of about 120 [° C.]. Must have heat resistance. Moreover, in order to dissolve this compound uniformly in the electrolyte membrane, it may be difficult to dissolve, but it is necessary to dissolve in water. If it becomes insoluble in water, it will precipitate in the electrolyte membrane, making it impossible for hydrogen radicals to enter and exit, thus losing the effect (catalytic function) of eliminating active oxygen such as hydroxy radicals and hydrogen peroxide.
さらに、上記化合物は、下記の一般式(III)
(式中、R3及びR4は同一又は異なり、それぞれ水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アリール基、シクロアルキル基、ヒドロキシル基、アルコキシル基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基又はアシル基を表す。Xは酸素原子又はヒドロキシル基を、nは1〜3の整数を表す。)で示されるイミド化合物であることが好ましい。 (Wherein R3 and R4 are the same or different and each represents a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an aryl group, a cycloalkyl group, a hydroxyl group, an alkoxyl group, a carboxyl group, an alkoxycarbonyl group, or an acyl group. X represents oxygen. An atom or a hydroxyl group, and n is preferably an imide compound represented by 1 to 3).
また、一般式(III)で表される化合物において、置換基R3及びR4のうちハロゲン原子は、ヨウ素、臭素、塩素及びフッ素があげられる。アルキル基には、例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、sec−ブチル、t−ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、デシル基などの炭素数1〜10程度の直鎖状又は分岐鎖状アルキル基があげられる。好ましくは炭素数1〜6程度、より好ましくは炭素数1〜4程度の低級アルキル基があげられる。 In the compound represented by the general formula (III), examples of the halogen atom among the substituents R3 and R4 include iodine, bromine, chlorine and fluorine. Examples of the alkyl group include straight chain having about 1 to 10 carbon atoms such as methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, isobutyl, sec-butyl, t-butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl and decyl groups. A branched alkyl group can be mentioned. Preferred is a lower alkyl group having about 1 to 6 carbon atoms, more preferably about 1 to 4 carbon atoms.
また、アリール基としては、フェニル基、ナフチル基などがあげられ、シクロアルキル基としては、シクロペンチル、シクロヘキシル、シクロオクチル基などがあげられる。アルコキシ基としては、例えば、メトキシ、エトキシ、プロポキシ、イソプロポキシ、ブトキシ、イソブトキシ、t−ブトキシ、ペンチルオキシ、ヘキシルオキシ基などの炭素数1〜10程度、好ましくは炭素数1〜6程度、より好ましくは炭素数1〜4程度の低級アルコキシ基があげられる。 In addition, examples of the aryl group include a phenyl group and a naphthyl group, and examples of the cycloalkyl group include a cyclopentyl, cyclohexyl, and cyclooctyl groups. As the alkoxy group, for example, methoxy, ethoxy, propoxy, isopropoxy, butoxy, isobutoxy, t-butoxy, pentyloxy, hexyloxy group, etc., about 1 to 10 carbon atoms, preferably about 1 to 6 carbon atoms, more preferably Is a lower alkoxy group having about 1 to 4 carbon atoms.
アルコキシカルボニル基としては、例えば、メトキシカルボニル、エトキシカルボニル、プロポキシカルボニル、イソプロポキシカルボニル、ブトキシカルボニル、イソブトキシカルボニル、t−ブトキシカルボニル、ペンチルオキシカルボニル、ヘキシルオキシカルボニル基などのアルコキシ部分の炭素数が1〜10程度のアルコキシカルボニル基があげられる。好ましくはアルコキシ部分の炭素数が1〜6程度、より好ましくは炭素数が1〜4程度の低級アルコキシカルボニル基があげられる。 As the alkoxycarbonyl group, for example, the carbon number of the alkoxy moiety such as methoxycarbonyl, ethoxycarbonyl, propoxycarbonyl, isopropoxycarbonyl, butoxycarbonyl, isobutoxycarbonyl, t-butoxycarbonyl, pentyloxycarbonyl, hexyloxycarbonyl group and the like is 1 About 10 to 10 alkoxycarbonyl groups. A lower alkoxycarbonyl group having preferably about 1 to 6 carbon atoms, more preferably about 1 to 4 carbon atoms, is preferable.
アシル基としては、例えば、ホルミル、アセチル、プロピオニル、ブチリル、イソブチリル、バレリル、イソバレリル、ピバロイル基などの炭素数1〜6程度のアシル基があげられる。 Examples of the acyl group include acyl groups having about 1 to 6 carbon atoms such as formyl, acetyl, propionyl, butyryl, isobutyryl, valeryl, isovaleryl, and pivaloyl groups.
なお、置換基R3及びR4は、同一であっても又は異なっていてもよい。また、上記一般式(III)で示される化合物において、R3及びR4は互いに結合して二重結合又は芳香環若しくは非芳香族性の環を形成していてもよい。そのうち、芳香環、又は非芳香族性の環は、5〜12員環のうちいずれか一種類の環を形成していることが好ましく、より好ましくは6〜10員環程度であり、この環は複素環又は縮合複素環であってもよいが炭化水素環であることが好ましい。 The substituents R3 and R4 may be the same or different. In the compound represented by the general formula (III), R3 and R4 may be bonded to each other to form a double bond, an aromatic ring or a non-aromatic ring. Among them, the aromatic ring or the non-aromatic ring preferably forms any one of 5 to 12-membered rings, more preferably about 6 to 10-membered rings. May be a heterocyclic ring or a condensed heterocyclic ring, but is preferably a hydrocarbon ring.
このような環としては、例えば、例えばシクロヘキサン環に代表されるシクロアルカン環、シクロヘキセン環に代表されるシクロアルケン環などの非芳香族性炭化水素環、5−ノルボルネン環に代表される橋かけ式炭化水素環など非芳香族性橋かけ環、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香環が含まれる。なお、これらの環は、置換基を有していても良い。 Examples of such a ring include, for example, a non-aromatic hydrocarbon ring such as a cycloalkane ring typified by a cyclohexane ring, a cycloalkene ring typified by a cyclohexene ring, and a bridged type typified by a 5-norbornene ring. Non-aromatic bridged rings such as hydrocarbon rings, aromatic rings such as benzene rings and naphthalene rings are included. In addition, these rings may have a substituent.
さらに、一般式(III)で示される化合物は、特に化合物の安定性、耐久性、電解質膜への溶解性の観点から、下記式(IVa)〜(IVf)で示される化合物
(式中、R3〜R6は同一又は異なって、それぞれ水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、ヒドロキシル基、アルコキシル基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、アシル基、ニトロ基、シアノ基又はアミノ基を表し、nは1〜3の整数を表す。)であることがより好ましい。 (Wherein R3 to R6 are the same or different and each represents a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, a hydroxyl group, an alkoxyl group, a carboxyl group, an alkoxycarbonyl group, an acyl group, a nitro group, a cyano group or an amino group, n represents an integer of 1 to 3).
置換基R3〜R6において、アルキル基には前述のアルキル基と同様のアルキル基のうち特に炭素数1〜6程度のアルキル基が含まれ、アルコキシ基には前術と同様のアルコキシ基のうち特に炭素数1〜4程度の低級アルコキシ基が含まれ、アルコキシカルボニル基には前術と同様のアルコキシカルボニル基のうち特にアルコキシ部分の炭素数が1〜4程度の低級アルコキシカルボニル基が含まれる。 In the substituents R3 to R6, the alkyl group includes an alkyl group having about 1 to 6 carbon atoms among the same alkyl groups as the above-described alkyl group, and the alkoxy group particularly includes the same alkoxy groups as the previous method. A lower alkoxy group having about 1 to 4 carbon atoms is included, and the alkoxycarbonyl group includes a lower alkoxycarbonyl group having about 1 to 4 carbon atoms in the alkoxy moiety among the alkoxycarbonyl groups similar to the previous method.
また、アシル基としては、前述と同様のアシル基のうち特に炭素数1〜6程度のアシル基があげられる。ハロゲン原子としては、フッ素、塩素、臭素原子があげられる。なお、置換基R3〜R6は、通常、水素原子、炭素数1〜4程度の低級アルキル基、カルボキシル基、ニトロ基、ハロゲン原子である場合が多い。 Examples of the acyl group include acyl groups having about 1 to 6 carbon atoms, among the same acyl groups as described above. Examples of the halogen atom include fluorine, chlorine and bromine atoms. The substituents R3 to R6 are usually a hydrogen atom, a lower alkyl group having about 1 to 4 carbon atoms, a carboxyl group, a nitro group, or a halogen atom in many cases.
