JP5090717B2 - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に関し、さらに詳しくは、車載用動力源、定置型小型発電器、コジェネレーションシステム等として好適な固体高分子型燃料電池に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly to a polymer electrolyte fuel cell suitable as an in-vehicle power source, a stationary small power generator, a cogeneration system, and the like.

固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体(MEA)を基本単位とする。また、固体高分子型燃料電池において、電極は、一般に、拡散層と触媒層の二層構造をとる。拡散層は、触媒層に反応ガス及び電子を供給するためのものであり、カーボンペーパー、カーボンクロス等が用いられる。また、触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、一般に、白金等の電極触媒を担持したカーボンと固体高分子電解質との複合体からなる。   A solid polymer fuel cell has a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes are bonded to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane as a basic unit. In the polymer electrolyte fuel cell, the electrode generally has a two-layer structure of a diffusion layer and a catalyst layer. The diffusion layer is for supplying reaction gas and electrons to the catalyst layer, and carbon paper, carbon cloth, or the like is used. The catalyst layer is a part that becomes a reaction field for electrode reaction, and generally comprises a composite of carbon carrying an electrode catalyst such as platinum and a solid polymer electrolyte.

このようなMEAを構成する電解質膜あるいは触媒層内電解質には、耐酸化性に優れた全フッ素系電解質(高分子鎖内にC−H結合を含まない電解質。例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成(株)製)、フレミオン(登録商標、旭硝子(株)製)等。)を用いるのが一般的である。
また、全フッ素系電解質は、耐酸化性に優れるが、一般に極めて高価である。そのため、固体高分子型燃料電池の低コスト化を図るために、炭化水素系電解質(高分子鎖内にC−H結合を含み、C−F結合を含まない電解質)、又は、部分フッ素系電解質(高分子鎖内にC−H結合とC−F結合の双方を含む電解質)の使用も検討されている。
The electrolyte membrane or the catalyst layer electrolyte that constitutes such an MEA includes a perfluorinated electrolyte excellent in oxidation resistance (an electrolyte that does not contain a C—H bond in the polymer chain. For example, Nafion (registered trademark, DuPont). ), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), etc.) are generally used.
In addition, perfluorinated electrolytes are excellent in oxidation resistance but are generally very expensive. Therefore, in order to reduce the cost of the solid polymer fuel cell, a hydrocarbon electrolyte (an electrolyte that includes a C—H bond and does not include a C—F bond in a polymer chain) or a partial fluorine electrolyte The use of (electrolytes containing both C—H bonds and C—F bonds in the polymer chain) has also been studied.

しかしながら、固体高分子型燃料電池を車載用動力源等として実用化するためには、解決すべき課題が残されている。例えば、炭化水素系電解質は、全フッ素系電解質に比べて安価であるが、過酸化物ラジカルにより劣化しやすいという問題がある。
また、固体高分子電解質は、通常、プロトン伝導性を発現するためには水を必要とする。そのため、高い出力を安定して得るためには、燃料電池の運転状況によらず、固体高分子電解質を適切な含水状態に維持する必要がある。
さらに、固体高分子型燃料電池を低コスト化するためには、白金等の高価な貴金属触媒の使用量を低減する必要があり、そのためには、微細な触媒粒子を均一に分散させる必要がある。しかしながら、貴金属触媒は、担体表面において凝集しやすいという問題がある。
However, in order to put the polymer electrolyte fuel cell into practical use as a vehicle-mounted power source, there remain problems to be solved. For example, hydrocarbon electrolytes are less expensive than perfluorinated electrolytes, but have a problem that they are easily degraded by peroxide radicals.
Further, the solid polymer electrolyte usually requires water in order to exhibit proton conductivity. Therefore, in order to stably obtain a high output, it is necessary to maintain the solid polymer electrolyte in an appropriate water-containing state regardless of the operating state of the fuel cell.
Furthermore, in order to reduce the cost of the polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to reduce the amount of expensive noble metal catalyst such as platinum, and for that purpose, it is necessary to uniformly disperse fine catalyst particles. . However, the noble metal catalyst has a problem that it easily aggregates on the surface of the support.

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、炭化水素系電解質に酸化マンガン、酸化ルテニウム、酸化イリジウム等の遷移金属酸化物微粒子を分散させた高耐久固体高分子電解質が開示されている。同文献には、炭化水素系電解質膜中に酸化ルテニウム等を分散させることによって、膜の耐酸化性が向上する点が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have heretofore been made.
For example, Patent Document 1 discloses a highly durable solid polymer electrolyte in which transition metal oxide fine particles such as manganese oxide, ruthenium oxide, and iridium oxide are dispersed in a hydrocarbon electrolyte. This document describes that the oxidation resistance of the membrane is improved by dispersing ruthenium oxide or the like in the hydrocarbon electrolyte membrane.

また、特許文献2には、炭化水素系固体高分子電解質膜に、酸化マンガン、酸化ルテニウム等の遷移金属酸化物触媒、あるいは、鉄フタロシアニン、銅フタロシアニン等の大環状金属錯体触媒を添加した固体高分子電解質膜が開示されている。同文献には、炭化水素系電解質に遷移金属酸化物触媒あるいは大環状金属錯体触媒を添加すると、電極反応の副反応により生じた過酸化水素が遷移金属酸化物触媒あるいは大環状金属錯体触媒によって分解され、炭化水素系電解質の耐酸化性が向上する点が記載されている。   Patent Document 2 discloses a solid polymer electrolyte membrane in which a transition metal oxide catalyst such as manganese oxide or ruthenium oxide or a macrocyclic metal complex catalyst such as iron phthalocyanine or copper phthalocyanine is added to a hydrocarbon solid polymer electrolyte membrane. A molecular electrolyte membrane is disclosed. In this document, when a transition metal oxide catalyst or a macrocyclic metal complex catalyst is added to a hydrocarbon-based electrolyte, hydrogen peroxide generated by the side reaction of the electrode reaction is decomposed by the transition metal oxide catalyst or the macrocyclic metal complex catalyst. The point that the oxidation resistance of the hydrocarbon electrolyte is improved is described.

また、特許文献3には、パーフルオロカーボンスルホン酸膜をリン酸ジルコニウム化合物の水溶液中に浸漬することにより得られる電解質膜が開示されている。同文献には、電解質膜中にリン酸ジルコニウム化合物を含有させることによって、水分子がリン酸基と水和し、電解質膜の保水性が向上する点が記載されている。   Patent Document 3 discloses an electrolyte membrane obtained by immersing a perfluorocarbon sulfonic acid membrane in an aqueous solution of a zirconium phosphate compound. This document describes that the inclusion of a zirconium phosphate compound in the electrolyte membrane hydrates water molecules with phosphate groups and improves the water retention of the electrolyte membrane.

また、特許文献4には、白金を担持したカーボン粉末にニッケル及びコバルトの化合物を担持させ、熱処理によってこれらを合金化させ、酸処理によって合金化していないニッケル及びコバルトを溶解抽出させ、不活性ガス中で加熱乾燥させる白金合金触媒の製造方法が開示されている。同文献には、酸処理によって白金と合金化していないニッケル等が除去されるので、長時間、安定した電位を保つことができる点が記載されている。   Further, in Patent Document 4, nickel and cobalt compounds are supported on carbon powder supporting platinum, alloyed by heat treatment, nickel and cobalt not alloyed by acid treatment are dissolved and extracted, and inert gas is obtained. A process for producing a platinum alloy catalyst that is heat-dried in is disclosed. This document describes that nickel and the like that are not alloyed with platinum are removed by acid treatment, so that a stable potential can be maintained for a long time.

また、特許文献5には、導電性担体に担持された白金系貴金属触媒を空気中50〜90℃でアニール処理することにより得られる固体高分子型燃料電池用電極触媒が開示されている。同文献には、アニール処理によって白金系貴金属触媒の表面に、所定量の酸素が保持・固定されるので、触媒の耐久性が向上する点が記載されている。   Patent Document 5 discloses an electrode catalyst for a polymer electrolyte fuel cell obtained by annealing a platinum-based noble metal catalyst supported on a conductive carrier at 50 to 90 ° C. in air. This document describes that the durability of the catalyst is improved because a predetermined amount of oxygen is held and fixed on the surface of the platinum-based noble metal catalyst by the annealing treatment.

さらに、特許文献6には、白金とコバルトの合金よりなり、白金の割合が原子比で67%以上75%であるリン酸型燃料電池用カソード触媒が開示されている。同文献には、白金とコバルトを合金化させることによって合金相が安定化するので、触媒の耐久性が向上する点が記載されている。   Further, Patent Document 6 discloses a phosphoric acid fuel cell cathode catalyst which is made of an alloy of platinum and cobalt and has a platinum ratio of 67% or more and 75%. This document describes that the alloy phase is stabilized by alloying platinum and cobalt, so that the durability of the catalyst is improved.

