JP4977911B2 - Electrode catalyst powder for air electrode of hydrogen-air / solid polymer electrolyte type reversible cell, electrode-electrolyte membrane assembly (MEA) having air electrode and reversible cell using the same - Google Patents
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Description
本発明は、水素−空気/固体高分子電解質膜型の水電解・燃料電池可逆セル用の電極触媒の改良に関する。本発明はまた、その電極触媒を使用した空気極と、その空気極を構成部分とする電極−電解質膜接合体(MEA)に関し、さらに、このMEAに水素極を組み合わせた可逆セルにも関する。 The present invention relates to an improvement of an electrode catalyst for a hydrogen-air / solid polymer electrolyte membrane type water electrolysis / fuel cell reversible cell. The present invention also relates to an air electrode using the electrode catalyst, and an electrode-electrolyte membrane assembly (MEA) having the air electrode as a constituent part, and further relates to a reversible cell in which a hydrogen electrode is combined with the MEA.
近年、オンサイト型の発電システムとして燃料電池が注目されている。固体高分子型燃料電池は、世界的なエネルギー問題や環境問題に端を発し、この十年ほどの間、家庭用コージェネレーションシステムや自動車用電源として利用すべく、急速な技術開発が進められ、一部では自動車や家庭用発電装置として使用されはじめている。一方で、水素から電力を享受できる燃料電池と、電力から水素へのエネルギー変換が可能な水電解セルとをシステマティックに組み合わせた電力貯蔵装置は、いわば水素−酸素−を媒体とした燃料電池タイプの蓄電池であり、これを大規模な産業用設備または民生用設備として使用する提案も見られる。このような装置を適用すれば、深夜間電力を貯蔵して昼間に電力を取り出すという電力負荷の平準化や、風力、太陽光発電等の自然エネルギーによる電力の安定供給が可能になる。さらに、電気の供給または燃料補充といった、二つの方法で充電が可能な二次電池を構成することも可能である。 In recent years, fuel cells have attracted attention as on-site power generation systems. Solid polymer fuel cells originated from global energy problems and environmental problems, and for the past decade or so, rapid technological development has been promoted in order to use them as household cogeneration systems and automobile power supplies. Some are starting to be used as automobiles and household power generators. On the other hand, a power storage device that systematically combines a fuel cell that can receive power from hydrogen and a water electrolysis cell that can convert energy from power to hydrogen is a fuel cell type that uses hydrogen-oxygen as a medium. There is also a proposal to use a storage battery as a large-scale industrial facility or a consumer facility. By applying such a device, it becomes possible to level the power load by storing midnight power and taking out the power in the daytime, and to stably supply power by natural energy such as wind power and solar power generation. Further, it is possible to configure a secondary battery that can be charged by two methods such as electricity supply or fuel replenishment.
同じ固体高分子電解質型セルとして構成することができる燃料電池と水電解セルとは、セルの基本的な構造はほぼ同じであって、図1に示すように、1枚のMEA(Membrane Electrode Assembly電極−電解質膜接合体)、2枚のセパレ一タ/複極板、2枚の反応ガス拡散体をもって基本的なセル単位を構成し、それを積層して、最終的に2枚の給電板、2枚の絶縁板および2枚のエンドプレートを配置させスタックとすることにより、水電解セルの機能と燃料電池の機能をひとつのセルに統合し一体化した、固体高分子電解質型可逆セルを構成することが可能である。これを、「一体化再生可能型燃料電池(URFC)」ともいう。このような可逆セルを上記した燃料電池と水電解とを併用するシステムに適用すれば、一体化によるコスト低減、コンパクト化、高稼働率といった、実用性と汎用性にすぐれた機器となることが期待されている。 The basic structure of a fuel cell and a water electrolysis cell that can be configured as the same solid polymer electrolyte cell is almost the same. As shown in FIG. 1, one MEA (Membrane Electrode Assembly) Electrode-electrolyte membrane assembly) A basic cell unit is composed of two separator / bipolar plates and two reaction gas diffusers, which are stacked, and finally two power supply plates A solid polymer electrolyte reversible cell that integrates and integrates the functions of a water electrolysis cell and a fuel cell into a single cell by placing two insulating plates and two end plates into a stack. It is possible to configure. This is also referred to as an “integrated renewable fuel cell (URFC)”. If such a reversible cell is applied to a system that uses both the above fuel cell and water electrolysis, it can be a device with excellent practicality and versatility such as cost reduction, compactness, and high operating rate by integration. Expected.
燃料電池と水電解セルとの最大の違いは、電極反応が正反対であるという点にある。この様子を、図2に示した。図2において、各電極室の名称は、水電解時に酸素を発生するアノード側(燃料電池時のカソード)の極室を、酸素極室とし、水電解時に水素を発生するカソードがわ(燃料電池時のアノード)の極室を、水素極室として記した。 The biggest difference between a fuel cell and a water electrolysis cell is that the electrode reaction is the opposite. This is shown in FIG. In FIG. 2, the name of each electrode chamber is an anode chamber (cathode at the time of fuel cell) that generates oxygen during water electrolysis as an oxygen electrode chamber, and a cathode that generates hydrogen at the time of water electrolysis (fuel cell). The anode chamber of the hour) was marked as the hydrogen electrode chamber.
具体的な可逆セルの運転方法は、つぎのように実施する。燃料電池モードの運転時には、セル外部から水素極室内へ、加湿器により所定の温度と相対湿度を与えられた水素ガスを供給し、酸素極室内へも、加湿器により所定の温度と相対湿度とを与えられた酸素を供給して発電する。このときの水素極、酸素極上での電極反応は、つぎのとおりであり、
水素極上の反応:H2→2H++2e
酸素極上の反応:(1/2)O2+2H++2e−→H2O
反応中に、水素イオンは、電解質膜内を水素極側から酸素極側に向かって移動する。一方、水電解モードで運転したときの電極反応はつぎのとおりであって、
水素極上の反応:2H++2e→H2
酸素極上の反応:H2O→(1/2)O2+2H++2e−
セルの外部から酸素室内に水を供給しながら、直流を印加することによって水素と酸素とを発生させる。反応に伴い、水素イオンは電解質膜内を、酸素極室側から水素極室側に向かって移動する。
A specific method of operating the reversible cell is performed as follows. During operation in the fuel cell mode, hydrogen gas supplied with a predetermined temperature and relative humidity by a humidifier is supplied from the outside of the cell to the hydrogen electrode chamber, and the predetermined temperature and relative humidity are also supplied into the oxygen electrode chamber by the humidifier. Is supplied with oxygen to generate electricity. The electrode reaction on the hydrogen electrode and oxygen electrode at this time is as follows:
Reaction on the hydrogen electrode: H 2 → 2H + + 2e
Reaction at the top of oxygen: (1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O
During the reaction, hydrogen ions move in the electrolyte membrane from the hydrogen electrode side toward the oxygen electrode side. On the other hand, the electrode reaction when operated in the water electrolysis mode is as follows,
Reaction on the hydrogen electrode: 2H + + 2e → H 2
Reaction at the top of oxygen: H 2 O → (1/2) O 2 + 2H + + 2e −
Hydrogen and oxygen are generated by applying a direct current while supplying water into the oxygen chamber from the outside of the cell. Along with the reaction, hydrogen ions move in the electrolyte membrane from the oxygen electrode chamber side toward the hydrogen electrode chamber side.