さらに、より好ましいイミド化合物の形態としては、化合物の入手性、合成の容易性、コストの観点から、N−ヒドロキシコハク酸イミド、N−ヒドロキシマレイン酸イミド、N−ヒドロキシヘキサヒドロフタル酸イミド、N,N′−ジヒドロキシシクロヘキサンテトラカルボン酸イミド、N−ヒドロキシフタル酸イミド、N−ヒドロキシテトラブロモフタル酸イミド、N−ヒドロキシテトラクロロフタル酸イミド、N−ヒドロキシヘット酸イミド、N−ヒドロキシハイミック酸イミド、N−ヒドロキシトリメリット酸イミド、N,N′−ジヒドロキシピロメリット酸イミド及びN,N′−ジヒドロキシナフタレンテトラカルボン酸イミドからなる群から選択される少なくとも一種のイミド化合物であることが好ましく、この化合物を触媒として電解質膜中に共存させて用いることができる。 Furthermore, as a more preferable form of the imide compound, N-hydroxysuccinimide, N-hydroxymaleimide, N-hydroxyhexahydrophthalimide, N from the viewpoint of availability of the compound, ease of synthesis, and cost. , N'-dihydroxycyclohexanetetracarboxylic imide, N-hydroxyphthalic imide, N-hydroxytetrabromophthalic imide, N-hydroxytetrachlorophthalic imide, N-hydroxyhetic imide, N-hydroxyhymic imide , N- hydroxyaldehyde trimellitic acid imide, N, to be N'- dihydroxy pyromellitic acid imide, and N, at least one imide compound selected from the group consisting of N'- dihydroxynaphthalene tetracarboxylic acid imide preferably And this compound as a catalyst Te coexist in the electrolyte membrane can be used.
なお、これらのイミド化合物は、慣用のイミド化反応、例えば、対応する酸無水物とヒドロキシルアミン(NH2OH)とを反応させて酸無水物基を開環した後、閉環してイミド化することにより調製することができる。 These imide compounds are subjected to a conventional imidation reaction, for example, by reacting a corresponding acid anhydride with hydroxylamine (NH 2 OH) to open an acid anhydride group, and then ring-closing to imidize. Can be prepared.
また、一般式(II)で示される化合物が、6員環のN−置換環状イミド骨格を有する下記の一般式(V)
(式中、Xは酸素原子又はヒドロキシル基を表す。R1〜R6は同一又は異なり、それぞれ水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アリール基、シクロアルキル基、ヒドロキシル基、アルコキシ基、カルボキシル基、置換オキシカルボニル基、アシル基又はアシルオキシ基を表す。また、R1〜R6のうち少なくとも二つが互いに結合して二重結合又は芳香族性若しくは非芳香族性の環を形成してもよい。この環のうち少なくとも一つがN−置換環状イミド基を有していても良い。)で示される化合物でも良い。N−置換環状イミド骨格において、5員環よりも6員環の方が加水分解が遅く、耐加水分解性が高い。このため、N−置換環状イミド骨格を有する化合物が6員環の環状イミドの場合には、より耐久性能が維持される。 (In the formula, X represents an oxygen atom or a hydroxyl group. R1 to R6 are the same or different and each represents a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an aryl group, a cycloalkyl group, a hydroxyl group, an alkoxy group, a carboxyl group, a substituted oxy group) Represents a carbonyl group, an acyl group or an acyloxy group, and at least two of R1 to R6 may be bonded to each other to form a double bond or an aromatic or non-aromatic ring. At least one of them may have an N-substituted cyclic imide group). In the N-substituted cyclic imide skeleton, the hydrolysis of the 6-membered ring is slower than that of the 5-membered ring, and the hydrolysis resistance is higher. For this reason, when the compound having an N-substituted cyclic imide skeleton is a 6-membered cyclic imide, durability is further maintained.
なお、アルキル基には、例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、sec−ブチル、t−ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、デシル基などの炭素数1〜10程度の直鎖状又は分岐鎖状アルキル基があげられる。好ましくは炭素数1〜6程度、より好ましくは炭素数1〜4程度の低級アルキル基があげられる。 The alkyl group includes, for example, a straight chain having about 1 to 10 carbon atoms such as methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, isobutyl, sec-butyl, t-butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl and decyl groups. And a branched alkyl group. Preferred is a lower alkyl group having about 1 to 6 carbon atoms, more preferably about 1 to 4 carbon atoms.
また、アリール基としては、フェニル基、ナフチル基などがあげられ、シクロアルキル基としては、シクロペンチル、シクロヘキシル、シクロオクチル基などがあげられる。アルコキシ基としては、例えば、メトキシ、エトキシ、プロポキシ、イソプロポキシ、ブトキシ、イソブトキシ、t−ブトキシ、ペンチルオキシ、ヘキシルオキシ基などの炭素数1〜10程度、好ましくは炭素数1〜6程度、より好ましくは炭素数1〜4程度の低級アルコキシ基があげられる。 In addition, examples of the aryl group include a phenyl group and a naphthyl group, and examples of the cycloalkyl group include a cyclopentyl, cyclohexyl, and cyclooctyl groups. As the alkoxy group, for example, methoxy, ethoxy, propoxy, isopropoxy, butoxy, isobutoxy, t-butoxy, pentyloxy, hexyloxy group, etc., about 1 to 10 carbon atoms, preferably about 1 to 6 carbon atoms, more preferably Is a lower alkoxy group having about 1 to 4 carbon atoms.
アルコキシカルボニル基としては、例えば、メトキシカルボニル、エトキシカルボニル、プロポキシカルボニル、イソプロポキシカルボニル、ブトキシカルボニル、イソブトキシカルボニル、t−ブトキシカルボニル、ペンチルオキシカルボニル、ヘキシルオキシカルボニル基などのアルコキシ部分の炭素数が1〜10程度のアルコキシカルボニル基があげられる。好ましくはアルコキシ部分の炭素数が1〜6程度、より好ましくは炭素数が1〜4程度の低級アルコキシカルボニル基があげられる。 As the alkoxycarbonyl group, for example, the carbon number of the alkoxy moiety such as methoxycarbonyl, ethoxycarbonyl, propoxycarbonyl, isopropoxycarbonyl, butoxycarbonyl, isobutoxycarbonyl, t-butoxycarbonyl, pentyloxycarbonyl, hexyloxycarbonyl group and the like is 1 About 10 to 10 alkoxycarbonyl groups. A lower alkoxycarbonyl group having preferably about 1 to 6 carbon atoms, more preferably about 1 to 4 carbon atoms, is preferable.
アシル基としては、例えば、ホルミル、アセチル、プロピオニル、ブチリル、イソブチリル、バレリル、イソバレリル、ピバロイル基などの炭素数1〜6程度のアシル基があげられる。 Examples of the acyl group include acyl groups having about 1 to 6 carbon atoms such as formyl, acetyl, propionyl, butyryl, isobutyryl, valeryl, isovaleryl, and pivaloyl groups.
また、上記一般式(V)で示される化合物において、R1〜R6のうち少なくとも2つが互いに結合して二重結合又は芳香環若しくは非芳香族性の環を形成していてもよい。そのうち、芳香環又は非芳香族性の環は、5〜12員環のうちいずれか一種類の環を形成していることが好ましく、より好ましくは6〜10員環程度であり、この環は複素環又は縮合複素環であってもよい。このような環としては、例えば、シクロヘキサン環に代表されるシクロアルカン環、シクロヘキセン環などのシクロアルケン環などの非芳香族性炭化水素環、5−ノルボルネン環に代表される橋かけ式炭化水素環など非芳香族性橋かけ環、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香環が含まれる。なお、これらの環は、置換基を有していても良い。 In the compound represented by the general formula (V), at least two of R1 to R6 may be bonded to each other to form a double bond, an aromatic ring, or a non-aromatic ring. Among them, the aromatic ring or the non-aromatic ring preferably forms any one of 5 to 12-membered rings, more preferably about 6 to 10-membered rings. It may be a heterocycle or a fused heterocycle. Examples of such a ring include a non-aromatic hydrocarbon ring such as a cycloalkane ring typified by a cyclohexane ring, a cycloalkene ring such as a cyclohexene ring, and a bridged hydrocarbon ring typified by a 5-norbornene ring. And aromatic rings such as non-aromatic bridged rings, benzene rings, and naphthalene rings. In addition, these rings may have a substituent.
ここで、一般式(V)で表される化合物の一例として、R1〜R6が全て水素原子であり、可逆的な酸化還元サイクルを有するN−ヒドロキグルタル酸イミド(NHGI)をあげ、NHGIを燃料電池反応系内に導入した場合を示す。NHGIは酸化されるとグルタル酸イミドN−オキシル(GINO)となる。NHGI及びGINOは、1.39[V]の酸化還元電位を有している。 Here, as an example of the compound represented by the general formula (V), R1 to R6 are all hydrogen atoms, and N-hydroxyglutarimide (NHGI) having a reversible oxidation-reduction cycle is mentioned. The case where it introduce | transduces in a battery reaction system is shown. When NHGI is oxidized, it becomes glutaric imide N-oxyl (GINO). NHGI and GINO have a redox potential of 1.39 [V].
NHGI→GINO+H++e− E0=1.39[V] ・・・式(25)
GINO+H++e−→NHGI E0=1.39[V] ・・・式(26)
式(10)及び式(13)で示すように、過酸化水素及びフェントン反応で発生したヒドロキシラジカルの酸化還元電位は、NHGIの酸化還元電位より高い。このため、NHGIが存在すると、NHPIの触媒作用により過酸化水素またはヒドロキシラジカルは水に還元される。この場合、下式(27)、(28)に示すように、NHGIは還元剤として働き、ヒドロキシラジカルや過酸化水素によりNHGIはGINOへと酸化される。
NHGI → GINO + H + + e − E 0 = 1.39 [V] (25)
GINO + H + + e − → NHGI E 0 = 1.39 [V] (26)
As shown in Formula (10) and Formula (13), the redox potential of the hydroxy radical generated by the hydrogen peroxide and Fenton reaction is higher than the redox potential of NHGI. For this reason, in the presence of NHGI, hydrogen peroxide or hydroxy radicals are reduced to water by the catalytic action of NHPI. In this case, as shown in the following formulas (27) and (28), NHGI functions as a reducing agent, and NHGI is oxidized to GINO by a hydroxyl radical or hydrogen peroxide.