特開2001−118591号公報JP 2001-118591 A 特開2000−106203号公報JP 2000-106203 A 特開平6−103983号公報JP-A-6-103983 特開平6−246160号公報JP-A-6-246160 特開2004−349113号公報JP 2004-349113 A 特開2001−345107号公報JP 2001-345107 A

Pt、Ru、Ir、Rh等の貴金属又はこれらの酸化物は、過酸化物を分解させる作用を有している。そのため、これらの粉末を炭化水素系電解質又は部分フッ素系電解質に添加すると、過酸化物ラジカルの発生が抑制され、耐酸化性を向上させることができる。しかしながら、貴金属は資源量が少なく、高価であるので、この方法は実用的ではない。
一方、大環状金属錯体やある種の遷移金属酸化物は、過酸化水素を分解する作用があり、しかも、貴金属に比べて安価であるが、電子伝導性は低い。そのため、MEAの耐久性を向上させるためにこれらの化合物を電極に多量に添加すると、内部抵抗あるいは接触抵抗の上昇を招き、電池性能が低下するという問題がある。
Noble metals such as Pt, Ru, Ir, Rh or their oxides have an action of decomposing peroxides. Therefore, when these powders are added to a hydrocarbon-based electrolyte or a partial fluorine-based electrolyte, generation of peroxide radicals is suppressed, and oxidation resistance can be improved. However, this method is not practical because noble metals are low in resources and expensive.
On the other hand, macrocyclic metal complexes and certain transition metal oxides have an action of decomposing hydrogen peroxide, and are cheaper than noble metals, but have low electron conductivity. Therefore, when a large amount of these compounds is added to the electrode in order to improve the durability of MEA, there is a problem that the internal resistance or the contact resistance is increased and the battery performance is lowered.

また、全フッ素系電解質は、従来、過酸化物ラジカルに対する耐性が高く、過酸化物ラジカルが共存する環境下において長期間使用した場合であっても、劣化しないと考えられていた。しかしながら、全フッ素系電解質といえども、燃料電池の作動条件下で長時間使用すると、経時劣化する場合がある。そのため、要求される耐酸化性のレベルが高い用途に対しては、電解質の耐久性をさらに向上させることが望まれている。
さらに、特許文献4〜6には、電極触媒の劣化を抑制する種々の方法が提案されている。しかしながら、従来の方法では、電極触媒の劣化を抑制する効果が不十分である。また、電極触媒の劣化の原因は、明らかにされていない。
In addition, it has been conventionally considered that perfluorinated electrolytes have high resistance to peroxide radicals and do not deteriorate even when used for a long time in an environment where peroxide radicals coexist. However, even a perfluorinated electrolyte may deteriorate over time when used for a long time under the operating conditions of a fuel cell. Therefore, it is desired to further improve the durability of the electrolyte for applications requiring a high level of oxidation resistance.
Furthermore, Patent Documents 4 to 6 propose various methods for suppressing deterioration of the electrode catalyst. However, the conventional method is insufficient in the effect of suppressing the deterioration of the electrode catalyst. Moreover, the cause of deterioration of the electrode catalyst has not been clarified.

本発明が解決しようとする課題は、実用的であり、電池性能が高く、かつ、耐久性に優れた固体高分子型燃料電池を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、全フッ素系電解質を用いた固体高分子型燃料電池において、全フッ素系電解質の耐久性を向上させることにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、電極触媒の劣化を抑制し、長期間に渡って高い出力が安定して得られる固体高分子型燃料電池を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell that is practical, has high battery performance, and is excellent in durability.
Another problem to be solved by the present invention is to improve the durability of a perfluorinated electrolyte in a polymer electrolyte fuel cell using a perfluorinated electrolyte.
Furthermore, another problem to be solved by the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell that can suppress deterioration of the electrode catalyst and stably obtain a high output over a long period of time.

上記課題を解決するために、本発明に係る固体高分子型燃料電池は、以下の構成を備えていることを要旨とする。
(1)前記固体高分子型燃料電池は、
解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体と、
前記電解質膜及び前記電極のいずれか1以上に添加された、Feを実質的に含まない難溶性無機アニオン交換体と
備えている。
(2)前記電極は、触媒層と拡散層の2層構造を持ち、
前記難溶性無機アニオン交換体は、前記触媒層に添加されている。
(3)前記難溶性無機アニオン交換体は、Ceの含水酸化物である。
(4)前記触媒層への前記難溶性無機アニオン交換体の添加量(=前記難溶性無機アニオン交換体の重量×100/前記触媒層の固形分の重量)は、5.0wt%〜10.0wt%である。
In order to solve the above problems, the solid polymer fuel cell according to the present invention is summarized as having the following configuration.
(1) The polymer electrolyte fuel cell is
A membrane electrode assembly having electrodes bonded to both surfaces of the electrolyte membranes,
A sparingly soluble inorganic anion exchanger substantially not containing Fe, which is added to one or more of the electrolyte membrane and the electrode .
(2) The electrode has a two-layer structure of a catalyst layer and a diffusion layer,
The hardly soluble inorganic anion exchanger is added to the catalyst layer.
(3) The hardly soluble inorganic anion exchanger is a hydrated oxide of Ce.
(4) The amount of the hardly soluble inorganic anion exchanger added to the catalyst layer (= weight of the hardly soluble inorganic anion exchanger × 100 / weight of the solid content of the catalyst layer) is 5.0 wt% to 10. 0 wt%.

燃料電池の運転中に過酸化物ラジカルが発生すると、電解質や炭素材料を劣化させ、クロスリークの増加や電圧低下が生じる。一方、難溶性無機アニオン交換体は、過酸化物又は過酸化物ラジカルを分解し、無害化する作用がある。そのため、これを電解質膜及び電極のいずれか1以上に添加すれば、製造コストを大幅に上昇させることなく過酸化物ラジカルによる電解質や炭素材料の劣化に起因する出力低下を抑制することができる。
また、燃料電池のような電位変動が生ずる環境下では、特に空気極側において、Pt等の貴金属触媒の溶出及び粒成長が起こり、触媒能が低下する。この劣化は、ハロゲンイオンが共存することによってさらに促進される。また、ハロゲンイオンは、燃料電池内の金属材料を腐食させる原因となる。一方、難溶性無機アニオン交換体は、ハロゲンイオンを吸着する作用がある。そのため、これを電解質膜又は電極に添加すれば、燃料電池内の微量のハロゲンイオンを除去することができ、ハロゲンイオンに起因する触媒能の低下及び金属材料の腐食を抑制することができる。
When peroxide radicals are generated during operation of the fuel cell, the electrolyte and the carbon material are deteriorated, resulting in an increase in cross leak and a decrease in voltage. On the other hand, the sparingly soluble inorganic anion exchanger has the effect of decomposing and detoxifying peroxides or peroxide radicals. Therefore, if this is added to any one or more of the electrolyte membrane and the electrode, it is possible to suppress a decrease in output due to deterioration of the electrolyte and the carbon material due to peroxide radicals without significantly increasing the manufacturing cost.
Further, in an environment where a potential fluctuation occurs as in a fuel cell, elution and grain growth of a noble metal catalyst such as Pt occurs particularly on the air electrode side, and the catalytic performance is reduced. This deterioration is further promoted by the coexistence of halogen ions. In addition, the halogen ions cause corrosion of the metal material in the fuel cell. On the other hand, the hardly soluble inorganic anion exchanger has an action of adsorbing halogen ions. Therefore, if this is added to the electrolyte membrane or the electrode, a trace amount of halogen ions in the fuel cell can be removed, and the reduction in catalytic ability and corrosion of the metal material due to the halogen ions can be suppressed.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。本発明に係る固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体(MEA)を備えている。また、固体高分子型燃料電池は、通常、このようなMEAの両面を、ガス流路を備えたセパレータで挟持し、これを複数個積層したものからなる。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail. The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes are bonded to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane. In addition, the polymer electrolyte fuel cell is usually formed by sandwiching both sides of such an MEA with a separator having a gas flow path and laminating a plurality of them.

本発明において、固体高分子電解質膜の材質は、特に限定されるものではなく、種々の材料を用いることができる。
すなわち、固体高分子電解質膜の材質は、高分子鎖内にC−H結合を含み、かつC−F結合を含まない炭化水素系電解質、及び高分子鎖内にC−F結合を含むフッ素系電解質のいずれであっても良い。また、フッ素系電解質は、高分子鎖内にC−H結合とC−F結合の双方を含む部分フッ素系電解質であっても良く、あるいは、高分子鎖内にC−F結合を含み、かつC−H結合を含まない全フッ素系電解質であっても良い。
なお、フッ素系電解質は、フルオロカーボン構造(−CF2−、−CFCl−)の他、クロロカーボン構造(−CCl2−)や、その他の構造(例えば、−O−、−S−、−C(=O)−、−N(R)−等。但し、「R」は、アルキル基)を備えていてもよい。また、固体高分子電解質膜を構成する高分子の分子構造は、特に限定されるものではなく、直鎖状又は分岐状のいずれであっても良く、あるいは環状構造を備えていても良い。
In the present invention, the material of the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited, and various materials can be used.
That is, the material of the solid polymer electrolyte membrane is a hydrocarbon-based electrolyte containing a C—H bond in the polymer chain and not containing a C—F bond, and a fluorine-based material containing a C—F bond in the polymer chain. Any of electrolytes may be used. Further, the fluorine-based electrolyte may be a partial fluorine-based electrolyte containing both C—H bonds and C—F bonds in the polymer chain, or contains C—F bonds in the polymer chain, and A perfluorinated electrolyte containing no C—H bond may be used.
In addition to the fluorocarbon structure (—CF 2 —, —CFCl—), the fluorine-based electrolyte includes a chlorocarbon structure (—CCl 2 —) and other structures (eg, —O—, —S—, —C ( ═O) —, —N (R) —, etc. provided that “R” may be an alkyl group). The molecular structure of the polymer constituting the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited, and may be either linear or branched, or may have a cyclic structure.