このようなわけで、可逆セルを構成する各部材には、燃料電池、水電解双方の反応に最適であって、融通のきいた機能や、材料・材質特性を有することが必要である。技術的にとくにポイントとなるのは、酸素極側である。その理由としては、酸素極での電極反応には、燃料電池および水電解のいずれにおいても、酸素側の反応過電圧が高く、水素側に比べて電極反応が遅いこと、燃料電池モードの酸素還元反応に反応活性の高い触媒材料であるPtは、Ru、Rh、Pd、Ir、Ptといった工業電解用アノード触媒への適用性が高い白金族元素の中では、水電解時の酸素発生反応への活性が最も低い金属であることがまず挙げられる。 For this reason, each member constituting the reversible cell is required to have a versatile function and material / material characteristics that are optimal for reactions of both the fuel cell and water electrolysis. The technical point is the oxygen electrode side. The reason is that the electrode reaction at the oxygen electrode has a high reaction overvoltage on the oxygen side in both the fuel cell and water electrolysis, and the electrode reaction is slower than that on the hydrogen side, and the oxygen reduction reaction in the fuel cell mode. Pt, which is a catalyst material with high reaction activity, is an activity for oxygen generation reaction during water electrolysis among platinum group elements such as Ru, Rh, Pd, Ir, and Pt, which are highly applicable to anode catalysts for industrial electrolysis. Is the lowest metal.
これと並んで問題となるのは、電極面に、水電解モードでは液体である水を供給し、一方、燃料電池モードでは気体である酸素を積極的に供給してやる必要があるということである。一般に、燃料電池用の電極やガス拡散体には、下記の特許文献1〜3などで論じられているように、加湿されたガス中の水分や、前記反応式に従って酸素極上で生成する反応水が凝縮して、拡散層や電極触媒層内の酸素の供給経路が閉塞されるおそれがあるので、それを防止するために、撥水性材料であるグラファイト系の材料を電極触媒の担体や拡散層の基材として使用し、さらにそれらに撥水剤を添加または含浸させて撥水性を高め、凝縮水が除去されやすくした工夫がなされている。このような撥水剤の添加量については、たとえば特許文献4では、5〜30wt.%とすることが開示されている。 Along with this, the problem is that it is necessary to supply the electrode surface with water which is liquid in the water electrolysis mode, while actively supplying oxygen which is gas in the fuel cell mode. In general, as discussed in the following Patent Documents 1 to 3 and the like, the electrode for a fuel cell and the gas diffuser include moisture in a humidified gas and reaction water generated on the oxygen electrode according to the above reaction formula. In order to prevent this, the oxygen supply path in the diffusion layer or the electrode catalyst layer may be blocked, so in order to prevent this, a graphite-based material that is a water-repellent material is used as the electrode catalyst carrier or diffusion layer. In addition, a water repellent is added or impregnated to the base material to improve water repellency so that condensed water is easily removed. For example, Patent Document 4 discloses that the amount of the water repellent added is 5 to 30 wt.%.
しかしながら、可逆セルでは、撥水剤の添加量が多量にすぎれば、水電解モードにおいて、外部から電極面への水の供給が妨げられ、水電解性能が低下する。また、燃料電池に使用されるような、それ自体が撥水性を有するグラファイト系の材料を、水電解モードにおいては1.4Vvs.NHE以上のアノード耐性が求められる可逆セルの酸素極構成部材として使用することは、耐久性の面からみて、実質上不可能である。 However, in the reversible cell, if the amount of the water repellent added is too large, in the water electrolysis mode, the supply of water from the outside to the electrode surface is hindered and the water electrolysis performance deteriorates. In addition, graphite-based materials that themselves have water repellency, such as those used in fuel cells, are used as oxygen electrode components for reversible cells that require an anode resistance of 1.4 V vs. NHE or higher in the water electrolysis mode. This is practically impossible from the viewpoint of durability.
以上のように、固体高分子電解質型可逆セルを高性能化、実用化するにあたっては、水電解の反応と燃料電池の反応との両方に対して活性であって、かつ、バランスのとれた酸素極構成が求められる。この観点から、発明者らはこれまで、反対方向の電極反応を、同一の場所で高い効率をもって進めることを可能にする構成部材の開発を試みており、その成果として、下記特許文献5〜8および非特許文献1の技術を開発し、開示している。
発明者らの開発した技術で製作された可逆セルでは、たとえば特許文献8に記載したように、水電解と燃料電池との往復運転をした場合に、電流密度0.2〜0.6A/cm2で運転したときに、57.1〜44.2%という往復運転効率が得られている。燃料電池の出力電圧としては、電流密度0.4〜0.6A/cm2において0.786〜0.730Vが得られており、高効率である。水電解性能としても、電流密度1A/cm2において1.600〜1.715Vの電解電圧で水電解が可能であり、もっぱら水電解を行なうセルに比しても、遜色のない性能を有するセルが実現している。非特許文献1に開示したURFCは、電極をペースト法により製作したものであって、白金黒とPTFEおよびナフィオンとからなる酸素極の電極触媒において、5〜7重量%のPTFEおよび7〜9重量%のナフィオンを含み、さらに約10原子%のイリジウムを添加したものが、水電解および燃料電池の両方のモードにおいて高性能を示した。 In the reversible cell manufactured by the technology developed by the inventors, for example, as described in Patent Document 8, when a reciprocating operation between water electrolysis and a fuel cell is performed, the current density is 0.2 to 0.6 A / cm. When operated at 2 , the reciprocating operation efficiency of 57.1-44.2% is obtained. As the output voltage of the fuel cell, 0.786 to 0.730 V is obtained at a current density of 0.4 to 0.6 A / cm 2 , which is highly efficient. As for water electrolysis performance, water electrolysis can be performed at an electrolysis voltage of 1.600 to 1.715 V at a current density of 1 A / cm 2 , and the cell has performance comparable to that of a cell that exclusively performs water electrolysis. Is realized. The URFC disclosed in Non-Patent Document 1 is an electrode manufactured by a paste method, and in an oxygen electrode electrocatalyst composed of platinum black, PTFE and Nafion, 5 to 7 wt% PTFE and 7 to 9 wt%. % Nafion plus about 10 atomic% iridium showed high performance in both water electrolysis and fuel cell modes.