・OH+NHGI→H2O+GINO ・・・式(27)
H2O2+2NHGI→2H2O+2GINO ・・・式(28)
式(27)は、式(13)で示される素反応と、式(25)で示される素反応との和である。式(28)は、式(10)で示される素反応と、式(26)で示される素反応との和である。
OH + NHGI → H 2 O + GINO Formula (27)
H 2 O 2 + 2NHGI → 2H 2 O + 2GINO Formula (28)
Equation (27) is the sum of the elementary reaction represented by Equation (13) and the elementary reaction represented by Equation (25). Equation (28) is the sum of the elementary reaction represented by equation (10) and the elementary reaction represented by equation (26).
NHGIの酸化型であるGINOは、下式(29)、(30)及び式(26)に示すように、酸化剤となって水素イオン、水素、あるいは過酸化水素を酸化することでNHGIに還元される。 GINO, which is an oxidized form of NHGI, is reduced to NHGI by oxidizing hydrogen ions, hydrogen, or hydrogen peroxide as an oxidizing agent as shown in the following formulas (29), (30), and (26). Is done.
2GINO+H2→2NHGI ・・・式(29)
GINO+H++e− →NHGI E0=1.39[V] ・・・式(26)
2GINO+H2O2→2NHGI+O2 ・・・式(30)
式(29)は、式(26)で示される素反応と、式(7)で示される素反応との和である。式(30)は、式(26)で示される素反応と、式(12)で示される素反応との和である。GINOの酸化還元電位は1.39[V]であり、熱力学的にナフィオン(登録商標)膜のC−F結合を切断するほど高くはない。このため、GINOによって電解質膜が酸化されることはない。
2GINO + H 2 → 2NHGI Formula (29)
GINO + H + + e − → NHGI E 0 = 1.39 [V] (26)
2GINO + H 2 O 2 → 2NHGI + O 2 Formula (30)
Equation (29) is the sum of the elementary reaction represented by equation (26) and the elementary reaction represented by equation (7). Equation (30) is the sum of the elementary reaction represented by equation (26) and the elementary reaction represented by equation (12). The redox potential of GINO is 1.39 [V], which is not so high as to cleave the C—F bond of the Nafion (registered trademark) film thermodynamically. For this reason, the electrolyte membrane is not oxidized by GINO.
このように、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池用電解質では、ヒドロキシラジカルの酸化還元電位よりも低い電位で還元剤として働き、かつ、過酸化水素が還元剤として働く酸化還元電位よりも高い電位で酸化剤として働く酸化還元サイクルを有する6員環のN−置換環状イミド骨格を有する化合物を有するため、この化合物が触媒として作用し、ヒドロキシラジカルや過酸化水素などの活性酸素を分解する。このため、ヒドロキシラジカルや過酸化水素によって電解質膜のC−F結合は切断されず、電解質膜の劣化を防ぐことができる。また、この化合物は、活性酸素を分解した後に化合物の酸化還元サイクルにより元の型に戻るため、何度も利用することができる。このため、耐久性能が維持された固体高分子型燃料電池用電解質を実現することが可能となる。 Thus, in the polymer electrolyte fuel cell electrolyte according to the present embodiment, the redox potential acts as a reducing agent at a potential lower than the redox potential of the hydroxy radical, and the hydrogen peroxide acts as a reducing agent. Because it has a compound with a 6-membered N-substituted cyclic imide skeleton that has a redox cycle that acts as an oxidizing agent at a high potential, this compound acts as a catalyst to decompose active oxygen such as hydroxy radicals and hydrogen peroxide. To do. For this reason, the C—F bond of the electrolyte membrane is not broken by hydroxy radicals or hydrogen peroxide, and deterioration of the electrolyte membrane can be prevented. Moreover, since this compound returns to the original form by the redox cycle of the compound after decomposing active oxygen, it can be used many times. For this reason, it is possible to realize an electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell in which durability performance is maintained.
なお、ここでは触媒として作用する化合物の一例としてNHGIを示したが、上記した酸化還元のメカニズムは、ヒドロキシラジカルのみの消失を目的とした場合は、0.68[V]〜2.85[V]の範囲に標準酸化還元電位を持つ化合物であることが好ましい。また、ヒドロキシラジカル及び過酸化水素の双方の消失を目的とする場合には、この化合物は、過酸化水素が酸化剤として働く酸化還元電位よりも低い電位で還元剤として働き、かつ、過酸化水素が還元剤として働く酸化還元電位よりも高い電位で酸化剤として働くことが必要であるため、この化合物の標準酸化還元電位は0.68[V]〜1.77[V]の範囲にあることが好ましい。 Note that NHGI is shown here as an example of a compound that acts as a catalyst. However, the above-described redox mechanism is 0.68 [V] to 2.85 [V] when the purpose is to eliminate only hydroxy radicals. It is preferable that the compound has a standard redox potential in the range of When the purpose is to eliminate both hydroxy radicals and hydrogen peroxide, this compound acts as a reducing agent at a potential lower than the oxidation-reduction potential at which hydrogen peroxide acts as an oxidizing agent. Since it is necessary to act as an oxidizing agent at a potential higher than the redox potential acting as a reducing agent, the standard redox potential of this compound should be in the range of 0.68 [V] to 1.77 [V]. Is preferred.
さらに、この化合物の酸化体及び還元体が、比較的安定な化合物であればより好ましい。なお、各化合物の実際の酸化還元電位(Real Hydrogen Electrode;RHE)はpH、温度などの諸条件によって変化するので、それに合わせた範囲のものを用いることが好ましい。ただし、電極に用いられている白金への被毒を考慮すると、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池用電解質に用いる化合物は、炭素、水素、酸素及び窒素のみで構成された有機化合物であることが好ましい。 Furthermore, it is more preferable if the oxidized form and reduced form of this compound are relatively stable compounds. In addition, since the actual oxidation-reduction potential (Real Hydrogen Electrode; RHE) of each compound changes according to various conditions such as pH and temperature, it is preferable to use those in a range corresponding to the conditions. However, considering the poisoning of platinum used in the electrode, the compound used for the electrolyte for the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment is an organic compound composed only of carbon, hydrogen, oxygen and nitrogen. It is preferable that
また、一般式(V)で示される化合物は、特に化合物の安定性、耐久性、電解質膜への溶解性の観点から、下記一般式(VIa)又は(VIb)
(式中、R7〜R12は同一又は異なって、水素原子、アルキル基、ヒドロキシル基、アルコキシル基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、アシル基、ニトロ基、シアノ基又はアミノ基を表す。)で示される化合物であることが好ましい。 (Wherein R7 to R12 are the same or different and each represents a hydrogen atom, an alkyl group, a hydroxyl group, an alkoxyl group, a carboxyl group, an alkoxycarbonyl group, an acyl group, a nitro group, a cyano group, or an amino group). A compound is preferred.
さらに、一般式(V)、(VIa)又は(VIb)で示される化合物が、N−ヒドロキシグルタル酸イミド、N−ヒドロキシ−1,8−ナフタレンジカルボン酸イミド、N−ヒドロキシ−1,8−デカリンジカルボン酸イミド、N,N’−ジヒドロキシ−1,8;4,5−ナフタレンテトラカルボン酸イミド、N,N’−ジヒドロキシ−1,8;4,5−デカリンテトラカルボン酸イミド及びN,N’,N’’−トリヒドロキシイソシアヌル酸からなる群から選択される少なくとも一種のイミド化合物(6員イミド環)であることが好ましい。 Furthermore, the compound represented by the general formula (V), (VIa) or (VIb) is N-hydroxyglutaric acid imide, N-hydroxy-1,8-naphthalenedicarboxylic imide, N-hydroxy-1,8-decalin. Dicarboxylic acid imide, N, N′-dihydroxy-1,8; 4,5-naphthalene tetracarboxylic acid imide, N, N′-dihydroxy-1,8; 4,5-decalin tetracarboxylic acid imide and N, N ′ , N ″ -trihydroxyisocyanuric acid is preferably at least one imide compound (6-membered imide ring) selected from the group consisting of.