また、固体高分子電解質に備えられる電解質基の種類についても、特に限定されるものではない。電解質基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、スルホンイミド基等がある。固体高分子電解質には、これらの電解質基の内、いずれか1種類のみが含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。さらに、これらの電解質基は、直鎖状固体高分子化合物に直接結合していても良く、あるいは、分枝状固体高分子化合物の主鎖又は側鎖のいずれかに結合していても良い。   Also, the type of electrolyte group provided in the solid polymer electrolyte is not particularly limited. Examples of the electrolyte group include a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, and a sulfonimide group. The solid polymer electrolyte may contain only one kind of these electrolyte groups, or may contain two or more kinds. Furthermore, these electrolyte groups may be directly bonded to the linear solid polymer compound, or may be bonded to either the main chain or the side chain of the branched solid polymer compound.

炭化水素系電解質としては、具体的には、
(1)高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の電解質基が導入されたポリアミド、ポリアセタール、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル系樹脂、ポリエステル、ポリサルホン、ポリエーテル等、及びこれらの誘導体(脂肪族炭化水素系電解質)、
(2)高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の電解質基が導入されたポリスチレン、芳香環を有するポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリサルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート等、及びこれらの誘導体(部分芳香族炭化水素系電解質)、
(3)高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の電解質基が導入されたポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニレン、ポリフェニレンエーテル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエステル、ポリフェニレンサルファイド等、及びこれらの誘導体(全芳香族炭化水素系電解質)、
等が好適な一例として挙げられる。
Specifically, as the hydrocarbon electrolyte,
(1) Polyamide, polyacetal, polyethylene, polypropylene, acrylic resin, polyester, polysulfone, polyether, etc. in which an electrolyte group such as a sulfonic acid group is introduced into any of the polymer chains, and derivatives thereof (aliphatic hydrocarbons) System electrolyte),
(2) Polystyrene having an electrolyte group such as a sulfonic acid group introduced into any of the polymer chains, polyamide having an aromatic ring, polyamideimide, polyimide, polyester, polysulfone, polyetherimide, polyethersulfone, polycarbonate, and the like, and These derivatives (partial aromatic hydrocarbon electrolytes),
(3) Polyetheretherketone, polyetherketone, polysulfone, polyethersulfone, polyimide, polyetherimide, polyphenylene, polyphenylene ether, polycarbonate, in which an electrolyte group such as a sulfonic acid group is introduced into any of the polymer chains, Polyamide, polyamideimide, polyester, polyphenylene sulfide, etc., and derivatives thereof (fully aromatic hydrocarbon electrolytes),
Etc. are mentioned as a suitable example.

また、部分フッ素系電解質としては、具体的には、高分子鎖のいずれかにスルホン酸基等の電解質基が導入されたポリスチレン−グラフト−エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(以下、これを「PS−g−ETFE」という。)、ポリスチレン−グラフト−ポリテトラフルオロエチレン等、及びこれらの誘導体が好適な一例として挙げられる。
また、全フッ素系電解質としては、具体的には、デュポン社製ナフィオン(登録商標)、旭化成(株)製アシプレックス(登録商標)、旭硝子(株)製フレミオン(登録商標)等、及びこれらの誘導体が好適な一例として挙げられる。
Further, as the partial fluorine-based electrolyte, specifically, a polystyrene-graft-ethylenetetrafluoroethylene copolymer (hereinafter referred to as “PS”) in which an electrolyte group such as a sulfonic acid group is introduced into any of the polymer chains. -G-ETFE "), polystyrene-graft-polytetrafluoroethylene, and derivatives thereof.
Further, as the perfluorinated electrolyte, specifically, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., etc. A suitable example is a derivative.

さらに、本発明において、MEAを構成する固体高分子電解質膜は、固体高分子電解質のみからなるものであっても良く、あるいは、多孔質材料、長繊維材料、短繊維材料等からなる補強材を含む複合体であっても良い。   Furthermore, in the present invention, the solid polymer electrolyte membrane constituting the MEA may be composed only of a solid polymer electrolyte, or a reinforcing material composed of a porous material, a long fiber material, a short fiber material, or the like. It may be a complex containing.

これらの中でも、フッ素系電解質、特に全フッ素系電解質は、高分子鎖内にC−F結合を有しており、耐酸化性に優れているので、これに対して本発明を適用すれば、耐酸化性及び耐久性に優れた固体高分子型燃料電池が得られる。   Among these, fluorinated electrolytes, particularly perfluorinated electrolytes, have a C—F bond in the polymer chain and are excellent in oxidation resistance. Therefore, if the present invention is applied thereto, A polymer electrolyte fuel cell excellent in oxidation resistance and durability can be obtained.

MEAを構成する電極は、通常、触媒層と拡散層の二層構造を取るが、触媒層のみによって構成される場合もある。電極が触媒層と拡散層の二層構造を取る場合、電極は、触媒層を介して電解質膜に接合される。   The electrode constituting the MEA usually has a two-layer structure of a catalyst layer and a diffusion layer, but may be constituted only by the catalyst layer. When the electrode has a two-layer structure of a catalyst layer and a diffusion layer, the electrode is joined to the electrolyte membrane via the catalyst layer.

触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、電極触媒又は電極触媒を担持した担体と、その周囲を被覆する触媒層内電解質とを備えている。一般に、電極触媒には、MEAの使用目的、使用条件等に応じて最適なものが用いられる。固体高分子型燃料電池の場合、電極触媒には、白金、白金合金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム等又はこれらの合金が用いられる。触媒層に含まれる電極触媒の量は、MEAの用途、使用条件等に応じて最適な量が選択される。   The catalyst layer is a part serving as a reaction field for the electrode reaction, and includes an electrode catalyst or a carrier carrying the electrode catalyst, and an electrolyte in the catalyst layer covering the periphery thereof. In general, an optimum electrode catalyst is used depending on the purpose of use of MEA, use conditions, and the like. In the case of a polymer electrolyte fuel cell, platinum, platinum alloy, palladium, ruthenium, rhodium or the like or an alloy thereof is used as the electrode catalyst. As the amount of the electrode catalyst contained in the catalyst layer, an optimal amount is selected according to the use of MEA, use conditions, and the like.

触媒担体は、微粒の電極触媒を担持すると同時に、触媒層における電子の授受を行うためのものである。触媒担体には、一般に、カーボン、活性炭、フラーレン、カーボンナノフォン、カーボンナノチューブ等が用いられる。触媒担体表面への電極触媒の担持量は、電極触媒及び触媒担体の材質、MEAの用途、使用条件等に応じて最適な担持量が選択される。   The catalyst carrier is for carrying a fine electrode catalyst and simultaneously transferring electrons in the catalyst layer. Generally, carbon, activated carbon, fullerene, carbon nanophone, carbon nanotube or the like is used for the catalyst carrier. As the amount of the electrode catalyst supported on the surface of the catalyst carrier, an optimum amount is selected according to the material of the electrode catalyst and the catalyst carrier, the use of the MEA, the use conditions, and the like.

触媒層内電解質は、固体高分子電解質膜と電極との間でプロトンの授受を行うためのものである。触媒層内電解質には、通常、固体高分子電解質膜を構成する材料と同一の材料が用いられるが、異なる材料を用いても良い。触媒層内電解質の量は、MEAの用途、使用条件等に応じて最適な量が選択される。   The electrolyte in the catalyst layer is for exchanging protons between the solid polymer electrolyte membrane and the electrode. For the electrolyte in the catalyst layer, the same material as that constituting the solid polymer electrolyte membrane is usually used, but a different material may be used. As the amount of the electrolyte in the catalyst layer, an optimal amount is selected according to the use of MEA, use conditions, and the like.

拡散層は、触媒層との間で電子の授受を行うと同時に、反応ガスを触媒層に供給するためのものである。拡散層には、一般に、カーボンペーパ、カーボンクロス等が用いられる。また、撥水性を高めるために、カーボンペーパ等の表面に、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性高分子の粉末とカーボンの粉末との混合物(撥水層)をコーティングしたものを拡散層として用いても良い。   The diffusion layer is for supplying and receiving a reaction gas to the catalyst layer at the same time as transferring electrons to and from the catalyst layer. Generally, carbon paper, carbon cloth, or the like is used for the diffusion layer. In order to increase water repellency, a surface of carbon paper or the like coated with a mixture of water repellent polymer powder such as polytetrafluoroethylene and carbon powder (water repellent layer) is used as a diffusion layer. Also good.

本発明に係る固体高分子型燃料電池は、MEAを構成する固体高分子電解質膜及び電極のいずれかに、難溶性無機アニオン交換体が添加されていることを特徴とする。
ここで、「難溶性無機アニオン交換体」とは、過酸化物分解作用及びアニオン吸着作用を有する難溶性の化合物であって、少なくとも1つのOH基、結晶水、又はハロゲンイオン(特に、Cl-イオン)と交換可能なアニオン基を持つものをいう。難溶性無機アニオン交換体は、実質的にFeを含まないものが好ましい。
The solid polymer fuel cell according to the present invention is characterized in that a hardly soluble inorganic anion exchanger is added to any of the solid polymer electrolyte membrane and the electrodes constituting the MEA.
Here, the “slightly soluble inorganic anion exchanger” is a poorly soluble compound having a peroxide decomposing action and an anion adsorbing action, and includes at least one OH group, crystal water, or halogen ion (especially Cl −). An anion group exchangeable with (ion). The hardly soluble inorganic anion exchanger is preferably substantially free of Fe.