ところで、上記の往復効率、燃料電池性能は、可逆セルの燃料電池運転を、酸素極室に供給する反応ガス(酸化剤であり、そのように呼ばれることもある)として、純酸素を使用した場合の結果である。可逆セルでは、水電解時に水素と酸素を同時に発生することから、両方のガスを高圧ボンベに蓄えたり、水素吸蔵合金に吸蔵させておいたりして、発電時に利用することが可能である。一方で、スペースが限られるような場所で可逆セルを利用するには、水電解で発生する水素ガスだけを貯蔵し、酸素ガスは貯蔵を断念して、燃料電池には大気中に存在する空気中の酸素を利用する方が有利である。空気中の酸素を利用できれば、可逆セルの汎用性が大きくなり、広汎に利用されることが期待される。貯蔵装置を省略することで、装置が小型化でき、モバイル用の水素・酸素二次電池の実現も可能となる。 By the way, the above-mentioned reciprocal efficiency and fuel cell performance are obtained when pure oxygen is used as a reaction gas (which is an oxidant and sometimes referred to as such) for supplying a fuel cell operation of a reversible cell to an oxygen electrode chamber. Is the result of In the reversible cell, hydrogen and oxygen are generated simultaneously during water electrolysis, so both gases can be stored in a high-pressure cylinder or stored in a hydrogen storage alloy and used during power generation. On the other hand, in order to use a reversible cell in a place where space is limited, only hydrogen gas generated by water electrolysis is stored, oxygen gas is abandoned, and the fuel cell has air present in the atmosphere. It is advantageous to use oxygen in the inside. If oxygen in the air can be used, the versatility of the reversible cell will increase and it is expected to be widely used. By omitting the storage device, the device can be miniaturized and a mobile hydrogen / oxygen secondary battery can be realized.
しかしながら、図3に示すように、従来技術による可逆セルでは、酸化剤として純酸素でなく空気中の酸素を利用した場合に、特性が大幅に低下し、運転が不安定になるという問題があった。この要因としては、もともと燃料電池反応の過電圧のほとんどが酸素極での酸素還元反応にあること、また空気中の酸素の濃度は約20%と薄く、電極/電解質界面への反応ガスの供給が遅くなることが考えられる。 However, as shown in FIG. 3, in the reversible cell according to the prior art, when oxygen in the air is used as the oxidant instead of pure oxygen, there is a problem that the characteristics are greatly deteriorated and the operation becomes unstable. It was. This is because most of the overvoltage of the fuel cell reaction is originally in the oxygen reduction reaction at the oxygen electrode, and the concentration of oxygen in the air is as thin as about 20%, and the supply of the reaction gas to the electrode / electrolyte interface is It can be slow.
酸化剤を純酸素とした場合、電極上で酸素ガスが消費され、反応生成物が水しかないため、電極面に垂直な方向のガス供給は、濃度拡散によって自然に促進される環境にある。ところが、酸化剤を空気中の酸素とした場合、電極面上で酸素が消費されるものの、反応に関与しないN2ガスが大量に残留するため、濃度拡散によるガス供給効果が小さくなる。 When pure oxygen is used as the oxidant, oxygen gas is consumed on the electrode, and the reaction product is only water. Therefore, gas supply in a direction perpendicular to the electrode surface is naturally promoted by concentration diffusion. However, when oxygen in the air is used as the oxidizing agent, oxygen is consumed on the electrode surface, but a large amount of N 2 gas that does not participate in the reaction remains, so that the gas supply effect due to concentration diffusion is reduced.
空気中の酸素を利用する場合には、上述のように現象面で相違が生じるため、純酸素を使用するときには使用可能であったセル構成部品が、そのまま使用できるとは限らなくなることがよくある。その場合には、空気運転に適した、セルの構成部品を開発する必要がある。 When using oxygen in the air, there is a difference in phenomenon as described above, and therefore, cell components that were usable when using pure oxygen are not always usable as they are. . In that case, it is necessary to develop cell components suitable for air operation.
本発明の目的は、上述した必要に応え、空気運転に適した固体高分子型可逆セルとその構成部品を提供することにある。具体的にいえば、第一の目的は、酸化剤として空気中の酸素を利用する固体高分子電解質型可逆セルに適した電極触媒粉末を提供することにある。第二の目的は、その電極触媒粉末を使用した空気極用混合触媒を提供することであり、第三の目的は、その空気極用混合触媒を使用した固体高分子型可逆セル用の電極−電解質膜接合体(以下、「MEA」と略称する)を提供することであり、第四の目的は、このMEAを構成部品として組み立てた水素−空気/固体高分子電解質型可逆セルを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a solid polymer type reversible cell suitable for air operation and its components in response to the above-described needs. Specifically, a first object is to provide an electrode catalyst powder suitable for a solid polymer electrolyte type reversible cell using oxygen in the air as an oxidizing agent. The second object is to provide an air electrode mixed catalyst using the electrode catalyst powder, and the third object is an electrode for a solid polymer type reversible cell using the air electrode mixed catalyst. An electrolyte membrane assembly (hereinafter abbreviated as “MEA”) is provided. A fourth object is to provide a hydrogen-air / solid polymer electrolyte type reversible cell in which this MEA is assembled as a component. It is in.
本発明の第一の目的を達成する電極触媒粉末は、白金黒とポリテトラフルオロエチレン(PTFE)とからなる水素−空気/固体高分子電解質型可逆セル用の電極触媒であって、その混合体中のPTFE含有量を6.9〜8.0重量%の範囲内としたことを特徴とする。 An electrode catalyst powder for achieving the first object of the present invention is an electrode catalyst for a hydrogen-air / solid polymer electrolyte type reversible cell composed of platinum black and polytetrafluoroethylene (PTFE), and a mixture thereof. The PTFE content therein is in the range of 6.9 to 8.0% by weight.
本発明の第二の目的を達成する空気極用混合触媒は、上記の電極触媒粉末とイリジウムまたはその酸化物の粉末とを、金属の重量割合にして、Pt:Ir=80〜90:20〜10となるように混合してなる水素−空気固体高分子型可逆セルの空気極用混合触媒である。 A mixed catalyst for an air electrode that achieves the second object of the present invention is the above-mentioned electrode catalyst powder and iridium or its oxide powder in a metal weight ratio, Pt: Ir = 80-90: 20- 10 is a mixed catalyst for an air electrode of a hydrogen-air solid polymer type reversible cell obtained by mixing so as to be 10.
本発明の第三の目的を達成するMEAは、上記の混合触媒を用いてなる空気極を有する固体高分子電解質型可逆セル用のMEA。 An MEA that achieves the third object of the present invention is an MEA for a solid polymer electrolyte type reversible cell having an air electrode using the above mixed catalyst.
本発明の第四の目的を達成する水電解・燃料電池可逆セルは、上記のMEAを構成部分とする可逆セルである。 A water electrolysis / fuel cell reversible cell that achieves the fourth object of the present invention is a reversible cell comprising the MEA as a constituent part.