6員環の環状イミドは、慣用のイミド化反応、例えば、対応する6員環の酸無水物とヒドロキシルアミンNH2OHとを反応させて酸無水物基を開環した後、閉環してイミド化することにより調製することができる。この6員環の環状イミドは、5員環の環状イミドと同様に、電解質膜内に共存させることにより、式(25)、(26)に示す素反応が進む。そして、ヒドロキシラジカルや過酸化水素が電解質膜内に進入した場合にのみ、6員イミド環が水素ラジカルを供給し、効率的に過酸化水素を還元して電解質膜の酸化を抑制する。 A 6-membered cyclic imide is obtained by a conventional imidization reaction, for example, by reacting a corresponding 6-membered ring acid anhydride with hydroxylamine NH 2 OH to open an acid anhydride group, and then closing the ring to form an imide Can be prepared. Similar to the 5-membered cyclic imide, the 6-membered cyclic imide allows the elementary reactions shown in the formulas (25) and (26) to proceed by coexisting in the electrolyte membrane. Only when hydroxy radicals or hydrogen peroxide enters the electrolyte membrane, the 6-membered imide ring supplies hydrogen radicals and efficiently reduces hydrogen peroxide and suppresses oxidation of the electrolyte membrane.
>NOH+・OH →>NO・+H2O ・・・式(31)
2(>NOH)+H2O2 →2(>NO・)+2H2O ・・・式(32)
また、水素供給により発生したN−オキシルラジカル(>NO・)は、下式(33)〜(35)に示す素反応により、水素または過酸化水素から水素イオンを引き抜き、元のヒドロキシイミド(>NOH)の形に回復する。
> NOH + OH →> NO. + H 2 O Formula (31)
2 (> NOH) + H 2 O 2 → 2 (> NO ·) + 2H 2 O (32)
Further, the N-oxyl radical (> NO.) Generated by the hydrogen supply draws out hydrogen ions from hydrogen or hydrogen peroxide by the elementary reaction shown in the following formulas (33) to (35), and the original hydroxyimide (> NOH).
2(>NO・)+H2 → 2(>NOH) ・・・式(33)
>NO・+H++e− →>NOH ・・・式(34)
2(>NO・)+H2O2→2(>NOH)+O2 ・・・式(35)
図4に、ヒドロキシイミド基を有する化合物の代表例としてN−ヒドロキグルタル酸イミド(NHGI)を、また、NHGIがラジカル化したNHGIの酸化型としてグルタル酸イミドN−オキシル(GINO)を示し、NHGIのヒドロキシイミド基と、GINOのN−オキシルラジカルとの間でサイクルが回ることにより、長期に渡りヒドロキシラジカルや過酸化水素を消失させるメカニズムを表す。すなわち、NHGIは、ヒドロキシラジカルまたは過酸化水素に対して還元剤として作用し、ヒドロキシラジカルまたは過酸化水素を水へ還元する。一方、GINOは過酸化水素に対して酸化剤として作用して、過酸化水素を酸素へと酸化する。このようにして、NHGIがGINOとの間で酸化還元サイクルがまわると同時に、過酸化酸素やヒドロキシラジカルが消失する。
2 (> NO ·) + H 2 → 2 (> NOH) (33)
> NO ・ + H + + e − →> NOH ... Formula (34)
2 (> NO.) + H 2 O 2 → 2 (> NOH) + O 2 Formula (35)
FIG. 4 shows N-hydroxyglutarimide (NHGI) as a representative example of a compound having a hydroxyimide group, and glutamic acid N-oxyl (GINO) as an oxidized form of NHGI radicalized by NHGI. This represents a mechanism in which hydroxy radicals and hydrogen peroxide disappear over a long period of time by a cycle between the hydroxyimide group of GINO and the N-oxyl radical of GINO. That is, NHGI acts as a reducing agent for hydroxy radicals or hydrogen peroxide, and reduces hydroxy radicals or hydrogen peroxide to water. On the other hand, GINO acts as an oxidizing agent for hydrogen peroxide and oxidizes hydrogen peroxide to oxygen. In this way, the oxidation-reduction cycle starts between NHGI and GINO, and at the same time, oxygen peroxide and hydroxy radicals disappear.
また、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池用電解質が有する6員環を有するイミド化合物は、過酸化水素を還元及び酸化により消失するにあたり、水素ラジカル(水素原子)の出入りが関与する。この水素ラジカルの出入りにより、過酸化水素分解時に発生するヒドロキシラジカルがこの化合物から離れた箇所に存在する場合であってもヒドロキシラジカルを消失させる。このメカニズムは図3に示すメカニズムと同様であり、NHGIと水分子との間で水素ラジカルを交換して運ぶグローサス・メカニズムが起こる。このため、NHGIとヒドロキシラジカルが離れている場合であってもヒドロキシラジカルを消失させる触媒反応が進み、ヒドロキシラジカルを消失させることが可能となる。このため、電解質膜内の広い範囲に存在するヒドロキシラジカルを消失させることが可能となる。 The imide compound having a 6-membered ring included in the polymer electrolyte fuel cell electrolyte according to the present embodiment involves the entry and exit of hydrogen radicals (hydrogen atoms) when hydrogen peroxide is eliminated by reduction and oxidation. . Due to the entry and exit of the hydrogen radicals, the hydroxy radicals generated during the decomposition of hydrogen peroxide are eliminated even if they are present at locations away from the compound. This mechanism is the same as the mechanism shown in FIG. 3, and a growth mechanism occurs in which hydrogen radicals are exchanged between NHGI and water molecules. For this reason, even if NHGI and the hydroxy radical are separated from each other, a catalytic reaction for eliminating the hydroxy radical proceeds, and the hydroxy radical can be lost. For this reason, it is possible to eliminate hydroxy radicals existing in a wide range in the electrolyte membrane.
このような触媒作用を有する化合物を選択するにあたり重要なことは、化合物の安定性、耐久性、耐熱性及び電解質膜への溶解性である。特に、化合物の安定性及び耐久性は、燃料電池を長期にわたって使用する場合において、また、活性酸素を消失し続ける意味において最も重要である。また、燃料電池の定常状態の運転温度を80〜90[℃]、将来電解質膜の耐熱性が向上することを考慮すると、電解質膜は120[℃]位であっても十分耐えうる耐熱性を有する必要がある。また、この6員環のイミド化合物を電解質膜へ均一に溶解するためには難溶でもかまわないが、水に対して溶解することが必要である。水に対して不溶となると電解質膜内で析出して水素ラジカルの出入りが不可能となり、ヒドロキシラジカルや過酸化水素などの活性酸素を消失させる効果(触媒機能)を失うことになる。 What is important in selecting a compound having such a catalytic action is the stability, durability, heat resistance, and solubility in the electrolyte membrane of the compound. In particular, the stability and durability of the compound is most important when the fuel cell is used over a long period of time and in the sense that the active oxygen continues to disappear. Also, considering that the steady state operating temperature of the fuel cell is 80 to 90 [° C.] and the heat resistance of the electrolyte membrane will be improved in the future, the electrolyte membrane has sufficient heat resistance even at about 120 [° C.]. It is necessary to have. Further, in order to uniformly dissolve the 6-membered ring imide compound in the electrolyte membrane, it may be difficult to dissolve, but it is necessary to dissolve in water. If it becomes insoluble in water, it will precipitate in the electrolyte membrane, making it impossible for hydrogen radicals to enter and exit, thus losing the effect (catalytic function) of eliminating active oxygen such as hydroxy radicals and hydrogen peroxide.
このように、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池用電解質では、ヒドロキシラジカルの酸化還元電位よりも低い電位で還元剤として働き、かつ、過酸化水素が還元剤として働く酸化還元電位よりも高い電位で酸化剤として働く酸化還元サイクルを有する化合物を有するため、この化合物が触媒として作用し、活性酸素を分解する。このため、ヒドロキシラジカルや過酸化水素によって電解質膜のC−F結合は切断されず、電解質膜の劣化を防ぐことができる。また、この化合物は、活性酸素を分解した後に化合物の酸化還元サイクルにより元の型に戻るため、何度も利用することができる。このため、耐久性能が維持された固体高分子型燃料電池用電解質を実現することが可能となる。さらに、この化合物が6員環の環状イミドの場合には、5員環の場合と比較して加水分解が遅く、耐加水分解性が高い。このため、6員環の環状イミドの場合には、より耐久性能が維持される。 Thus, in the polymer electrolyte fuel cell electrolyte according to the present embodiment, the redox potential acts as a reducing agent at a potential lower than the redox potential of the hydroxy radical, and the hydrogen peroxide acts as a reducing agent. Since it has a compound having a redox cycle that acts as an oxidant at a high potential, this compound acts as a catalyst and decomposes active oxygen. For this reason, the C—F bond of the electrolyte membrane is not broken by hydroxy radicals or hydrogen peroxide, and deterioration of the electrolyte membrane can be prevented. Moreover, since this compound returns to the original form by the redox cycle of the compound after decomposing active oxygen, it can be used many times. For this reason, it is possible to realize an electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell in which durability performance is maintained. Furthermore, when this compound is a 6-membered cyclic imide, the hydrolysis is slower and the hydrolysis resistance is higher than in the case of a 5-membered ring. For this reason, in the case of a 6-membered cyclic imide, more durable performance is maintained.