耐久性に優れた燃料電池システムを得るためには、難溶性無機アニオン交換体は、H分解作用を示す金属元素が水と接した場合に、金属元素が固定場所から溶出しにくいもの(難溶性)である必要がある。
ここで、通常の燃料電池の作動環境下の水のpHは、大気中のCO2、NOx、SOx、及び、構成材料から溶出する有機酸、ハロゲンイオンの影響により、中性でなく、弱酸性のpH4〜6程度である。場合によっては、フッ素系電解質膜からのF-イオンやスルホン酸脱離によるSO3 -イオンによりpH3程度まで低下することがある。また、副生するH22の作用により、さらに材料からイオンの溶出が起こりやすい環境になっている。さらに、固体高分子型燃料電池の作動温度は、一般に、80℃程度である。
In order to obtain a fuel cell system with excellent durability, a hardly soluble inorganic anion exchanger is one in which when a metal element exhibiting an H 2 O 2 decomposition action comes into contact with water, the metal element does not easily elute from a fixed place. (Slightly soluble).
Here, the pH of water under the normal operating environment of the fuel cell is not neutral due to the influence of CO 2 , NO x , SO x in the atmosphere and organic acids and halogen ions eluted from the constituent materials, The pH is about 4 to 6 which is weakly acidic. In some cases, the pH may be lowered to about 3 by F ions from the fluorine-based electrolyte membrane or SO 3 ions due to sulfonic acid elimination. In addition, due to the effect of by-product H 2 O 2 , the environment is such that ions are more likely to be eluted from the material. Furthermore, the operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell is generally about 80 ° C.

従って、実際には、これらの厳しい環境下において難溶性であることが要求されるが、このような燃料電池の作動環境下における難溶性の程度は、室温(18〜25℃)における難溶性無機アニオン交換体の溶解度積の大きさで代用することができる。
耐久性に優れた燃料電池システムを得るためには、難溶性無機アニオン交換体は、室温(18〜25℃)における溶解度積が1×10-3以下であるものが好ましい。
Therefore, in reality, it is required to be hardly soluble in these severe environments, but the degree of poor solubility in the operating environment of such a fuel cell is the hardly soluble inorganic at room temperature (18-25 ° C.). The solubility product size of the anion exchanger can be substituted.
In order to obtain a fuel cell system with excellent durability, the sparingly soluble inorganic anion exchanger preferably has a solubility product at room temperature (18 to 25 ° C.) of 1 × 10 −3 or less.

「Feを実質的に含まない」とは、Feを積極的な構成成分として含まないことに加えて、不可避的不純物としての濃度が低いことをいう。Feの含有量は、具体的には、水酸化物、含水酸化物又はオキシ水酸化物に換算して0.1wt%以下(1000ppm以下)が好ましい。Feの含有量が水酸化物等に換算して0.1wt%を超えると、Feがイオンとして溶け出し、過酸化水素がラジカル分解する。すなわち、Feイオンの触媒作用により生成した・OHラジカルが触媒層内電解質や電解質膜を攻撃し、電池性能の低下を引き起こすおそれがある。また、・OHラジカルが拡散層や電極担体のC材料を攻撃(酸化)し、撥水性を低下させ、電池性能の劣化を引き起こしやすい。従って、Feの含有量が水酸化物、含水酸化物又はオキシ水酸化物に換算して0.1wt%を超える場合には、前処理によりこれらを除去する必要がある。
除去方法としては、
(1)粉体を磁性体(磁石)により磁気選別し、酸化鉄、オキシ水酸化鉄等の異物を除去する方法、
(2)酸(硫酸、硝酸、塩酸)で鉄化合物を除去した後、中和、水洗する方法、
などがある。
“Substantially free of Fe” means that the concentration as an inevitable impurity is low in addition to not containing Fe as an active component. Specifically, the content of Fe is preferably 0.1 wt% or less (1000 ppm or less) in terms of hydroxide, hydrated oxide, or oxyhydroxide. When the Fe content exceeds 0.1 wt% in terms of hydroxide or the like, Fe dissolves out as ions and hydrogen peroxide undergoes radical decomposition. That is, the .OH radical generated by the catalytic action of Fe ions may attack the electrolyte in the catalyst layer or the electrolyte membrane and cause a decrease in battery performance. In addition, .OH radicals attack (oxidize) the diffusion layer and the C material of the electrode carrier to reduce water repellency and easily cause deterioration of battery performance. Therefore, when the Fe content exceeds 0.1 wt% in terms of hydroxide, hydrated oxide or oxyhydroxide, it is necessary to remove these by pretreatment.
As a removal method,
(1) A method of magnetically sorting powder with a magnetic material (magnet) to remove foreign matters such as iron oxide and iron oxyhydroxide,
(2) A method of neutralizing and washing with water after removing an iron compound with an acid (sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid),
and so on.

難溶性無機アニオン交換体は、
(1)過酸化水素を分解し、・OHラジカルによる電解質や炭素材料の劣化を防ぐ作用、及び、
(2)ハロゲンイオンなどのアニオンを吸着し、触媒層内の触媒金属(例えば、Pt)がハロゲン錯体(例えば、PtCl4 2-)として溶解し、消耗することを防ぐ作用、
を有している。
ここで、ある化合物が持つ過酸化物分解作用の程度(分解能力)は、次の(1)式に示す分解率ηで表すことができる。
η={(1.0−C)/1.0}×100 ・・・(1)
但し、Cは、1wt%の過酸化物を含む水溶液50ml中に、平均粒径50μm以下の難溶性無機アニオン交換体を100ppm添加し、100℃×1hr放置後の過酸化物濃度である。
固体高分子型燃料電池の耐久性を向上させるためには、難溶性無機アニオン交換体は、過酸化水素(H22)の分解率が30%以上であるものが好ましい。分解率は、さらに好ましくは、40%以上、さらに好ましくは、50%以上である。
The poorly soluble inorganic anion exchanger is
(1) Decomposes hydrogen peroxide, prevents the deterioration of electrolytes and carbon materials due to OH radicals, and
(2) an action of adsorbing anions such as halogen ions to prevent the catalyst metal (for example, Pt) in the catalyst layer from being dissolved and consumed as a halogen complex (for example, PtCl 4 2− );
have.
Here, the degree of decomposition of the peroxide (decomposition ability) of a certain compound can be expressed by the decomposition rate η shown in the following equation (1).
η = {(1.0−C) /1.0} × 100 (1)
However, C is a peroxide concentration after 100 ppm of a hardly soluble inorganic anion exchanger having an average particle size of 50 μm or less is added to 50 ml of an aqueous solution containing 1 wt% of peroxide and left standing at 100 ° C. for 1 hour.
In order to improve the durability of the polymer electrolyte fuel cell, it is preferable that the hardly soluble inorganic anion exchanger has a hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) decomposition rate of 30% or more. The decomposition rate is more preferably 40% or more, and still more preferably 50% or more.

過酸化物分解作用及びアニオン吸着作用がある難溶性無機アニオン交換体としては、具体的には、希土類元素(La〜Lu)、遷移金属元素(3d〜5d遷移金属元素)、及びアルカリ土類金属元素からなる群から選ばれるいずれか1以上の水酸化物、水和水酸化物、含水酸化物、オキシ水酸化物、又は、オキシ酸化物などがある。
また、難溶性無機アニオン交換体は、特に、Y、Zr、La、Ce、Pr、Gd、Yb、Tb、Co、Cu、Ti、Al、Nb、Bi、Mg、Ca、Sr及びBaからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素を含む水酸化物、水和水酸化物、含水酸化物、オキシ水酸化物、又は、オキシ酸化物が好ましい。これらは、他の難溶性無機アニオン交換体に比べて、過酸化物分解作用及び/又はアニオン吸着作用が大きいという特徴がある。
MEAには、これらのいずれか1種の難溶性無機アニオン交換体が含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。また、MEAの複数箇所に難溶性無機アニオン交換体が含まれる場合、各箇所に含まれる難溶性無機アニオン交換体は互いに同種であっても良く、異種であっても良い。
Specific examples of the hardly soluble inorganic anion exchanger having a peroxide decomposition action and an anion adsorption action include rare earth elements (La to Lu), transition metal elements (3d to 5d transition metal elements), and alkaline earth metals. There are any one or more hydroxides, hydrated hydroxides, hydrated oxides, oxyhydroxides, or oxyoxides selected from the group consisting of elements.
Further, the hardly soluble inorganic anion exchanger is particularly a group consisting of Y, Zr, La, Ce, Pr, Gd, Yb, Tb, Co, Cu, Ti, Al, Nb, Bi, Mg, Ca, Sr and Ba. A hydroxide, a hydrated hydroxide, a hydrated oxide, an oxyhydroxide, or an oxyoxide containing at least one element selected from These are characterized in that the peroxide decomposition action and / or the anion adsorption action are larger than those of other hardly soluble inorganic anion exchangers.
The MEA may contain any one of these poorly soluble inorganic anion exchangers, or may contain two or more. Moreover, when a slightly soluble inorganic anion exchanger is contained in several places of MEA, the hardly soluble inorganic anion exchanger contained in each place may mutually be the same kind, and may differ.