本発明に従う固体高分子電解質型水電解・燃料電池可逆セルは、酸素極における酸化剤として、純酸素に代えて空気中の酸素を利用して燃料電池を運転することができ、従来の純酸素を用いる同種の可逆セルにくらべて、発電性能が7.0〜9.3%向上する。この性能は、安定的に得られる。一方、水電解性能には、実質上低下しない。その結果、水電解−燃料電池の往復効率は、5.7〜7.2%向上する。酸化剤として酸素ガスを使用して燃料電池の運転ができることは、いうまでもない。 The solid polymer electrolyte type water electrolysis / fuel cell reversible cell according to the present invention can operate a fuel cell using oxygen in the air instead of pure oxygen as an oxidant in the oxygen electrode. The power generation performance is improved by 7.0 to 9.3% compared to the same type of reversible cell using. This performance can be obtained stably. On the other hand, the water electrolysis performance is not substantially lowered. As a result, the reciprocal efficiency of the water electrolysis-fuel cell is improved by 5.7 to 7.2%. Needless to say, the fuel cell can be operated using oxygen gas as the oxidant.
このような効果に伴い、可逆セルとして、酸素ガスの貯蔵設備を備える必要がないから、装置全体を、小型かつ軽量に構成することができる。この効果は、水素−空気/固体高分子電解質型水電解・燃料電池可逆セルを、従来よりも小さいスペースで構成すること、および、場合によっては可搬式に構成することを可能にし、この種の可逆セルの汎用性を高度なものにする。 With such an effect, it is not necessary to provide an oxygen gas storage facility as a reversible cell, so that the entire apparatus can be configured to be small and light. This effect makes it possible to construct a hydrogen-air / solid polymer electrolyte water electrolysis / fuel cell reversible cell in a smaller space than in the past and, in some cases, to be portable. Make reversible cells versatile.
本発明に従って触媒粉末を製造し、それを使用して電極とし、MEAを構成して最終的に可逆セルを組み立てるまでの製造工程は、下記のとおりである。 The manufacturing process from producing a catalyst powder according to the present invention, using it as an electrode, constructing the MEA, and finally assembling the reversible cell is as follows.
第一の工程は、白金黒とPTFEとの混合体を製造する工程であり、第二の工程は、得られた混合体と固体高分子電解質粒子とからなる、空気極触媒層を形成する工程である。第三の工程は、形成した空気極触媒層と電解質膜とを、対極である水素極と電解質膜とともに、ホットプレスにより接合した接合体すなわちMEAを製作する工程であり、第四の工程は、製作したMEAを、拡散体(集電/給電体)、セパレ一タおよびエンドプレートと積層して、ボルトで締結して可逆セルを組み立てる最終的な工程である。 The first step is a step of producing a mixture of platinum black and PTFE, and the second step is a step of forming an air electrode catalyst layer comprising the obtained mixture and solid polymer electrolyte particles. It is. The third step is a step of manufacturing a joined body, that is, MEA, in which the formed air electrode catalyst layer and the electrolyte membrane are joined together with the hydrogen electrode and the electrolyte membrane as counter electrodes by hot pressing, and the fourth step is This is the final process of assembling the reversible cell by laminating the manufactured MEA with a diffuser (current collector / feeder), a separator and an end plate, and fastening them with bolts.
本発明において、白金黒に添加する撥水剤であるPTFEの量を6.9〜8.0wt.%の範囲とした理由は、従来の触媒に添加していた代表的な量である6.7wt.%よりもPTFEを増量し、上記の範囲としたときに、酸化剤として空気中の酸素を利用した場合の燃料電池性能が、著しく向上したことにある。一方、上限を8.0wt.%に定めた理由は、これを超えてPTFEを添加すると、燃料電池性能は従来の触媒よりも高い水準を示すが、水電解時の電解電圧が上昇する傾向が見られ、それに伴って、可逆セルの性能として重要な往復効率が低下するからである。PTFEの添加量を、上記した6.9〜8.0wt.%の範囲内にすれば、水電解および空気を利用した燃料電池発電を高い効率で実施できる可逆セルが実現する。この範囲内で最も高い効率が得られるのは、PTFEの添加量を7.0wt.%前後にしたときである。 In the present invention, the reason why the amount of PTFE, which is a water repellent added to platinum black, is in the range of 6.9 to 8.0 wt.% Is the typical amount added to the conventional catalyst. When the amount of PTFE is increased from 7 wt.% To the above range, the fuel cell performance when oxygen in the air is used as the oxidant is remarkably improved. On the other hand, the reason for setting the upper limit to 8.0 wt.% Is that when PTFE is added beyond this, the fuel cell performance is higher than that of the conventional catalyst, but the electrolysis voltage during water electrolysis tends to increase. This is because the round-trip efficiency, which is important as the performance of the reversible cell, decreases. If the amount of PTFE added is in the above-mentioned range of 6.9 to 8.0 wt.%, A reversible cell capable of performing fuel cell power generation using water electrolysis and air with high efficiency is realized. The highest efficiency within this range is obtained when the amount of PTFE added is around 7.0 wt.
PTFEとしては、市販の高分子量のパーフルオロ系化合物を含有する、メタル含浸および金属コーティングが可能なものを用いる。具体的には、PTFE分散液(ダイキン工業製)などが好適に使用できる。白金黒は、従来から固体高分子電解質型燃料電池に使用されている白金触媒と同様な日金黒を用いればよい。その比表面積は広いほうが好ましいが、BET法で測定した表面積が10m2/g以上あれば、使用可能である。 PTFE containing a commercially available high molecular weight perfluoro compound capable of metal impregnation and metal coating is used. Specifically, a PTFE dispersion (manufactured by Daikin Industries) can be suitably used. As the platinum black, the same gold black as that of the platinum catalyst conventionally used in the solid polymer electrolyte fuel cell may be used. The specific surface area is preferably wide, but if the surface area measured by the BET method is 10 m 2 / g or more, it can be used.
白金黒に、PTFE分散液による撥水処理を施すには、前掲の特許文献1に開示された方法などが適用できる。具体的には、市販の白金黒を、ポリエーテル系界面活性剤を純水に分散させた溶液と混合し、そこへPTFE分散液を所定量配合する。配合量の調節により、白金黒とPTFEとの混合体中のPTFE含有量が上記の範囲内で、所望の値になるようにする。その後、撹拌しながら、45〜100℃に加温して、上澄み液が透明となるまで保持すれば、白金黒−PTFEの混合物からなる凝集沈殿が得られる。 In order to perform the water repellent treatment with PTFE dispersion on platinum black, the method disclosed in the above-mentioned Patent Document 1 can be applied. Specifically, commercially available platinum black is mixed with a solution in which a polyether surfactant is dispersed in pure water, and a predetermined amount of PTFE dispersion is blended therein. By adjusting the blending amount, the PTFE content in the mixture of platinum black and PTFE is set to a desired value within the above range. Then, if it heats to 45-100 degreeC, stirring and hold | maintains until a supernatant liquid becomes transparent, the aggregation precipitation which consists of a mixture of platinum black-PTFE will be obtained.