以下、実施例1〜実施例22及び比較例1、比較例2により本発明に係る固体高分子型燃料電池用電解質を更に具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。これらの実施例は、本発明に係る固体高分子型燃料電池用電解質の有効性を調べたものであり、異なる原料にて調整した固体高分子型燃料電池用電解質の例を示したものである。 Hereinafter, the polymer electrolyte fuel cell electrolyte according to the present invention will be described more specifically with reference to Examples 1 to 22 and Comparative Examples 1 and 2, but the scope of the present invention is limited to these. is not. These examples are investigations of the effectiveness of the polymer electrolyte fuel cell electrolyte according to the present invention, and show examples of polymer electrolyte fuel cell electrolytes prepared with different raw materials. .
<試料の調製>
(実施例1)
デュポン社のナフィオン(登録商標)117膜(厚さ175[μm])を1[cm]角に切り出して用いた。ナフィオン(登録商標)膜の前処理は、NEDO PEFC R&Dプロジェクト標準処理に従い、3[%]過酸化水素水中で1[時間]煮沸した後、蒸留水中1[時間]煮沸し、続いて、1[M]硫酸水溶液中で1[時間]煮沸し、最後に蒸留水中で1[時間]煮沸の順に行った。
<Preparation of sample>
Example 1
A DuPont Nafion (registered trademark) 117 membrane (thickness: 175 [μm]) was cut into 1 [cm] squares and used. The Nafion (registered trademark) membrane is pretreated according to NEDO PEFC R & D project standard treatment, boiled in 3% hydrogen peroxide water for 1 hour, then boiled in distilled water for 1 hour. M] The solution was boiled in an aqueous solution of sulfuric acid for 1 hour, and finally boiled in distilled water for 1 hour.
次に、前処理を施したナフィオン(登録商標)膜に活性酸素を消失させるために触媒(活性酸素消失触媒)としてNHPIを0.5[mM]加えた後、30[%]過酸化水素水(和光純薬特級)を超純水で希釈して調整した10[%]過酸化水素10[cm3]中に80[℃]で12[時間]浸漬し、評価に用いた。 Next, after adding 0.5 [mM] NHPI as a catalyst (active oxygen elimination catalyst) in order to make active oxygen disappear in the pretreated Nafion (registered trademark) membrane, 30 [%] hydrogen peroxide solution (Special grade of Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was immersed in 10 [%] hydrogen peroxide 10 [cm 3 ] prepared by diluting with ultrapure water at 80 [° C.] for 12 [hour] and used for evaluation.
(実施例2)
過酸化水素耐久試験において劣化を促進する目的で、前処理を施したナフィオン(登録商標)膜を100[mM]のFeSO4水溶液に一晩以上浸漬した後、蒸留水中で15[分間]超音波洗浄を用い、膜に付着したイオンを取り除くことにより、ナフィオン(登録商標)の対イオンをH+からFe2+に交換した。なお、試薬は、和光純薬特級FeSO4・7H2Oを用いた。
(Example 2)
For the purpose of accelerating deterioration in the hydrogen peroxide durability test, a pretreated Nafion (registered trademark) membrane is immersed in a 100 [mM] FeSO 4 aqueous solution for more than one night, and then ultrasonicated in distilled water for 15 minutes. The Nafion® counterion was exchanged from H + to Fe 2+ by washing and removing ions attached to the membrane. The reagent used was Wako Pure Chemicals special grade FeSO 4 · 7H 2 O.
次に、イオン交換したナフィオン(登録商標)膜に、実施例1と同様に活性酸素消失触媒としてNHPIを0.5[mM]加えた後、30[%]過酸化水素水(和光純薬特級)を超純水で希釈して調整した10[%]過酸化水素10[cm3]中に80[℃]で12[時間]浸漬し、評価に用いた。 Next, after adding 0.5 [mM] of NHPI as an active oxygen disappearance catalyst to the ion-exchanged Nafion (registered trademark) membrane in the same manner as in Example 1, 30 [%] hydrogen peroxide solution (special grade of Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) ) Was diluted with ultrapure water and adjusted for 10 [%] hydrogen peroxide 10 [cm 3 ] at 80 [° C.] for 12 [hours] and used for evaluation.
(実施例3)
活性酸素消失触媒として、NHPI水溶液の代わりに0.5[mM]N−ヒドロキシマレイン酸イミド水溶液を用い、実施例1と同様の処理を施したものを実施例3とした。
(Example 3)
As an active oxygen disappearance catalyst, an aqueous solution of 0.5 [mM] N-hydroxymaleimide was used instead of the NHPI aqueous solution, and the same treatment as in Example 1 was performed as Example 3.
(実施例4)
活性酸素消失触媒として、NHPI水溶液の代わりに0.5[mM]N−ヒドロキシマレイン酸イミド水溶液を用い、実施例2と同様の処理を施したものを実施例4とした。
Example 4
As an active oxygen disappearance catalyst, an aqueous solution of 0.5 [mM] N-hydroxymaleimide was used instead of the NHPI aqueous solution, and the same treatment as in Example 2 was carried out as Example 4.
(実施例5)
活性酸素消失触媒として、NHPI水溶液の代わりに0.5[mM]N−ヒドロキシコハク酸イミド水溶液を用い、実施例1と同様の処理を施したものを実施例5とした。
(Example 5)
As an active oxygen disappearance catalyst, a 0.5 [mM] N-hydroxysuccinimide aqueous solution was used instead of the NHPI aqueous solution, and the same treatment as in Example 1 was performed as Example 5.
(実施例6)
活性酸素消失触媒として、NHPI水溶液の代わりに0.5[mM]N−ヒドロキシマレイン酸イミド水溶液を用い、実施例2と同様の処理を施したものを実施例6とした。
(Example 6)
As an active oxygen disappearing catalyst, a 0.5 [mM] N-hydroxymaleimide aqueous solution was used instead of the NHPI aqueous solution, and the same treatment as in Example 2 was carried out as Example 6.
(実施例7)
活性酸素消失触媒として、NHPI水溶液の代わりに0.5[mM]N−ヒドロキシトリメリット酸イミド水溶液を用い、実施例1と同様の処理を施したものを実施例7とした。
(Example 7)
As an active oxygen disappearance catalyst, an aqueous solution of 0.5 [mM] N-hydroxytrimellitic acid imide was used instead of the NHPI aqueous solution, and the same treatment as in Example 1 was performed as Example 7.
(実施例8)
活性酸素消失触媒として、NHPI水溶液の代わりに0.5[mM]N−ヒドロキシトリメリット酸イミド水溶液を用い、実施例2と同様の処理を施したものを実施例8とした。
(Example 8)
As an active oxygen disappearance catalyst, an aqueous solution of 0.5 [mM] N-hydroxytrimellitic acid imide was used instead of the NHPI aqueous solution, and the same treatment as that of Example 2 was performed as Example 8.
(実施例9)
活性酸素消失触媒として、NHPI水溶液の代わりに0.5[mM]N,N′−ジヒドロキシピロメリット酸イミド水溶液を用い、実施例1と同様の処理を施したものを実施例9とした。
Example 9
As an active oxygen disappearance catalyst, an aqueous solution of 0.5 [mM] N, N′-dihydroxypyromellitic acid imide was used instead of the NHPI aqueous solution, and the same treatment as in Example 1 was carried out as Example 9.
(実施例10)
活性酸素消失触媒として、NHPI水溶液の代わりに0.5[mM]N,N′−ジヒドロキシピロメリット酸イミドの水溶液を用い、実施例2と同様の処理を施したものを実施例10とした。
(Example 10)
As an active oxygen disappearance catalyst, an aqueous solution of 0.5 [mM] N, N′-dihydroxypyromellitic imide was used in place of the NHPI aqueous solution, and the same treatment as in Example 2 was carried out as Example 10.
(実施例11)
活性酸素消失触媒として、NHPI水溶液の代わりに0.5[mM]N−ヒドロキシグルタル酸イミド(NHGI)水溶液を用い、実施例1と同様の処理を施したものを実施例11とした。
(Example 11)
As an active oxygen disappearance catalyst, a 0.5 [mM] N-hydroxyglutarimide (NHGI) aqueous solution was used instead of the NHPI aqueous solution, and the same treatment as in Example 1 was carried out as Example 11.
(実施例12)
活性酸素消失触媒として、NHPI水溶液の代わりに0.5[mM]N−ヒドロキシグルタル酸イミド(NHGI)水溶液を用い、実施例2と同様の処理を施したものを実施例12とした。
(Example 12)
As an active oxygen disappearing catalyst, a 0.5 [mM] N-hydroxyglutarimide (NHGI) aqueous solution was used instead of the NHPI aqueous solution, and the same treatment as in Example 2 was carried out as Example 12.
(実施例13)
活性酸素失活触媒として、NHPI水溶液の代わりに0.5[mM]N−ヒドロキシ−1,8−ナフタレンジカルボン酸イミド(NHNDI)水溶液を用い、実施例1と同様の処理を施したものを実施例13とした。
(Example 13)
As the active oxygen deactivation catalyst, a 0.5 [mM] N-hydroxy-1,8-naphthalenedicarboxylic imide (NHNDI) aqueous solution was used instead of the NHPI aqueous solution, and the same treatment as in Example 1 was performed. Example 13 was used.