ここで、「水酸化物」とは、一般式:Mx(OH)y(但し、Mの価数をZとして、Z×X=Y。X、Yは、正の整数。)で表される水酸基とカチオンの化合物をいう。
「水和水酸化物」とは、水酸化物にさらに水が結合したものをいう。水和水酸化物としては、例えば、LiOH・H2O、CsOH・H2O、Cr(OH)3・nH2Oなどがある。
「含水酸化物(又は水和酸化物)」とは、酸化物に水が結合したものをいう。含水酸化物としては、例えば、CeO2・nH2Oなどがある。なお、nは、通常、正の整数であるが、脱水の程度によりnは必ずしも整数をとるとは限らない。これらは、該当する陽イオンの酸性酸化物として記載される場合もある。例えば、WO2・H2O=H2WO3、WO3・H2O=H2WO4、TiO2・H2O=H2TiO3、TiO2・2H2O=H4TiO4などである。
「オキシ水酸化物」とは、酸化物に水酸基(OH)が結合したものをいう。オキシ水酸化物としては、FeOOH、CrOOH、AlOOHなどがある。但し、例えば、AlOOHにさらに結晶水が加わったもの(AlOOH・H2O)は、Al(OH)3とも記載されるので、オキシ水酸化物と水酸化物が明確に区別できるものではない。
「オキシ酸化物」とは、オキシ水酸化物又は含水オキシ水酸化物に含まれるOH基の全部又は一部がハロゲンイオン(特に、Cl-イオン)と交換能を持つ他のアニオン(例えば、NO3-、SO4 2-等)に置換されたものをいう。オキシ酸化物としては、例えば、BiO(NO3)・nH2Oなどがある。
Here, the “hydroxide” is represented by a general formula: M x (OH) y (where Z is the valence of M, Z × X = Y, and X and Y are positive integers). A compound of a hydroxyl group and a cation.
The “hydrated hydroxide” refers to a compound in which water is further bonded to the hydroxide. Examples of the hydrated hydroxide include LiOH · H 2 O, CsOH · H 2 O, and Cr (OH) 3 · nH 2 O.
The “hydrated oxide (or hydrated oxide)” refers to an oxide in which water is bonded. Examples of the hydrous oxide include CeO 2 · nH 2 O. Note that n is usually a positive integer, but n does not necessarily take an integer depending on the degree of dehydration. These may be described as acidic oxides of the corresponding cation. For example, WO 2 .H 2 O = H 2 WO 3 , WO 3 .H 2 O = H 2 WO 4 , TiO 2 .H 2 O = H 2 TiO 3 , TiO 2 .2H 2 O = H 4 TiO 4, etc. It is.
“Oxyhydroxide” refers to an oxide having a hydroxyl group (OH) bonded thereto. Examples of the oxyhydroxide include FeOOH, CrOOH, and AlOOH. However, for example, when AlOOH is further added with crystallization water (AlOOH · H 2 O), it is also described as Al (OH) 3, so that oxyhydroxide and hydroxide cannot be clearly distinguished.
The "oxy oxide", all or a portion of the OH groups contained in oxyhydroxide or hydrated oxyhydroxide halogen ions (in particular, Cl - ions) and other anions having an exchange capacity (e.g., NO 3- , SO 4 2-, etc.). Examples of the oxyoxide include BiO (NO 3 ) · nH 2 O.

さらに、難溶性無機アニオン交換体は、400℃以下の熱履歴を受けたものが好ましい。難溶性無機アニオン交換体の製造過程及びMEAの製造過程において、難溶性無機アニオン交換体が400℃を超える熱履歴を受けると、過酸化物分解作用及び/又はアニオン吸着作用が低下する。
400℃以下の熱履歴を受けた難溶性無機アニオン交換体が高い過酸化物分解作用及び/又はアニオン吸着作用を有するのは、以下の理由によると考えられる。
(1)高温の熱履歴を受けておらず、粒子のネッキング(焼結)が起きにくく比表面積の低下割合が小さいために、過酸化物分解作用が大きい。
(2)OH基や結晶水の喪失(脱水)によるイオン交換容量の低下が少ないために、FやClなどのハロゲンイオンの吸着容量が大きい。
Further, the hardly soluble inorganic anion exchanger is preferably subjected to a heat history of 400 ° C. or less. In the production process of the hardly soluble inorganic anion exchanger and the MEA production process, when the poorly soluble inorganic anion exchanger receives a heat history exceeding 400 ° C., the peroxide decomposition action and / or the anion adsorption action are lowered.
The reason why the hardly soluble inorganic anion exchanger having a heat history of 400 ° C. or less has a high peroxide decomposition action and / or anion adsorption action is considered to be as follows.
(1) Since it does not receive a high-temperature thermal history, the necking (sintering) of the particles hardly occurs, and the reduction ratio of the specific surface area is small, so that the peroxide decomposition action is large.
(2) Since the decrease in ion exchange capacity due to the loss (dehydration) of OH groups and crystal water is small, the adsorption capacity of halogen ions such as F and Cl is large.

難溶性無機アニオン交換体の固定場所は、電解質膜及び電極のいずれであっても良い。また、電極に固定する場合、難溶性無機アニオン交換体の固定場所は、触媒層及び拡散層のいずれであっても良い。また、固体高分子型燃料電池において、過酸化物は、カソードで生ずる電極反応の副反応により生成し、生成した過酸化物が電解質膜を通ってアノード側に拡散すると考えられている。従って、難溶性アニオン交換体は、少なくともカソード及びその近傍に固定するのが好ましい。   The fixing place of the hardly soluble inorganic anion exchanger may be either the electrolyte membrane or the electrode. Moreover, when fixing to an electrode, any of a catalyst layer and a diffusion layer may be sufficient as the fixing place of a hardly soluble inorganic anion exchanger. In the polymer electrolyte fuel cell, it is considered that the peroxide is generated by a side reaction of the electrode reaction generated at the cathode, and the generated peroxide diffuses to the anode side through the electrolyte membrane. Therefore, it is preferable to fix the hardly soluble anion exchanger at least on the cathode and in the vicinity thereof.

また、固体高分子型燃料電池は、一般に、電解質膜の電気伝導度を維持するために、補機を用いて加湿が行われている。また、カソード側では、電極反応により水が生成する。これらの水は、通常、そのまま燃料電池外に排出されるが、燃料電池システム全体の保水量を低減するために、排出された水分を電解質膜の加湿に再利用する場合がある。このような場合には、排出された水の中に過酸化物が含まれていることがあるので、セパレータの表面、配管類の内表面、保水タンクの内表面等、水が循環する経路に難溶性無機アニオン交換体を固定しても良い。   Further, in general, solid polymer fuel cells are humidified using an auxiliary machine in order to maintain the electrical conductivity of the electrolyte membrane. On the cathode side, water is generated by the electrode reaction. These waters are usually discharged out of the fuel cell as they are, but the discharged water may be reused for humidifying the electrolyte membrane in order to reduce the water retention amount of the entire fuel cell system. In such cases, the discharged water may contain peroxides, so the water will circulate on the separator surface, the inner surface of the piping, the inner surface of the water retention tank, etc. A hardly soluble inorganic anion exchanger may be fixed.

難溶性無機アニオン交換体の形態は特に限定されるものではなく、難溶性無機アニオン交換体の種類、固定場所等に応じて、種々の形態を取ることができる。
例えば、難溶性無機アニオン交換体を電解質膜に固定する場合、電解質膜の内部及び/又は表面に微粒子状の難溶性無機アニオン交換体を均一に分散させても良い。また、電解質膜が固体高分子電解質と補強材との複合体である場合、補強材の表面に微粒子状の難溶性無機アニオン交換体を固定しても良い。
また、例えば、難溶性無機アニオン交換体を触媒層に固定する場合、電極触媒若しくは電極触媒を担持するための担体及び/又は触媒層内電解質の表面に、微粒子状の難溶性無機アニオン交換体を固定しても良く、あるいは、担体及び/又は触媒層内電解質の内部に固定しても良い。また、触媒層を形成した後、その表面に、微粒子状の難溶性無機アニオン交換体を固定しても良い。
さらに、難溶性無機アニオン交換体を拡散層に固定する場合、拡散層の内部又は表面に均一に微粒子状の難溶性無機アニオン交換体を分散させても良く、あるいは、拡散層の触媒層側表面に形成される撥水層の内部又は表面に均一に分散させても良い。
The form of the hardly soluble inorganic anion exchanger is not particularly limited, and can take various forms depending on the kind of the hardly soluble inorganic anion exchanger, the fixing location, and the like.
For example, when the hardly soluble inorganic anion exchanger is fixed to the electrolyte membrane, the particulate hardly soluble inorganic anion exchanger may be uniformly dispersed in and / or on the surface of the electrolyte membrane. In addition, when the electrolyte membrane is a composite of a solid polymer electrolyte and a reinforcing material, a particulate hardly soluble inorganic anion exchanger may be fixed on the surface of the reinforcing material.
Further, for example, when fixing a sparingly soluble inorganic anion exchanger to the catalyst layer, a particulate sparingly soluble inorganic anion exchanger is provided on the surface of the electrode catalyst or the carrier for supporting the electrode catalyst and / or the electrolyte in the catalyst layer. It may be fixed, or may be fixed inside the support and / or the electrolyte in the catalyst layer. Moreover, after forming a catalyst layer, you may fix a fine particle form hardly soluble inorganic anion exchanger to the surface.
Further, when fixing the hardly soluble inorganic anion exchanger to the diffusion layer, the finely particulate hardly soluble inorganic anion exchanger may be uniformly dispersed in or on the surface of the diffusion layer, or the catalyst layer side surface of the diffusion layer. The water repellent layer formed on the surface may be uniformly dispersed in or on the surface.