得られた凝集沈殿物は、脱水し乾燥して、焼成処理をする。焼成は、PTFEの融点である327℃以上の温度で行なえばよいが、通常、360℃程度が適切である。この温度に1時間以上保持すれば、白金黒−PTFE混合体に撥水性が発現し、可逆セルの空気極に使用できる触媒材料が得られる。この焼成処理は、撥水化処理において付着した界面活性剤などの有機物を、熱分解により除去する操作も兼ねるため、雰囲気は、真空下または不活性ガス流通下が好ましい。得られた焼成物を、既知の粉砕技術に従って微粉化することにより、本発明の電極触媒粉末が得られる。 The obtained agglomerated precipitate is dehydrated, dried, and fired. Firing may be performed at a temperature of 327 ° C. or higher, which is the melting point of PTFE, but usually about 360 ° C. is appropriate. If this temperature is maintained for 1 hour or longer, the platinum black-PTFE mixture exhibits water repellency, and a catalyst material that can be used for the air electrode of the reversible cell is obtained. Since this baking treatment also serves to remove organic substances such as surfactants adhered in the water repellency treatment by thermal decomposition, the atmosphere is preferably under vacuum or under inert gas flow. The obtained fired product is pulverized according to a known pulverization technique to obtain the electrode catalyst powder of the present invention.
本発明の空気極触媒層を形成するには、まず、上記の工程で得た電極触媒用粉末に、イリジウム黒または酸化イリジウムの粒子を、金属の重量割合として、Pt:Ir=80〜90:20〜10となるように混合して混合触媒をつくる。イリジウム黒や酸化イリジウムも、市場で入手可能なものを用いればよい。Pt:Irの混合割合は、85:15の近傍で、最も高い効率が得られる。つぎに、この混合触媒と固体高分子電解質の粒子とを混合することにより、空気極触媒層を形成する。固体高分子電解質との混合は、イオン交換密度が900〜1200であるパーフルオロスルフォン酸系の固体高分子電解質のアイオノマー含有溶液を用いて行なうことができる。このような溶液としては、たとえば、市場で入手が容易な5wt.%ナフィオン溶液などが、好適に使用できる。(「ナフィオン」はデュポン社の商標) In order to form the air electrode catalyst layer of the present invention, first, iridium black or iridium oxide particles are added to the electrode catalyst powder obtained in the above step as a metal weight ratio, and Pt: Ir = 80 to 90: A mixed catalyst is prepared by mixing so as to be 20 to 10. As iridium black and iridium oxide, those available on the market may be used. The highest efficiency is obtained when the mixing ratio of Pt: Ir is in the vicinity of 85:15. Next, an air electrode catalyst layer is formed by mixing the mixed catalyst and solid polymer electrolyte particles. Mixing with the solid polymer electrolyte can be performed using an ionomer-containing solution of a perfluorosulfonic acid-based solid polymer electrolyte having an ion exchange density of 900 to 1200. As such a solution, for example, a 5 wt.% Nafion solution that is easily available in the market can be suitably used. ("Nafion" is a trademark of DuPont)
空気極触媒層の形成は、混合触媒をナフィオン溶液に加えて触媒スラリーを用意し、このスラリーをフッ素樹脂製の基材上に、ドクターブレード法、スクリーン印刷、刷毛塗り、スプレー噴霧法などの既知の手法で塗布し、乾燥することによって行なうことができる。固体高分子電解質膜は、イオン交換容量が900〜1200であるパーフルオロスルフォン酸系のプロトン型の電解質膜が好ましく、代表的な上記の「ナフィオン」が最も好ましいが、「フレミオン」や「アシプレックス」で代用することもできる。そのほか、上記イオン交換密度を有する任意のカチオン伝導性イオン交換膜も、使用可能である。近年、フッ素系(パーフルオロスルフォン酸系)膜以外の膜も開発されており、触媒層側の電解質膜がナフィオンで、電解質膜が非パーフルオロスルフォン酸系膜(たとえば、安価な炭化水素膜)でも、ホットプレスによる接合が可能であれば、水電解に使用可能であることが確認された。 For formation of the air electrode catalyst layer, a catalyst slurry is prepared by adding a mixed catalyst to a Nafion solution, and this slurry is applied to a fluororesin substrate such as doctor blade method, screen printing, brush coating, spray spraying method, etc. It can carry out by apply | coating by the method of and drying. The solid polymer electrolyte membrane is preferably a perfluorosulfonic acid-based proton type electrolyte membrane having an ion exchange capacity of 900 to 1200, and the above-mentioned “Nafion” is most preferable, but “Flemion” or “Aciplex” Can be substituted. In addition, any cation conductive ion exchange membrane having the above ion exchange density can be used. In recent years, membranes other than fluorine (perfluorosulfonic acid) membranes have also been developed. The electrolyte membrane on the catalyst layer side is Nafion and the electrolyte membrane is a non-perfluorosulfonic acid membrane (for example, an inexpensive hydrocarbon membrane). However, if bonding by hot pressing is possible, it was confirmed that it can be used for water electrolysis.
空気極触媒層の形成において使用するナフィオン溶液の量は、そのまま触媒層の電解質粒子の含有量となる。その量は、白金黒と電解質粒子との重量比で、Pt:電解質=90〜95:10〜5となるようにすればよい。もっとも好ましい重量比は、Pt:電解質=92.7:7.3付近である。 The amount of Nafion solution used in forming the air electrode catalyst layer is the content of the electrolyte particles in the catalyst layer as it is. The amount may be Pt: electrolyte = 90 to 95:10 to 5 by weight ratio of platinum black and electrolyte particles. The most preferable weight ratio is around Pt: electrolyte = 92.7: 7.3.