(実施例14)
活性酸素失活触媒として、NHPI水溶液の代わりに0.5[mM]N−ヒドロキシ−1,8−ナフタレンジカルボン酸イミド(NHNDI)水溶液を用い、実施例2と同様の処理を施したものを実施例14とした。
(Example 14)
As the active oxygen deactivation catalyst, a 0.5 [mM] N-hydroxy-1,8-naphthalenedicarboxylic imide (NHNDI) aqueous solution was used instead of the NHPI aqueous solution, and the same treatment as in Example 2 was performed. Example 14 was adopted.
(実施例15)
活性酸素失活触媒として、NHPI水溶液の代わりに0.5[mM]N−ヒドロキシ−1,8−デカリンジカルボン酸イミド(NHDDI)水溶液を用い、実施例1と同様の処理を施したものを実施例15とした。
(Example 15)
As the active oxygen deactivation catalyst, a 0.5 [mM] N-hydroxy-1,8-decalin dicarboxylic imide (NHDI) aqueous solution was used instead of the NHPI aqueous solution, and the same treatment as in Example 1 was performed. Example 15 was adopted.
(実施例16)
活性酸素失活触媒として、NHPI水溶液の代わりに0.5[mM]N−ヒドロキシ−1,8−デカリンジカルボン酸イミド(NHDDI)水溶液を用い、実施例2と同様の処理を施したものを実施例16とした。
(Example 16)
As the active oxygen deactivation catalyst, a 0.5 [mM] N-hydroxy-1,8-decalin dicarboxylic imide (NHDI) aqueous solution was used instead of the NHPI aqueous solution, and the same treatment as in Example 2 was performed. Example 16 was adopted.
(実施例17)
活性酸素失活触媒として、NHPI水溶液の代わりに0.5[mM]のN,N’−ジヒドロキシ−1,8;4,5−ナフタレンテトラカルボン酸イミド(NHNTI)水溶液を用い、実施例1と同様の処理を施したものを実施例17とした。
(Example 17)
As an active oxygen deactivation catalyst, 0.5 [mM] N, N′-dihydroxy-1,8; 4,5-naphthalenetetracarboxylic imide (NHNTI) aqueous solution was used instead of NHPI aqueous solution, and Example 1 Example 17 was subjected to the same treatment.
(実施例18)
活性酸素失活触媒として、NHPI水溶液の代わりに0.5[mM]のN,N’−ジヒドロキシ−1,8;4,5−ナフタレンテトラカルボン酸イミド(NHNTI)水溶液を用い、実施例2と同様の処理を施したものを実施例18とした。
(Example 18)
As an active oxygen deactivation catalyst, 0.5 [mM] N, N′-dihydroxy-1,8; 4,5-naphthalenetetracarboxylic imide (NHNTI) aqueous solution was used instead of NHPI aqueous solution, and Example 2 and Example 18 was subjected to the same treatment.
(実施例19)
活性酸素失活触媒として、NHPI水溶液の代わりに0.5[mM]のN,N’−ジヒドロキシ−1,8;4,5−デカリンテトラカルボン酸イミド(NHDTI)水溶液を用い、実施例1と同様の処理を施したものを実施例19とした。
(Example 19)
As an active oxygen deactivation catalyst, 0.5 [mM] N, N′-dihydroxy-1,8; 4,5-decalintetracarboxylic imide (NHDTI) aqueous solution was used instead of NHPI aqueous solution, and Example 1 Example 19 was subjected to the same treatment.
(実施例20)
活性酸素失活触媒として、NHPI水溶液の代わりに0.5[mM]のN,N’−ジヒドロキシ−1,8;4,5−デカリンテトラカルボン酸イミド(NHDTI)水溶液を用い、実施例2と同様の処理を施したものを実施例20とした。
(Example 20)
As an active oxygen deactivation catalyst, 0.5 [mM] N, N′-dihydroxy-1,8; 4,5-decalintetracarboxylic imide (NHDTI) aqueous solution was used instead of NHPI aqueous solution, and Example 2 Example 20 was subjected to the same treatment.
(実施例21)
活性酸素失活触媒として、NHPI水溶液の代わりに0.5[mM]のN,N’,N’’−トリヒドロキシイソシアヌル酸(THICA)水溶液を用い、実施例1と同様の処理を施したものを実施例21とした。
(Example 21)
As the active oxygen deactivation catalyst, 0.5 [mM] N, N ′, N ″ -trihydroxyisocyanuric acid (THICA) aqueous solution was used instead of NHPI aqueous solution, and the same treatment as in Example 1 was performed. To Example 21.
(実施例22)
活性酸素失活触媒として、NHGI水溶液の代わりに0.5[mM]のN,N’,N’’−トリヒドロキシイソシアヌル酸(THICA)水溶液を用い、実施例1と同様の処理を施したものを実施例22とした。
(Example 22)
As the active oxygen deactivation catalyst, a 0.5 [mM] N, N ′, N ″ -trihydroxyisocyanuric acid (THICA) aqueous solution was used instead of the NHGI aqueous solution, and the same treatment as in Example 1 was performed. This was taken as Example 22.
(比較例1)
実施例1と同様の方法で前処理を施したナフィオン(登録商標)膜にNHPIを加えていないものを、比較例1とした。
(Comparative Example 1)
Comparative Example 1 was obtained by adding NHPI to a Nafion (registered trademark) membrane pretreated by the same method as in Example 1.
(比較例2)
実施例2と同様の方法でイオン交換したナフィオン(登録商標)膜にNHPIを加えていないものを、比較例2とした。
(Comparative Example 2)
Comparative Example 2 was obtained by adding NHPI to a Nafion (registered trademark) membrane ion-exchanged in the same manner as in Example 2.
ここで、上記方法にて処理したナフィオン(登録商標)膜は、以下に示す方法によって評価した。 Here, the Nafion (registered trademark) membrane treated by the above method was evaluated by the following method.
<過酸化水素耐久試験>
上記方法にて処理したナフィオン(登録商標)膜の色の変化を目視により観察した。
<Hydrogen peroxide durability test>
The change in color of the Nafion (registered trademark) film treated by the above method was visually observed.
<膜の劣化解析>
膜の劣化解析は、ナフィオン(登録商標)膜の分解に伴い発生するフッ化物イオン濃度を測定することにより行った。フッ化物イオンの検出は、上記方法にて調整した試料溶液を超純水で10倍に希釈し、希釈後の溶液をイオンクロマトグラフで測定することにより行った。イオンクロマトグラフは、ダイオネック社製(機種名:DX−AQ)を用いた。
<Membrane degradation analysis>
The deterioration analysis of the membrane was performed by measuring the fluoride ion concentration generated with the decomposition of the Nafion (registered trademark) membrane. Fluoride ions were detected by diluting the sample solution prepared by the above method 10 times with ultrapure water and measuring the diluted solution with an ion chromatograph. An ion chromatograph manufactured by Dioneck (model name: DX-AQ) was used.
<活性酸素消失触媒の安定性試験>
活性酸素消失触媒であるNHPI及びNHGIの安定性試験は、1[mM]に調整したNHPI水溶液とNHGI水溶液をそれぞれビーカーに入れて80[℃]に保ち、24[時間]毎にサンプリングして液体クロマトグラフにかけた。そして、得られたクロマトグラムのピーク面積より、NHPI及びNHGIの濃度を測定した。
<Stability test of active oxygen elimination catalyst>
The stability test of NHPI and NHGI which are active oxygen disappearance catalysts is carried out by placing NHPI aqueous solution and NHGI aqueous solution adjusted to 1 [mM] in a beaker, keeping them at 80 [° C], and sampling every 24 [hours] to obtain a liquid Chromatographed. And the density | concentration of NHPI and NHGI was measured from the peak area of the obtained chromatogram.
下表1、表2に実施例1〜22、比較例1及び比較例2におけるナフィオン(登録商標)膜の対イオン型、触媒の種類、フッ化物イオン濃度及び膜の色変化を示す。
実施例1,3,5,7,9,11,13,15,17,19,21及び比較例1の結果より、H+型のナフィオン(登録商標)膜ではNHPIやNHGIなどの活性酸素消失触媒の有無に関係なく、過酸化水素水で12[時間]処理してもフッ化物イオンはほとんど検出されず、ナフィオン(登録商標)膜の劣化は進行していないことが分かった。これに対して、比較例2に示すようにFe2+型のナフィオン(登録商標)膜では、12[時間]処理後にフッ化物イオンが検出され、膜の劣化が進行することが分かった。
また、実施例2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22と比較例2の比較から分かるように、NHPIやNHGIなどの活性酸素消失触媒の有無により検出されたフッ化物イオンに10倍以上の差がみられ、NHPIやNHGIなどの活性酸素消失触媒の存在により、ナフィオン(登録商標)膜の分解が抑制されることが分かった。
From the results of Examples 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 21 and Comparative Example 1, the H + type Nafion (registered trademark) film lost active oxygen such as NHPI and NHGI. Regardless of the presence or absence of a catalyst, it was found that even when treated with hydrogen peroxide solution for 12 hours, fluoride ions were hardly detected, and the deterioration of the Nafion (registered trademark) film did not proceed. On the other hand, as shown in Comparative Example 2, in the Fe 2+ type Nafion (registered trademark) film, fluoride ions were detected after 12 [hour] treatment, and it was found that the deterioration of the film progressed.