また、MEAのいずれかに微粒子状の難溶性無機アニオン交換体を固定する場合、その粒径は、固定場所に応じて、最適な粒径を選択する。
例えば、微粒子状の難溶性無機アニオン交換体を電解質膜又は触媒層に固定する場合、その粒径は、10μm以下が好ましい。粒径が10μmを超えると、難溶性無機アニオン交換体を均一に分散させるのが困難となり、あるいは、電解質膜に機械的ダメージを与えるおそれがある。一般に、粒径が小さくなるほど、少量の固定で高い過酸化物分解作用及び/又はアニオン吸着作用が得られる。但し、粒径が小さくなりすぎると、溶解性が高くなり、長期の安定性に劣る場合がある。従って、難溶性無機アニオン交換体の粒径は、0.1μm以上が好ましい。
一方、微粒子状の難溶性無機アニオン交換体を拡散層に固定する場合、0.1〜50μm以下のやや大粒径のものでも使用できる。但し、相対的に粒径の大きな粉末を使用する場合には、電解質膜又は触媒層に直接、接しない場所に固定するのが好ましい。
Moreover, when fixing a fine particle form slightly soluble inorganic anion exchanger to either of MEA, the particle size selects an optimal particle size according to a fixing location.
For example, when fixing the particulate hardly soluble inorganic anion exchanger to the electrolyte membrane or the catalyst layer, the particle size is preferably 10 μm or less. When the particle diameter exceeds 10 μm, it is difficult to uniformly disperse the hardly soluble inorganic anion exchanger, or there is a possibility that the electrolyte membrane is mechanically damaged. In general, the smaller the particle size, the higher the peroxide decomposition action and / or the anion adsorption action with a small amount of fixation. However, if the particle size becomes too small, the solubility becomes high and the long-term stability may be inferior. Therefore, the particle diameter of the hardly soluble inorganic anion exchanger is preferably 0.1 μm or more.
On the other hand, when fixing a fine particle form slightly soluble inorganic anion exchanger to a diffused layer, even a thing with a somewhat large particle size of 0.1-50 micrometers or less can be used. However, when a powder having a relatively large particle size is used, it is preferable to fix it in a place where it does not directly contact the electrolyte membrane or the catalyst layer.

難溶性無機アニオン交換体の固定量は、過酸化物分解触媒の種類、形態、固定場所等に応じて最適な量を選択する。一般に、過酸化物の分解能力及び/又はアニオン吸着能が大きく、かつ、比表面積の大きい難溶性無機アニオン交換体を用いるほど、相対的に少量の固定で、高い過酸化物分解作用及び/又はアニオン吸着作用が得られる。一般に、難溶性無機アニオン交換体の固定量が多くなるほど、耐久性は向上する。但し、難溶性無機アニオン交換体を過剰に固定しても実益がなく、むしろ高コスト化、機械的性質の低下、電池性能の低下等を招く場合がある。   The fixing amount of the hardly soluble inorganic anion exchanger is selected in accordance with the type, form, fixing location, etc. of the peroxide decomposition catalyst. In general, the higher the decomposition ability of peroxide and / or the anion adsorption capacity and the less soluble inorganic anion exchanger having a large specific surface area, the higher the peroxide decomposition action and / or the relatively small amount of fixation. Anion adsorption action is obtained. In general, the durability increases as the amount of the hardly soluble inorganic anion exchanger fixed increases. However, even if the poorly soluble inorganic anion exchanger is fixed excessively, there is no profit, but rather, the cost may be increased, the mechanical properties may be lowered, and the battery performance may be lowered.

例えば、電解質膜の内部、電解質膜の表面、及び/又は、補強材の表面に、微粒子状の難溶性無機アニオン交換体を固定する場合、難溶性無機アニオン交換体の添加量(=難溶性無機アニオン交換体の重量/(難溶性無機アニオン交換体の重量+電解質膜の重量))は、0.01〜1.0wt%が好ましい。難溶性無機アニオン交換体の添加量が0.01wt%未満であると、十分な効果が得られない。一方、難溶性無機アニオン交換体の添加量が1.0wt%を超えると、電解質膜の機械的性質が損なわれる場合がある。   For example, when fixing a particulate hardly soluble inorganic anion exchanger to the inside of the electrolyte membrane, the surface of the electrolyte membrane, and / or the surface of the reinforcing material, the addition amount of the hardly soluble inorganic anion exchanger (= the hardly soluble inorganic anion exchanger) The weight of the anion exchanger / (weight of the hardly soluble inorganic anion exchanger + weight of the electrolyte membrane) is preferably 0.01 to 1.0 wt%. If the addition amount of the hardly soluble inorganic anion exchanger is less than 0.01 wt%, a sufficient effect cannot be obtained. On the other hand, when the amount of the hardly soluble inorganic anion exchanger exceeds 1.0 wt%, the mechanical properties of the electrolyte membrane may be impaired.

また、例えば、触媒層の表面及び/又は内部に微粒子状の難溶性無機アニオン交換体を固定する場合、難溶性無機アニオン交換体の添加量(=難溶性無機アニオン交換体の重量×/触媒層の固形分の重量)は、0.01〜10.0wt%が好ましい。難溶性無機アニオン交換体の添加量が0.01wt%未満であると、十分な効果が得られない。一方、難溶性無機アニオン交換体の添加量が10.0wt%を超えると、内部抵抗が増加し、電池性能が低下する場合がある。   Further, for example, in the case where fine particulate hardly soluble inorganic anion exchanger is fixed on the surface and / or inside of the catalyst layer, the addition amount of the hardly soluble inorganic anion exchanger (= weight of the hardly soluble inorganic anion exchanger × / catalyst layer) Is preferably 0.01 to 10.0 wt%. If the addition amount of the hardly soluble inorganic anion exchanger is less than 0.01 wt%, a sufficient effect cannot be obtained. On the other hand, if the addition amount of the hardly soluble inorganic anion exchanger exceeds 10.0 wt%, the internal resistance may increase and the battery performance may deteriorate.

また、例えば、拡散層の表面(拡散層表面に撥水層が形成される場合には、撥水層の表面及び内部を含む)に難溶性無機アニオン交換体を固定する場合、難溶性無機アニオン交換体の添加量は、0.01〜5.0mg/cm2が好ましい。難溶性無機アニオン交換体の添加量が0.01mg/cm2未満であると、十分な効果が得られない。一方、難溶性無機アニオン交換体の添加量が5.0mg/cm2を超えると、接触抵抗が増加し、電池性能が低下する場合がある。 In addition, for example, when fixing a poorly soluble inorganic anion exchanger on the surface of the diffusion layer (including the surface and the inside of the water repellent layer when a water repellent layer is formed on the surface of the diffusion layer), the poorly soluble inorganic anion The addition amount of the exchanger is preferably 0.01 to 5.0 mg / cm 2 . If the addition amount of the hardly soluble inorganic anion exchanger is less than 0.01 mg / cm 2 , a sufficient effect cannot be obtained. On the other hand, when the addition amount of the sparingly soluble inorganic anion exchanger exceeds 5.0 mg / cm 2 , the contact resistance may increase and the battery performance may deteriorate.

次に、本発明に係る固体高分子型燃料電池の製造方法について説明する。
MEAの構成要素の内、難溶性無機アニオン交換体が固定された電解質膜は、
(1)微粒子状の難溶性無機アニオン交換体を固体高分子電解質又はその前駆体(例えば、ナフィオン(登録商標)のスルホニルフルオライド体)に加えて湿式又は乾式で混練し、膜化する第1の方法、
(2)微粒子状の難溶性無機アニオン交換体又はこれを分散させたスラリーを電解質膜又はその前駆体の表面に、散布、噴霧又は塗布(ドクターブレードを含む。以下同じ。)する第2の方法、
(3)補強材の表面に、上述した第2の方法を用いて微粒子状の難溶性無機アニオン交換体を固定し、この補強材と固体高分子電解質又はその前駆体とを湿式又は乾式で複合化させる第3の方法、
(4)これらの組み合わせ、
等により製造することができる。
Next, a method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described.
Among the constituent elements of MEA, the electrolyte membrane on which the hardly soluble inorganic anion exchanger is fixed is as follows:
(1) First, a particulate, hardly soluble inorganic anion exchanger is kneaded with a solid polymer electrolyte or a precursor thereof (for example, Nafion (registered trademark) sulfonyl fluoride) in a wet or dry manner to form a membrane. the method of,
(2) Second method of spraying, spraying, or applying (including a doctor blade; the same applies hereinafter) to a surface of an electrolyte membrane or a precursor thereof with a finely particulate hardly soluble inorganic anion exchanger or a slurry in which the finely dispersed inorganic anion exchanger is dispersed. ,
(3) A particulate hardly soluble inorganic anion exchanger is fixed to the surface of the reinforcing material using the second method described above, and the reinforcing material and the solid polymer electrolyte or precursor thereof are combined in a wet or dry manner. A third method of
(4) these combinations,
Etc. can be manufactured.