本発明の固体高分子電解質型可逆セルは、水電解と燃料電池の反応とを同一セル内で行なう装置であるから、電極は固体高分子電解質膜の両側に、酸素極(空気極)と水素極それぞれの、ガス拡散電極を配置した構造である。この可逆セルは、燃料電池の空気極としては、上述の触媒を備えたガス拡散電極を有し、水素極としては、電極触媒として白金黒を備えた既知の構造のガス拡散電極を有していればよい。この水素極の製作も、上述した空気極の製造方法に従って実施すればよい。触媒が、水素を酸化して水を生成する反応と、水を還元して水素を発生させる反応の両方にとって活性の高い白金であること、および、水素極側では、燃料電池であるか水電解であるかを問わずカーボン質の材料の使用が可能であることから、通常の水素−酸素型の燃料電池用に使用できる水素極であれば、本発明の可逆セルにおける対極である、水素極として利用することができる。 Since the solid polymer electrolyte type reversible cell of the present invention is a device that performs water electrolysis and fuel cell reaction in the same cell, the electrodes are provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane with an oxygen electrode (air electrode) and a hydrogen electrode. Each of the poles has a structure in which gas diffusion electrodes are arranged. This reversible cell has a gas diffusion electrode having the above-mentioned catalyst as an air electrode of a fuel cell, and a gas diffusion electrode having a known structure having platinum black as an electrode catalyst as a hydrogen electrode. Just do it. The production of the hydrogen electrode may be performed according to the above-described method for producing the air electrode. The catalyst is platinum that is highly active for both the reaction of oxidizing water to generate water and the reaction of reducing water to generate hydrogen, and on the hydrogen electrode side, it is a fuel cell or water electrolysis The carbon electrode can be used regardless of whether it is a hydrogen electrode that can be used for a normal hydrogen-oxygen type fuel cell, and is a counter electrode in the reversible cell of the present invention. Can be used as
混合触媒と固体高分子電解質との混合、およびそれに続く触媒層の形成は、直接に電極触媒自体の撥水性に影響するものではないので、最終的に電極触媒、イリジウムまたは酸化イリジウム、電解質が所定の量的割合に調整された触媒層が形成されていれば、本発明の効果を得ることができる。たとえば、混合触媒と電解質とを所定の量で混合し、いったん100〜230℃の温度で乾燥および加熱処理をしたものをあらかじめ用意しておき、必要が生じたときに粉砕処理して粉末とし、この粉末を有機溶媒などによってスラリー化し、得られたスラリーを基材上に塗布して触媒層を得るという製造工程によっても、同じ効果が得られる。 The mixing of the mixed catalyst with the solid polymer electrolyte and the subsequent formation of the catalyst layer do not directly affect the water repellency of the electrode catalyst itself, so that the electrode catalyst, iridium or iridium oxide, and the electrolyte are finally predetermined. If the catalyst layer adjusted to the quantitative ratio is formed, the effect of the present invention can be obtained. For example, a mixed catalyst and an electrolyte are mixed in a predetermined amount, prepared in advance by drying and heat treatment at a temperature of 100 to 230 ° C., and pulverized into powder when necessary, The same effect can be obtained by a manufacturing process in which this powder is slurried with an organic solvent and the like, and the resulting slurry is applied onto a substrate to obtain a catalyst layer.
上記の触媒スラリーを塗布する基材としては、次工程のホットプレス処理における接合環境、すなわち温度50〜130kg/cm2、圧力100〜240℃の条件下における耐性と熱電導性、およびスラリーの形成に使用した有機溶剤に対して撥水性を示さない材料であれば、どのようなものでも使用できる。これは、ホットプレス処理に際して、基材が破損すれば電極上に触媒層が欠損した箇所を生じること、断熱性が高いと接合面の温度上昇が遅く処理時間が長くなること、使用する有機溶剤に対して撥水性を示す場合には、均一な触媒層の形成が不可能となることがその理由である。前記のように、ナフィオン溶液を直接スラリーの溶媒とする場合には、厚さ50〜200μmのPTFEシート(日東電工製など)その他のフッ素樹脂製のシートが、入手用意で好都合である。 As the base material to which the catalyst slurry is applied, the bonding environment in the hot pressing process in the next step, that is, the resistance and thermal conductivity under the conditions of a temperature of 50 to 130 kg / cm 2 and a pressure of 100 to 240 ° C., and formation of the slurry Any material can be used as long as it does not exhibit water repellency to the organic solvent used. This is because when the base material is damaged during hot press treatment, a portion where the catalyst layer is lost on the electrode is generated. If the heat insulation is high, the temperature rise of the joint surface is slow and the treatment time is long. The reason for this is that it is impossible to form a uniform catalyst layer. As described above, when the Nafion solution is directly used as the solvent for the slurry, a PTFE sheet having a thickness of 50 to 200 μm (manufactured by Nitto Denko, etc.) and other fluororesin sheets are readily available.
周知のガス拡散電極のように、カーボンペーパーや金属不織布、発泡金属、マイクロメッシュのような多孔性材料をガス拡散体(集電体/給電体)として用い、このガス拡散体上に触媒層を形成させて電極を得るような場合にも、前述した手法によって触媒層を形成させることができ、形成された触媒層の性能は異ならないので、本発明と同様の効果が得られる。その場合に使用する空気極の基材つまり拡散体としては、前掲の特許文献6や7に開示した拡散体を適用するほうが、より高性能な電極を与えることになる。 Like a known gas diffusion electrode, a porous material such as carbon paper, metal nonwoven fabric, foam metal, or micromesh is used as a gas diffuser (current collector / feeder), and a catalyst layer is formed on the gas diffuser. Even when the electrode is obtained by forming the catalyst layer, the catalyst layer can be formed by the above-described method, and the performance of the formed catalyst layer is not different, so that the same effect as the present invention can be obtained. In that case, as the base material of the air electrode, that is, the diffuser, the use of the diffuser disclosed in the above-mentioned Patent Documents 6 and 7 gives a higher performance electrode.
本発明のMEAは、上述のようにして得られた空気極触媒層や電極を、これも前述した水素極触媒層や電極と、プロトン型の固体高分子膜の両面に配置して、ホットプレス法により接合することによって得ることができる。ホットプレスの接合条件にはとくに制限はなく、一般的なホットプレス条件である、温度120〜220℃、圧力5〜130kg/cm2の条件下で5分間加熱加圧処理を行なえばよい。 In the MEA of the present invention, the air electrode catalyst layer and the electrode obtained as described above are arranged on both sides of the hydrogen electrode catalyst layer and electrode and the proton type solid polymer membrane described above, It can be obtained by joining by the method. There is no particular limitation on the hot press joining conditions, and the heat press treatment may be performed for 5 minutes under the general hot press conditions of a temperature of 120 to 220 ° C. and a pressure of 5 to 130 kg / cm 2 .
上述した方法で製造したMEAは、外気からの粉塵等による汚染が懸念されるため、使用に当たって、希硫酸などで洗浄処理をすることが望ましい。洗浄操作後は、十分に新鮮な、たとえば導電率2μS/cmの純水中に保管し、外気に触れないよう密閉して保存することが望ましい。 Since the MEA manufactured by the above-described method is liable to be contaminated by dust from the outside air, it is desirable to wash it with dilute sulfuric acid before use. After the washing operation, it is desirable to store it in sufficiently fresh, for example, pure water having a conductivity of 2 μS / cm, and store it in a sealed state so as not to be exposed to the outside air.
純水200mLにエーテル系界面活性剤ポリオキシエチレン・オクチルフェニル・エーテルを1.6g加え、5分間撹拌した後、白金黒20gを加えて10分間撹拌し、さらに超音波発生器を用いて白金黒を分散させた。 Add 1.6 g of ether surfactant polyoxyethylene octylphenyl ether to 200 mL of pure water, stir for 5 minutes, add 20 g of platinum black, stir for 10 minutes, and then use an ultrasonic generator to remove platinum black. Was dispersed.