Further, as can be seen from the comparison between Examples 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22 and Comparative Example 2, it is detected by the presence or absence of an active oxygen disappearing catalyst such as NHPI or NHGI. In addition, a difference of 10 times or more was observed in the fluoride ions, and it was found that the decomposition of the Nafion (registered trademark) membrane was suppressed by the presence of the active oxygen disappearing catalyst such as NHPI or NHGI.
さらに、Fe2+型のナフィオン(登録商標)膜はほとんど透明であるが、比較例2では過酸化水素水で12[時間]処理した後に膜が褐色に変化し、対イオンがFe2+がFe3+に酸化しており、フェントン反応が起こったことが示唆された。これに対し、NHPIやNHGIなどの活性酸素消失触媒が存在する実施例2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22では、Fe2+が存在するにも拘わらず、色の変化は確認されず、フェントン反応が抑制されていることが分かった。 Further, although the Fe 2+ type Nafion (registered trademark) film is almost transparent, in Comparative Example 2, the film turns brown after being treated with hydrogen peroxide solution for 12 hours, and the counter ion is Fe 2+ is Fe 3+. It was suggested that the Fenton reaction occurred. On the other hand, in Examples 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, and 22 in which active oxygen disappearing catalysts such as NHPI and NHGI are present, even though Fe 2+ exists. The color change was not confirmed, and it was found that the Fenton reaction was suppressed.
また、過酸化水素水で12[時間]の加熱処理を施している間には、NHPIを入れた実施例1、実施例2のサンプル瓶からは比較例1、比較例2と比較するとより多くの気泡が発生しており、過酸化水素の分解が促進されていることも目視で確認できた。なお、今回の結果より、活性酸素失活触媒の種類により発生するフッ化物イオンの量に大きな差はみられなかった。 Further, during the heat treatment for 12 hours with hydrogen peroxide, the sample bottles of Example 1 and Example 2 containing NHPI were more in comparison with Comparative Example 1 and Comparative Example 2. It was also confirmed by visual observation that the bubbles were generated and the decomposition of hydrogen peroxide was promoted. In addition, from this result, the big difference was not seen in the quantity of the fluoride ion generate | occur | produced with the kind of active oxygen deactivation catalyst.
<酸化還元電位>
実施例に用いる化合物の酸化還元電位は、作用極にグラッシーカーボン、対極に白金、参照極に飽和カロメル電極(SCE)を用い、電解液に1[M]硫酸を用いて測定した。代表例としてNHPIのサイクリックボルタモグラムを図5に示す。本条件(SCE)におけるNHPIの酸化還元電位は1.10[V](SCE)付近に存在するが、図1、特許請求の範囲、及び明細書中では、各物質の酸化還元電位と合わせるために下式(36)に示す式により標準電位E0(NHE)に補正して表示する。
<Redox potential>
The oxidation-reduction potential of the compounds used in the examples was measured using glassy carbon as the working electrode, platinum as the counter electrode, a saturated calomel electrode (SCE) as the reference electrode, and 1 [M] sulfuric acid as the electrolyte. As a typical example, a cyclic voltammogram of NHPI is shown in FIG. The redox potential of NHPI in this condition (SCE) is in the vicinity of 1.10 [V] (SCE), but in FIG. 1, the claims, and the specification, to match the redox potential of each substance. Is corrected to the standard potential E 0 (NHE) by the equation shown in the following equation (36).
E0(NHE)=E(SCE)+ 0.24[V] ・・・式(36)
この電位により、NHPIは、可逆的に酸化剤(水素受容体)又は還元剤(水素供与体)として機能する化合物であり、ヒドロキシラジカルの酸化還元電位よりも低い電位で還元剤として働き、かつ、過酸化水素が還元剤として働く酸化還元電位よりも高い電位で酸化剤として働く酸化還元サイクルを有する化合物であることが示され、電位的にも過酸化水素を消失する機能を有していることが示された。なお、NHGIのサイクリックボルタモグラムより、NHGIの酸化還元電位は1.15 [V] (SCE)付近に存在することがわかった。
E 0 (NHE) = E (SCE) +0.24 [V] (36)
With this potential, NHPI is a compound that reversibly functions as an oxidizing agent (hydrogen acceptor) or a reducing agent (hydrogen donor), acts as a reducing agent at a potential lower than the redox potential of the hydroxy radical, and It is shown that the compound has a redox cycle that acts as an oxidant at a potential higher than the redox potential at which hydrogen peroxide acts as a reducing agent, and has a function of eliminating hydrogen peroxide in terms of potential. It has been shown. From the cyclic voltammogram of NHGI, it was found that the oxidation-reduction potential of NHGI exists in the vicinity of 1.15 [V] (SCE).
次に、実施例2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22及び比較例2により得られた膜をそれぞれ電解質膜とし、白金担持カーボンを電極とした燃料電池単セルを作成し、起動停止の繰り返し耐久試験を実施した。得られた電解質膜のアソード、カソードとなる面に白金担持カーボン(Cabot 社製 20wt%Pt/Vulcan XC-72)を1[mg/cm2]となるように塗布して膜−電極接合体(MEA)を作製した。そして、作製したMEAを単セルの中に組み込み、PEFC用単セルとして評価に用いた。なお、単セルは5[cm2]単セルとした。 Next, fuel cells using Examples 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22 and Comparative Example 2 as electrolyte membranes and platinum-supported carbon as electrodes. A single cell was created, and repeated start-stop durability tests were conducted. The surface of the electrolyte membrane obtained was coated with platinum-supporting carbon (20 wt% Pt / Vulcan XC-72 manufactured by Cabot) to 1 [mg / cm 2 ] on the surface to be an anode and cathode, and a membrane-electrode assembly ( MEA) was prepared. The produced MEA was incorporated into a single cell and used as a single cell for PEFC for evaluation. The single cell was a 5 [cm 2 ] single cell.
ここで、起動停止繰り返し実験は、以下の方法にて行った。 Here, the start / stop repeated experiment was performed by the following method.
<起動停止繰り返し耐久試験>
アノードガスとして70[℃]加湿水素ガス(大気圧)を、カソードガスとして70[℃]加湿酸素ガス(大気圧)を70[℃]に保った単セルに供給し、開回路状態で30[分]保持した後、試験を開始した。
<Start / stop repeated endurance test>
70 [° C.] humidified hydrogen gas (atmospheric pressure) as anode gas and 70 [° C.] humidified oxygen gas (atmospheric pressure) as cathode gas are supplied to a single cell maintained at 70 [° C., and 30 [ Min] and then the test was started.
試験は、単セルに流速300[dm3/分]のガスを流し、放電開回路状態から電流密度を増加させ、端子電圧が0.3[V]以下になるまで放電を行った。そして、端子電圧が0.3[V]以下になった後、再び開回路状態として5[分]間保持した。この操作を繰り返し行い、1[mA/cm3]の電流密度で発電したときの電圧が0.4[V]以下になった回数をもって耐久性能を比較した。なお、耐久試験を促進するため、ナフィオン(登録商標)膜はいずれもFe2+型に置換したもの(実施例2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22及び比較例2)を用いた。 In the test, gas was flowed through a single cell at a flow rate of 300 [dm 3 / min], the current density was increased from the discharge open circuit state, and discharge was performed until the terminal voltage became 0.3 [V] or less. Then, after the terminal voltage became 0.3 [V] or less, the circuit was held again for 5 [min] as an open circuit state. This operation was repeated, and the durability performance was compared with the number of times that the voltage when the power was generated at a current density of 1 [mA / cm 3 ] became 0.4 [V] or less. In order to accelerate the durability test, all Nafion (registered trademark) films were replaced with Fe 2+ type (Examples 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, and Comparative Example 2) was used.