また、MEAの構成要素の内、難溶性無機アニオン交換体が固定された触媒層は、
(1)電極触媒又は電極触媒を担持させた担体と、高分子電解質とを含む溶液(以下、これを「触媒インク」という)に微粒子状の難溶性無機アニオン交換体を加え、ポリテトラフルオロエチレンシート等の高分子材料からなる基体の表面に噴霧又は塗布する第1の方法、
(2)電解質膜表面又は拡散層の表面に、直接、微粒子状の難溶性無機アニオン交換体を含む触媒インクを噴霧又は塗布する第2の方法、
(3)難溶性無機アニオン交換体を含まない触媒インクを用いて触媒層を形成し、微粒子状の難溶性無機アニオン交換体又はこれを分散させたスラリーを触媒層の表面に散布、噴霧又は塗布する第3の方法、
(4)(a)難溶性無機アニオン交換体を構成する金属元素を含む化合物であって、常温で液体であるもの又は適当な溶媒に溶解させることができるもの(例えば、塩、塩化物、アルコキシド、アルコラート、アセチルアセトナート等。)を含む溶液に触媒担体を加え、触媒担体の表面に金属元素を含む化合物を吸着させ、
(b)金属元素を含む化合物の加水分解、加熱分解、電気分解、光分解等を行い、触媒担体表面に微粒子状の難溶性無機アニオン交換体を形成し、
(c)この触媒担体を触媒インクに加えて触媒層を形成する第4の方法、
(5)これらの組み合わせ、
等により製造することができる。
In addition, among the constituent elements of MEA, the catalyst layer to which the sparingly soluble inorganic anion exchanger is fixed,
(1) To a solution containing an electrode catalyst or an electrode catalyst-supported carrier and a polymer electrolyte (hereinafter referred to as “catalyst ink”), a particulate hardly soluble inorganic anion exchanger is added, and polytetrafluoroethylene is added. A first method of spraying or applying to a surface of a substrate made of a polymer material such as a sheet;
(2) a second method of spraying or coating a catalyst ink containing a particulate hardly soluble inorganic anion exchanger directly on the surface of the electrolyte membrane or the surface of the diffusion layer;
(3) A catalyst layer is formed using a catalyst ink that does not contain a sparingly soluble inorganic anion exchanger, and a particulate sparingly soluble inorganic anion exchanger or a slurry in which this is dispersed is sprayed, sprayed or applied on the surface of the catalyst layer. A third way to
(4) (a) A compound containing a metal element constituting a sparingly soluble inorganic anion exchanger, which is liquid at room temperature or can be dissolved in an appropriate solvent (for example, salt, chloride, alkoxide) , Alcoholate, acetylacetonate, etc.) is added to the catalyst carrier, and the compound containing the metal element is adsorbed on the surface of the catalyst carrier,
(B) performing hydrolysis, thermal decomposition, electrolysis, photolysis, etc. of the compound containing the metal element to form a particulate hardly soluble inorganic anion exchanger on the surface of the catalyst carrier;
(C) a fourth method of adding the catalyst carrier to the catalyst ink to form a catalyst layer;
(5) a combination of these,
Etc. can be manufactured.

また、MEAの構成要素の内、難溶性無機アニオン交換体が固定された拡散層は、
(1)微粒状の難溶性無機アニオン交換体又はこれを分散させたスラリーを、カーボンペーパー等の表面に、散布、噴霧又は塗布する第1の方法、
(2)炭素粒子、撥水性粉末(例えば、ポリテトラフルオロエチレン粉末)、及び、微粒子状の難溶性無機アニオン交換体を含むスラリーをカーボンペーパー等の表面に噴霧又は塗布し、難溶性無機アニオン交換体を含む撥水層を形成する第2の方法、
(3)カーボンペーパー等の表面に難溶性無機アニオン交換体を含まない撥水層を形成し、微粒子状の難溶性無機アニオン交換体又はこれを分散させたスラリーを撥水層の表面に、散布、噴霧又は塗布する第3の方法、
(4)触媒層に難溶性無機アニオン交換体を固定するための第4の方法と同様の手順に従い、炭素粒子の表面に微粒子状の難溶性無機アニオン交換体を固定し、これを用いてカーボンペーパー等の表面に撥水層を形成する第4の方法、
(5)拡散層がC系材料である場合において、難溶性無機アニオン交換体を構成する金属元素を含む化合物であって、常温で液体であるもの又は適当な溶媒に溶解させることができるもの(例えば、塩、塩化物、アルコキシド、アルコラート、アセチルアセトナート等。)を含む溶液にC系材料を浸漬し、C系材料の表面及び/又は内部に難溶性無機アニオン交換体を吸着させる第5の方法、
(6)これらの組み合わせ、
等により製造することができる。
In addition, among the constituent elements of MEA, the diffusion layer to which the sparingly soluble inorganic anion exchanger is fixed,
(1) A first method of spraying, spraying, or coating a finely divided hardly soluble inorganic anion exchanger or a slurry in which the finely dispersed inorganic anion exchanger is dispersed on the surface of carbon paper or the like,
(2) Spraying or applying a slurry containing carbon particles, water-repellent powder (for example, polytetrafluoroethylene powder), and finely particulate hardly soluble inorganic anion exchanger on the surface of carbon paper or the like to cause poorly soluble inorganic anion exchange A second method of forming a water repellent layer comprising a body,
(3) A water-repellent layer that does not contain a poorly soluble inorganic anion exchanger is formed on the surface of carbon paper or the like, and a finely particulate hardly soluble inorganic anion exchanger or a slurry in which this is dispersed is dispersed on the surface of the water-repellent layer. A third method of spraying or applying;
(4) According to the same procedure as the fourth method for fixing the sparingly soluble inorganic anion exchanger to the catalyst layer, the particulate sparingly soluble inorganic anion exchanger is fixed on the surface of the carbon particles, and this is used to A fourth method of forming a water repellent layer on the surface of paper or the like;
(5) When the diffusion layer is a C-based material, it is a compound containing a metal element constituting a sparingly soluble inorganic anion exchanger, which is liquid at room temperature or can be dissolved in an appropriate solvent ( For example, a C-based material is immersed in a solution containing a salt, chloride, alkoxide, alcoholate, acetylacetonate, etc.) to adsorb the sparingly soluble inorganic anion exchanger on the surface and / or inside of the C-based material. Method,
(6) a combination of these,
Etc. can be manufactured.

これらの各方法において、難溶性無機アニオン交換体の固定条件(例えば、使用する溶媒の種類、溶液濃度、触媒インクの組成、金属元素を含む化合物の分解条件等)は、電解質膜、触媒層、拡散層及び難溶性無機アニオン交換体の材質や組成、固定方法等に応じて、最適な条件を選択する。   In each of these methods, the fixing conditions of the hardly soluble inorganic anion exchanger (for example, the type of solvent used, the solution concentration, the composition of the catalyst ink, the decomposition conditions of the compound containing a metal element, etc.) are the electrolyte membrane, the catalyst layer, The optimum conditions are selected according to the material and composition of the diffusion layer and the hardly soluble inorganic anion exchanger, the fixing method, and the like.

上述した各種の方法を用いて、電解質膜、触媒層及び拡散層の少なくとも1つに難溶性無機アニオン交換体を固定した後、電解質膜の両面に触媒層を接合し、さらに、必要に応じて、触媒層の表面に拡散層を接合すれば、MEAが得られる。電解質膜と触媒層及び拡散層の接合は、通常、ホットプレスにより行われる。この場合、MEAの製造工程における熱履歴(例えば、拡散層の表面に撥水層を形成する際の焼成温度、ホットプレス温度等)は、400℃以下が好ましい。
さらに、得られたMEAの両面をガス流路を備えたセパレータで挟持してユニットセルとし、このユニットセルを複数個積層すれば、本発明に係る固体高分子型燃料電池が得られる。
After fixing the sparingly soluble inorganic anion exchanger to at least one of the electrolyte membrane, the catalyst layer, and the diffusion layer using the various methods described above, the catalyst layer is bonded to both surfaces of the electrolyte membrane, and if necessary, If a diffusion layer is bonded to the surface of the catalyst layer, MEA is obtained. The joining of the electrolyte membrane, the catalyst layer, and the diffusion layer is usually performed by hot pressing. In this case, the heat history in the MEA manufacturing process (for example, the firing temperature and hot press temperature when forming the water repellent layer on the surface of the diffusion layer) is preferably 400 ° C. or lower.
Furthermore, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention can be obtained by sandwiching both sides of the obtained MEA with a separator having a gas flow path to form a unit cell, and stacking a plurality of unit cells.

次に、本発明に係る固体高分子型燃料電池の作用について説明する。
固体高分子型燃料電池の作動環境下においては、電極反応の副反応として過酸化水素などの過酸化物が生成する。この過酸化物は、Fe2+/Fe3+イオンなどの価数が変わる遷移金属イオン(Mn+/M(n+1)+)の存在下では、次の(2)式の酸化反応、又は(3)式の還元反応によって、ラジカル分解することが知られている。
HOOH+M(n+1)+→HOO・+H++Mn+ ・・・(2)
HOOH+Mn+→HO・+OH-+M(n+1)+ ・・・(3)
Next, the operation of the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described.
Under the operating environment of the polymer electrolyte fuel cell, a peroxide such as hydrogen peroxide is generated as a side reaction of the electrode reaction. In the presence of transition metal ions (M n + / M (n + 1) + ) whose valence changes such as Fe 2+ / Fe 3+ ions, this peroxide is oxidized in the following formula (2): Alternatively, radical decomposition is known by the reduction reaction of the formula (3).
HOOH + M (n + 1) + → HOO. + H + + M n + (2)
HOOH + M n + → HO · + OH + M (n + 1) + (3)

固体高分子型燃料電池は、一般に、補機を用いて電解質膜の加湿が行われており、かつMEAの近傍には、配管類等に由来する遷移金属イオンが存在しているので、過酸化物ラジカルが発生しやすい環境にある。一方、過酸化物のラジカル分解で発生した過酸化物ラジカル(HOO・、HO・など)は、有機高分子化合物のC−H結合を分断し、有機高分子化合物の変質、低分子量化を招くことが知られている。そのため、固体高分子型燃料電池に従来の炭化水素系電解質又は部分フッ素系電解質をそのまま用いると、実用上十分な耐久性が得られない。   In the polymer electrolyte fuel cell, the electrolyte membrane is generally humidified by using an auxiliary device, and transition metal ions derived from piping and the like exist in the vicinity of the MEA. It is in an environment where product radicals are easily generated. On the other hand, peroxide radicals (HOO, HO, etc.) generated by peroxide radical decomposition break the C—H bond of the organic polymer compound, leading to alteration of the organic polymer compound and reduction in molecular weight. It is known. Therefore, if a conventional hydrocarbon-based electrolyte or a partial fluorine-based electrolyte is used as it is in a polymer electrolyte fuel cell, practically sufficient durability cannot be obtained.