この白金黒分散液に、PTFE分散溶液(ダイキン工業製)を、Ptに対して6.7、7.0、7.5、8.0wt.%(2.4、2.5、2.7、3.3g)になるように加え、45〜100℃に保持して撹拌して、白金黒とPTFEとの凝集沈殿を得た。これを脱水して電気炉に入れ、真空下、360℃の条件で1時間焼成した。焼成物は220メッシュ(目開き75μm)のフルイを通過する粒径になるまでカッターミルで粉砕して、電極触媒粉末を得た。 To this platinum black dispersion, PTFE dispersion (manufactured by Daikin Industries) was added to 6.7, 7.0, 7.5, 8.0 wt.% (2.4, 2.5, 2.7) with respect to Pt. 3.3 g), and the mixture was kept at 45 to 100 ° C. and stirred to obtain an aggregated precipitate of platinum black and PTFE. This was dehydrated and placed in an electric furnace and baked under vacuum at 360 ° C. for 1 hour. The fired product was pulverized with a cutter mill until the particle diameter passed through a 220 mesh (aperture 75 μm) sieve to obtain an electrode catalyst powder.
上述の方法で用意した電極触媒粉末とイリジウム黒とを、金属重量比で、Pt:Ir=85:15となるように混合し、これにナフィオン5%溶液(イオン交換密度1100)を、白金(金属)に対し7.3wt.%となるように、窒素雰囲気下で混合した。混合物を5分間撹拌し、超音波を当て、触媒粉末とナフィオンとを、微細かつ均一に混合した触媒スラリーを製造した。このスラリーを、厚さ50μmのフッ素樹脂製シート上に、ドクターブレードにより展開し、空気極触媒層を形成した。 The electrode catalyst powder prepared by the above-mentioned method and iridium black are mixed so that the metal weight ratio is Pt: Ir = 85: 15, and a Nafion 5% solution (ion exchange density 1100) is mixed with platinum ( The mixture was mixed in a nitrogen atmosphere so as to be 7.3 wt. The mixture was stirred for 5 minutes and sonicated to produce a catalyst slurry in which catalyst powder and Nafion were mixed finely and uniformly. This slurry was spread on a fluororesin sheet having a thickness of 50 μm with a doctor blade to form an air electrode catalyst layer.
水素極触媒層を、上記と同じ方法で、フッ素樹脂シート上に形成した。上記電極触媒のうちPTFEを6.7wt.%含有するものだけを用い、白金とナフィオン混合物中のナフィオン含有量が7.3wt.%となるようにした。(水素極触媒には、イリジウム黒の混合は必要ない。) The hydrogen electrode catalyst layer was formed on the fluororesin sheet by the same method as described above. Of the above electrode catalysts, only those containing 6.7 wt.% Of PTFE were used so that the Nafion content in the platinum and Nafion mixture was 7.3 wt.%. (The iridium black mixture is not necessary for the hydrogen electrode catalyst.)
カチオン性イオン交換樹脂であるナフィオン115のシートの、一方の側にフッ素樹脂上に形成させた空気極触媒層を、もう一方の側に水素極触媒層を配置し、ホットプレス機にセットして、温度140℃、圧力90kg/cm2で5分間、加熱加圧処理をして、可逆セル用MEAを製作した。このMEAの有効電極面積は、10cm2である。 Place the air electrode catalyst layer formed on the fluororesin on one side of the sheet of Nafion 115, which is a cationic ion exchange resin, and the hydrogen electrode catalyst layer on the other side. An MEA for a reversible cell was manufactured by heating and pressing at a temperature of 140 ° C. and a pressure of 90 kg / cm 2 for 5 minutes. The effective electrode area of this MEA is 10 cm 2 .
製作したMEAは、85℃の純水100mL中に1時間置く水熱処理をしたのち、80℃の1M−H2SO4溶液に浸して、不純物イオンの除去を行なった。その後、MEAを、80℃の純水で水熱処理して残留する硫酸を除去し、さらに常温の純水で、洗浄水の導電率が2μS/m以下になるまで洗浄して、硫酸が完全に除去されたことを確認してから、セル内に組み込んだ。 The manufactured MEA was hydrothermally treated in 100 mL of pure water at 85 ° C. for 1 hour, and then immersed in a 1M-H 2 SO 4 solution at 80 ° C. to remove impurity ions. Thereafter, the MEA is hydrothermally treated with pure water at 80 ° C. to remove the remaining sulfuric acid, and further washed with pure water at room temperature until the conductivity of the washing water becomes 2 μS / m or less. After confirming that it was removed, it was incorporated into the cell.
上記のようにして製作した数種のMEAを用い、同一仕様の水素極拡散体および酸素極拡散体とともに可逆セルを組み立て、燃料電池および水電解装置として作動させた。それらの可逆セルの燃料電池性能を、
水素流量:100ml/分
酸素流量:100ml/分(空気の場合は500ml/分)
相対湿度:99〜100%
セル温度80℃
の条件で運転し、評価した。水電解性能も、同様に80℃で運転し、その運転条件下における、電流−電圧特性を測定して評価した。
Using several types of MEAs produced as described above, a reversible cell was assembled together with a hydrogen electrode diffuser and an oxygen electrode diffuser of the same specification, and operated as a fuel cell and a water electrolysis device. The fuel cell performance of those reversible cells
Hydrogen flow rate: 100 ml / min Oxygen flow rate: 100 ml / min (500 ml / min for air)
Relative humidity: 99-100%
Cell temperature 80 ° C
The vehicle was operated and evaluated under the following conditions. The water electrolysis performance was similarly evaluated by operating at 80 ° C. and measuring the current-voltage characteristics under the operating conditions.
効率は、下記の式により算出した。
燃料電池発電効率:εFC=△G/△H=nFEFC/△H0 353
水電解効率: εWE=△H0 353/△G=△H0 353/nFEWE
往復変換効率: εTOTAL=εFC×εWE=EFC/EWE
ここで、F:ファラデー定数(C)、△H0 353:284.038kJ/mol、n=2
The efficiency was calculated by the following formula.
Fuel cell power generation efficiency: εFC = ΔG / ΔH = nFE FC / ΔH 0 353
Water electrolysis efficiency: εWE = △ H 0 353 / △ G = △ H 0 353 / nFE WE
Round-trip conversion efficiency: εTOTAL = εFC × εWE = E FC / E WE
Here, F: Faraday constant (C), ΔH 0 353 : 284.038 kJ / mol, n = 2
種々のPTFE添加量の電極触媒を使用した空気(酸素)極をそなえた可逆セルについて、酸素使用時の燃料電池電圧特性値を表1に、空気使用時の燃料電池電圧特性値を表2に示す。水電解運転特性を、表3に示す。また、燃料電池を空気で運転した場合の、水電解−燃料電池の往復変換効率を、表4に示す。表4のデータを、純酸素で運転した場合と対比してグラフにしたものが、図4である。 Table 1 shows fuel cell voltage characteristic values when oxygen is used and Table 2 shows fuel cell voltage characteristic values when air is used for reversible cells equipped with air (oxygen) electrodes using electrode catalysts with various amounts of PTFE added. Show. Table 3 shows the water electrolysis operation characteristics. Table 4 shows the reciprocal conversion efficiency of the water electrolysis-fuel cell when the fuel cell is operated with air. FIG. 4 is a graph showing the data in Table 4 in comparison with the case of operating with pure oxygen.