図6に、作製した燃料電池単セルの起動停止繰り返し耐久試験の電流−電圧曲線の初期値と、耐久後の電流−電圧曲線のグラフを示す。このグラフにおいて、1[mA/cm3]の電流密度で発電したときの電圧が0.4[V]以下になった回数を判断基準とし、耐久試験後の電解質膜の劣化度合いの判定した。また、下表3に、実施例2,4,6,8,10及び比較例2におけるナフィオン(登録商標)膜の対イオン型、触媒の種類、起動停止繰り返し回数を示す。
比較例2に示すように、活性酸素消失触媒の存在しないものは、起動停止繰り返し回数が70回で、1[mA/cm3]の電流密度で発電したときの電圧が0.4[V]以下に低下した。これに対し、活性酸素消失触媒を添加したものはいずれも起動停止繰り返し回数500回以上で電圧が0.4[V]以下となり、活性酸素消失触媒を添加したことにより電解質膜の劣化が抑制されていることが判明した。さらに、活性酸素消失触媒が6員環タイプである実施例12,14,16,18,20,22では、いずれも起動停止繰り返し回数600回以上で電圧が0.4[V]以下となり、5員環タイプである実施例2,4,6,8,10よりも電解質膜の劣化が抑制され、耐久性に優れていることがわかった。これは、6員環タイプのイミド化合物は、5員環タイプより耐加水分解性も良好で安定であるため、5員環タイプのイミド化合物に比べて起動停止回数が増えていると考えられた。図7に活性酸素消失触媒であるNHPI及びNHGIの安定性試験の結果のグラフを示す。図7に示されるように、5員環タイプであるNHPIは下式(37)に示す加水分解により経時で濃度が下がり、96時間後のNHPIの濃度は約0.6[mM]に減少していた。
これに対し、6員環タイプであるNHGIもNHPIと同様に下式(38)に示す加水分解により経時で濃度が下がるが、96時間後のNHGIの濃度は約0.9[mM]であった。
このように、6員環タイプのイミド化合物も5員環タイプと同様に加水分解は起こるが、5員環タイプと比較すると加水分解反応が遅いため、耐加水分解性が良好で安定であることがわかった。中でも実施例22の活性酸素消失触媒としてTHICAを用いた場合には、起動停止繰り返し回数850回で電圧が0.4[V]以下となり、特に耐久性に優れていることが分かった。THICAは、分子量が小さく、さらに分子内にヒドロキシイミド基を三つ有するため、より活性酸素を消失する触媒作用に優れているため良好な耐久性を示したと考えられた。 In this way, hydrolysis of the 6-membered ring type imide compound occurs similarly to the 5-membered ring type, but the hydrolysis reaction is slow compared to the 5-membered ring type, and therefore the hydrolysis resistance is good and stable. I understood. In particular, when THICA was used as the active oxygen disappearance catalyst of Example 22, the voltage became 0.4 [V] or less after 850 start-stop repetitions, and it was found that the durability was particularly excellent. Since THICA has a small molecular weight and has three hydroxyimide groups in the molecule, it was considered that the THICA showed good durability because it was more excellent in the catalytic action to lose active oxygen.
以上示したように、現在最も広く使われている電解質膜であるナフィオン(登録商標)膜に代表されるパーフルオロスルホン酸系ポリマーは、燃料電池の正極で発生する活性酸素により十分な耐性があるとは言えない状況であったが、上記化合物を触媒として含有させた電解質膜を使用することにより、水素ラジカルの出入りが繰り返し可能となるため、長期に渡り活性酸素を消失させる効果を有する。このように、酸化触媒(活性酸素消失触媒)を用いることにより、固体高分子型燃料電池の正極において過酸化水素が発生しても、電解質膜の性能を長期にわたって維持でき、電解質膜の劣化を抑制することが可能となり、燃料電池の耐久性能が向上可能となった。 As described above, perfluorosulfonic acid polymers represented by Nafion (registered trademark) membrane, which is the most widely used electrolyte membrane, are sufficiently resistant to active oxygen generated at the positive electrode of the fuel cell. However, the use of an electrolyte membrane containing the above compound as a catalyst makes it possible to repeatedly enter and exit hydrogen radicals, and thus has an effect of eliminating active oxygen over a long period of time. Thus, by using an oxidation catalyst (reactive oxygen elimination catalyst), even if hydrogen peroxide is generated at the positive electrode of the polymer electrolyte fuel cell, the performance of the electrolyte membrane can be maintained over a long period of time, and the electrolyte membrane can be deteriorated. It became possible to suppress, and the durability performance of the fuel cell could be improved.
なお、本発明に係る固体高分子型燃料電池用電解質は、固体高分子型燃料電池の電解質膜として使用することができる。この場合、プロトン伝導型の高分子電解質膜を用いる燃料電池であれば燃料の種類に限定されることはなく、水素型固体高分子燃料電池、ダイレクトメタノール型固体高分子燃料電池、ダイレクト炭化水素型固体高分子燃料電池等のいずれの燃料電池に用いることが可能である。 The electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention can be used as an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell. In this case, the fuel type is not limited as long as it is a fuel cell using a proton conductive polymer electrolyte membrane, and is not limited to a hydrogen type solid polymer fuel cell, a direct methanol type solid polymer fuel cell, a direct hydrocarbon type. It can be used for any fuel cell such as a solid polymer fuel cell.
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導型の高分子電解質膜を用いる燃料電池システムに用いることが可能であり、その用途としては、燃料電池車両に限定されることは無く、燃料電池コージェネレーション発電システム、燃料電池家電機器、燃料電池携帯機器、燃料電池輸送用機器に適用することが可能である。 The solid polymer fuel cell according to the present invention can be used in a fuel cell system using a proton conducting polymer electrolyte membrane, and its use is not limited to a fuel cell vehicle. It can be applied to a fuel cell cogeneration power generation system, a fuel cell home appliance, a fuel cell portable device, and a fuel cell transport device.
以上、本実施の形態の形態について説明したが、上記の実施の形態の開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。 As mentioned above, although the form of this Embodiment was demonstrated, it should not be understood that the description and drawing which make a part of indication of said Embodiment limit this invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
Claims (14)
前記化合物が、下記の一般式(I)
(式中、R1及びR2は同一又は異なる任意の置換基を、Xは酸素原子又はヒドロキシル基を表す。)で示される化合物であることを特徴とする固体高分子型燃料電池用電解質。 A compound having a redox cycle that acts as a reducing agent at a potential lower than the oxidation-reduction potential of a hydroxy radical, and that acts as an oxidizing agent at a potential higher than the oxidation-reduction potential at which hydrogen peroxide acts as a reducing agent;
The compound is represented by the following general formula (I)
(Wherein, the R1 and R2 identical or different arbitrary substituents, X represents an oxygen atom or a hydroxyl group.) Solid high polymer type fuel cell electrolyte you being a compound represented by.
(式中環Yは、二重結合を有する又は芳香族性若しくは非芳香族性の5〜12員環のうちいずれか一種類の環を表す。)で示されるイミド化合物であることを特徴とする請求項3に記載の固体高分子型燃料電池用電解質。 The compound represented by the general formula (I) is represented by the following general formula (II):
(Wherein ring Y represents a imide compound having a double bond or any one of aromatic or non-aromatic 5- to 12-membered rings). The electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 3 .
(式中、R3及びR4は同一又は異なり、それぞれ水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アリール基、シクロアルキル基、ヒドロキシル基、アルコキシル基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基又はアシル基を表す。Xは酸素原子又はヒドロキシル基を、nは1〜3の整数を表す。)で示されるイミド化合物であることを特徴とする請求項4に記載の固体高分子型燃料電池用電解質。 The compound represented by the general formula (II) is represented by the following general formula (III):
(Wherein R3 and R4 are the same or different and each represents a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an aryl group, a cycloalkyl group, a hydroxyl group, an alkoxyl group, a carboxyl group, an alkoxycarbonyl group, or an acyl group. X represents oxygen. 5. The electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 4 , which is an imide compound represented by an atom or a hydroxyl group, wherein n represents an integer of 1 to 3. 5.
(式中、R3〜R6は同一又は異なって、それぞれ水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、ヒドロキシル基、アルコキシル基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、アシル基、ニトロ基、シアノ基又はアミノ基を表し、nは1〜3の整数を表す。)で示される化合物からなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項5乃至請求項8のいずれか一項に記載された固体高分子型燃料電池用電解質。 The compound represented by the general formula (III) is represented by the following formulas (IVa) to (IVf):
(Wherein R3 to R6 are the same or different and each represents a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, a hydroxyl group, an alkoxyl group, a carboxyl group, an alkoxycarbonyl group, an acyl group, a nitro group, a cyano group or an amino group, The solid polymer according to any one of claims 5 to 8 , wherein n represents an integer of 1 to 3). Type fuel cell electrolyte.
(式中、Xは酸素原子又はヒドロキシル基を表す。R1〜R6は同一又は異なり、それぞれ水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アリール基、シクロアルキル基、ヒドロキシル基、アルコキシ基、カルボキシル基、置換オキシカルボニル基、アシル基又はアシルオキシ基を表す。また、R1〜R6のうち少なくとも二つが互いに結合して二重結合、又は芳香族性若しくは非芳香族性の環を形成してもよい。この環のうち少なくとも一つがN−置換環状イミド基を有していても良い。)で示される化合物であることを特徴とする請求項4に記載の固体高分子型燃料電池用電解質。 The compound represented by the general formula (II) is represented by the following general formula (V):
(In the formula, X represents an oxygen atom or a hydroxyl group. R1 to R6 are the same or different and each represents a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an aryl group, a cycloalkyl group, a hydroxyl group, an alkoxy group, a carboxyl group, a substituted oxy group) Represents a carbonyl group, an acyl group or an acyloxy group, and at least two of R1 to R6 may be bonded to each other to form a double bond or an aromatic or non-aromatic ring. 5. An electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 4 , wherein at least one of them may have an N-substituted cyclic imide group.
(式中、R7〜R12は同一又は異なって、水素原子、アルキル基、ヒドロキシル基、アルコキシル基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、アシル基、ニトロ基、シアノ基又はアミノ基を表す。)で示される化合物であることを特徴とする請求項11に記載の固体高分子型燃料電池用電解質。 The compound represented by the general formula (V) is represented by the following formula (VIa) or (VIb)
(Wherein R7 to R12 are the same or different and each represents a hydrogen atom, an alkyl group, a hydroxyl group, an alkoxyl group, a carboxyl group, an alkoxycarbonyl group, an acyl group, a nitro group, a cyano group, or an amino group). The electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 11 , which is a compound.
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