表1〜4に示した結果、および図2と図4との対比から、組み立てた燃料電池の発電性能に関して、つぎのことがわかる。
(1)純酸素を使用した場合には、電極触媒粉末中のPTFEの含有量が6.7〜8.0wt.%の範囲にわたって、性能に大きな差異は見られない。
(2)空気を使用した場合には、6.7wt.%のPTFEを含有する電極触媒を使用した酸素極では、電流密度400mA/cm2における発電効率が40%以下であり、これより高い電流密度域での運転はできなかった。
(3)空気を使用した場合でも、PTFE含有量を増大させれば、特性が大きく向上し、700mA/cm2もの高電流密度においても、運転可能になる。発電特性は、PTFE含有量に対して、7.0wt.%付近を極大とする、強い依存性を有する。
(4)結局、酸素極に酸素を供給した場合と空気を供給した場合とで、電極触媒粉末中のPTFEの含有量と発電特性との関係は大きく異なり、1wt.%程度のPTFE量の変動で特性に差異があることがわかった。この差は、従来の酸素極の特性からは予想することができなかった。
From the results shown in Tables 1 to 4 and the comparison between FIG. 2 and FIG. 4, the following can be understood regarding the power generation performance of the assembled fuel cell.
(1) When pure oxygen is used, there is no significant difference in performance over the range of PTFE content in the electrode catalyst powder of 6.7 to 8.0 wt.%.
(2) When air is used, the oxygen electrode using an electrode catalyst containing 6.7 wt.% PTFE has a power generation efficiency of 40% or less at a current density of 400 mA / cm 2 , and a higher current. Operation in the density range was not possible.
(3) Even when air is used, if the PTFE content is increased, the characteristics are greatly improved, and operation is possible even at a high current density of 700 mA / cm 2 . The power generation characteristics have a strong dependence on the PTFE content, with a maximum around 7.0 wt.%.
(4) Eventually, the relationship between the PTFE content in the electrode catalyst powder and the power generation characteristics differs greatly depending on whether oxygen is supplied to the oxygen electrode or air, and fluctuations in the PTFE amount of about 1 wt. It was found that there was a difference in characteristics. This difference could not be predicted from the characteristics of the conventional oxygen electrode.
もともと燃料電池反応の過電圧が高い酸素極側で、酸化剤として空気を使用すれば、電極面へのガスの供給の難易といった要因がシビアに性能に反映してしまうため、触媒層内でのガスの拡散が反応水やガスを加湿した蒸気の凝集によって阻害されれば、発電性能が大きな影響を受けることになる。それに加えて、空気使用時には、酸素使用時にくらべて、濃度勾配による電極面へのガス供給効果が薄れる環境にあるし、電極近傍では、反応後に残存するN2ガスの影響で、酸素分圧が大きく低下するという問題がある。そのため、たとえば凝縮水による濡れによってガス供給路が閉塞されると、その閉塞が酸素で運転するときには問題にならない程度であっても、空気で運転するときには、大きな影響を与えることになる。そのため、1%程度のPTFE含有量の差によって、空気・純酸素の両方での高性能な運転が可能な空気/酸素極が得られるか、酸素の場合にしか高性能を示さない電極となるのか、という差異が生じてくるものと考えられる。 If air is used as the oxidant on the oxygen electrode side where the overvoltage of the fuel cell reaction is originally high, factors such as difficulty in supplying the gas to the electrode surface will be severely reflected in the performance. If the diffusion of water is hindered by agglomeration of steam that has humidified the reaction water or gas, the power generation performance will be greatly affected. In addition, when using air, the gas supply effect to the electrode surface due to the concentration gradient is less than when using oxygen, and in the vicinity of the electrode, the oxygen partial pressure is reduced due to the N 2 gas remaining after the reaction. There is a problem of a significant drop. Therefore, for example, if the gas supply path is blocked by wetting with condensed water, even if the blockage is not a problem when operating with oxygen, it will have a significant effect when operating with air. Therefore, an air / oxygen electrode capable of high-performance operation with both air and pure oxygen is obtained by a difference in PTFE content of about 1%, or an electrode that exhibits high performance only in the case of oxygen. It is thought that there will be a difference.
一方、水電解特性は、PTFE添加量を触媒粉末の6.7〜8.0wt.%の範囲内で変動させた場合、全体としてPTFEの増加に伴って徐々に特性が低下するものの、7.5wt.%に至るまでは、緩やかな電圧上昇がみられるに止まる。7.5wt.%から8.0wt.%に至る間では、電流密度がたとえば1A/cm2の場合、PTFEの増加に伴って電解電圧が約40mV増加するといった傾向がみられ、PTFE量を8.0wt.%以上とすることは、水電解性能を低下させることにつながる。燃料電池特性も、PTFE量を8.0wt.%以上に増やしても、空気運転、酸素運転のいずれにおいても、向上する傾向にはない。その結果、水電解−燃料電池の両方の効率を掛け合わせた往復効率も、PTFEが7.0wt.%の点を極大に、8.0wt.%に向かって低下傾向となる。 On the other hand, when the amount of PTFE added is varied within the range of 6.7 to 8.0 wt.% Of the catalyst powder, the water electrolysis characteristics gradually decrease with the increase of PTFE as a whole. Until it reaches 5 wt.%, A gradual voltage increase is observed. Between 7.5 wt.% And 8.0 wt.%, When the current density is 1 A / cm 2 , for example, there is a tendency that the electrolytic voltage increases by about 40 mV with the increase of PTFE, and the amount of PTFE is 8%. Setting it to 0.0 wt.% Or more leads to a decrease in water electrolysis performance. Even when the PTFE amount is increased to 8.0 wt.% Or more, the fuel cell characteristics do not tend to improve in both the air operation and the oxygen operation. As a result, the round-trip efficiency obtained by multiplying the efficiency of both the water electrolysis and the fuel cell also tends to decrease toward 8.0 wt.%, With the PTFE being at the maximum of 7.0 wt.%.
以上の結果をまとめると、本発明の電極触媒粉末を使用した可逆セルにおいて、酸素に代えて空気を供給し、燃料電池で発電しようとするには、PTFE含有量を6.7wt.%以上、8.0wt.%以下にすべきこと、また、この範囲内で最も高い往復運転効率は得るには、PTFE含有量を約7.0wt.%とすべきことになる。 To summarize the above results, in a reversible cell using the electrode catalyst powder of the present invention, in order to supply air instead of oxygen and to generate power with a fuel cell, the PTFE content is 6.7 wt.% Or more, The PTFE content should be about 7.0 wt.% To be 8.0 wt.% Or less, and in order to obtain the highest reciprocating operation efficiency within this range.
表4 空気使用時の水電解一燃料電池往復効率(%)
Table 4 Water electrolysis / fuel cell reciprocation efficiency when using air (%)
Claims (4)
A solid polymer electrolyte type water electrolysis / fuel cell reversible cell comprising the MEA according to claim 3 as a constituent part.
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