また、全フッ素系電解質は、その高分子鎖内にC−H結合が含まれていないために、従来は、過酸化物ラジカルにより劣化しないと考えられていた。しかしながら、本願発明者らは、全フッ素系電解質であっても、燃料電池の作動環境下において劣化し、かつ劣化により燃料電池からFイオンが排出されること、並びに、その原因物質が過酸化物ラジカルであることを見出している。   In addition, since perfluorinated electrolytes do not contain C—H bonds in their polymer chains, it has been conventionally thought that they do not deteriorate due to peroxide radicals. However, the present inventors have found that even if it is a perfluorinated electrolyte, it deteriorates in the operating environment of the fuel cell, and F ions are discharged from the fuel cell due to the deterioration, and the causative substance is a peroxide. It is found to be a radical.

これに対し、上述した難溶性無機アニオン交換体は、過酸化物ラジカルによる劣化を抑制する作用がある。これは、難溶性無機アニオン交換体の固体表面においては、過酸化物がラジカル分解する前に、次の(4)式の還元反応、又は次の(5)式の酸化反応によって、イオン分解するためと考えられる。
22+2H++2e-→2H2O ・・・(4)
22→O2+2H++2e- ・・・(5)
なお、固体表面での反応は、結局、(4)式及び(5)式より、次の(6)式のように、2分子の過酸化水素が衝突して水と酸素に分解する、いわゆる接触分解反応として表される。
2HOOH→2H2O+O2 ・・・(6)
On the other hand, the above-mentioned hardly soluble inorganic anion exchanger has the effect | action which suppresses degradation by a peroxide radical. This is because, on the solid surface of the hardly soluble inorganic anion exchanger, before the peroxide is radically decomposed, it is ion-decomposed by the following reduction reaction (4) or oxidation reaction (5). This is probably because of this.
H 2 O 2 + 2H + + 2e → 2H 2 O (4)
H 2 O 2 → O 2 + 2H + + 2e (5)
The reaction on the solid surface is the so-called two-molecule hydrogen peroxide colliding into water and oxygen as shown in the following equation (6) from the equations (4) and (5). Expressed as catalytic cracking reaction.
2HOOH → 2H 2 O + O 2 (6)

そのため、固体高分子電解質膜、触媒層及び拡散層のいずれか1以上に、難溶性無機アニオン交換体を固定すると、過酸化物ラジカルの生成が抑制され、その結果として、過酸化物ラジカルによる有機化合物の変質、低分子量化等が抑制される。また、固体高分子電解質膜として炭化水素系電解質膜又は部分フッ素系電解質膜を用いた場合であっても、高い耐久性を有する固体高分子型燃料電池が得られる。さらに、固体高分子電解質膜として全フッ素系電解質を用いた場合には、過酸化物ラジカルによる全フッ素系電解質の劣化及びこれに起因するFイオンの溶出が抑制され、さらに耐久性に優れた固体高分子型燃料電池が得られる。
さらに、過酸化物ラジカルは、拡散層や触媒担体などの炭素材料を攻撃し、電池性能の低下を引き起こす。しかしながら、MEAのいずれかに難溶性無機アニオン交換体を固定すると、過酸化物ラジカルが炭素材料を攻撃することに起因する電池性能の劣化を抑制することができる。
Therefore, when a poorly soluble inorganic anion exchanger is fixed to any one or more of the solid polymer electrolyte membrane, the catalyst layer, and the diffusion layer, generation of peroxide radicals is suppressed. Alteration of compounds, lower molecular weight, etc. are suppressed. In addition, even when a hydrocarbon electrolyte membrane or a partial fluorine electrolyte membrane is used as the solid polymer electrolyte membrane, a solid polymer fuel cell having high durability can be obtained. Furthermore, when a perfluorinated electrolyte is used as the solid polymer electrolyte membrane, the deterioration of the perfluorinated electrolyte due to peroxide radicals and the elution of F ions due to this are suppressed, and the solid has excellent durability. A polymer fuel cell is obtained.
Furthermore, peroxide radicals attack carbon materials such as a diffusion layer and a catalyst carrier, causing a decrease in battery performance. However, when a poorly soluble inorganic anion exchanger is fixed to any of the MEAs, it is possible to suppress deterioration in battery performance due to the peroxide radical attacking the carbon material.

また、難溶性無機アニオン交換体は、高温又は低pHの水に対する溶解度が相対的に小さいので、燃料電池環境下において長期間使用しても、これらが溶出するおそれが少ない。そのため、これをMEAのいずれかの部分に固定すれば、長期間に渡って高い耐久性を示す固体高分子型燃料電池が得られる。   In addition, the sparingly soluble inorganic anion exchanger has a relatively low solubility in high-temperature or low-pH water, so that even if it is used in a fuel cell environment for a long period of time, it is less likely to be eluted. Therefore, if this is fixed to any part of the MEA, a polymer electrolyte fuel cell exhibiting high durability over a long period of time can be obtained.

また、希土類元素、遷移金属元素及び典型金属元素は、比較的資源量に富み、Pt等の貴金属に比べて安価である。そのため、これらの金属元素を含む難溶性無機アニオン交換体をMEAのいずれかに固定すれば、過酸化物分解触媒としてPt等の貴金属元素を多量に用いる必要がない。すなわち、固体高分子型燃料電池を高コスト化することなく、その耐久性を向上させることができる。特に、Ce、La、Y、Zr等を含む難溶性無機アニオン交換体は、相対的に安価であることに加えて、過酸化物の分解作用が高いので、固体高分子型燃料電池の高コスト化を招くことなく、耐久性を飛躍的に向上させることができる。   In addition, rare earth elements, transition metal elements, and typical metal elements are relatively rich in resources and are less expensive than noble metals such as Pt. Therefore, if a hardly soluble inorganic anion exchanger containing these metal elements is fixed to any of the MEAs, it is not necessary to use a large amount of noble metal elements such as Pt as a peroxide decomposition catalyst. That is, the durability of the polymer electrolyte fuel cell can be improved without increasing the cost. In particular, sparingly soluble inorganic anion exchangers containing Ce, La, Y, Zr and the like are relatively inexpensive and have a high peroxide decomposition action, so that the high cost of the polymer electrolyte fuel cell is high. Durability can be dramatically improved without incurring any increase in the cost.

さらに、燃料電池のような電位変動が生ずる環境下では、特に空気極側において、Pt等の貴金属触媒の溶出及び粒成長が起こり、触媒能が劣化する。この劣化は、ハロゲンイオンが共存することによってさらに促進される。この点は、本願発明者等が初めて見出したものである。
特に、Cl-イオンは、大気の塵埃(海水飛沫、融雪塩等)、雨水等に含まれており、これらが運転中に空気極側のフィルターを通過して燃料電池内部に混入することがある。また、ハロゲンイオンは、新品状態の触媒担体、触媒金属、電解質にも数ppmのレベルで存在しており、さらにMEA製造過程、スタック製造過程でも混入する。そのため、長期間の使用によって電極劣化が進行し、長期の耐久性を確保することが困難であった。
さらに、ハロゲンイオンは、燃料電池内にある金属材料を腐食させる原因ともなる。
Further, in an environment where a potential fluctuation occurs as in a fuel cell, elution and grain growth of a noble metal catalyst such as Pt occurs particularly on the air electrode side, and the catalytic performance deteriorates. This deterioration is further promoted by the coexistence of halogen ions. This point was first discovered by the present inventors.
In particular, Cl - ions are contained in atmospheric dust (seawater splashes, snowmelt salt, etc.), rainwater, etc., and these may pass through the filter on the air electrode side during operation and enter the fuel cell. . In addition, halogen ions are also present in the catalyst carrier, catalyst metal, and electrolyte in a new state at a level of several ppm, and are also mixed in the MEA manufacturing process and the stack manufacturing process. Therefore, electrode deterioration has progressed with long-term use, and it has been difficult to ensure long-term durability.
Furthermore, the halogen ions cause corrosion of the metal material in the fuel cell.

これに対し、難溶性無機アニオン交換体は、OH基、結晶水、又はハロゲンイオンと交換可能なアニオン基を有しているので、ハロゲンイオンのようなアニオンを吸着する作用がある。
例えば、難溶性無機アニオン交換体の一種であるLa(OH)3は、次の(7)〜(9)式に従ってF-イオンを吸着すると考えられる。
La(OH)3+F- → La(OH)2F+OH- ・・・(7)
La(OH)2F+F- → La(OH)F2+OH- ・・・(8)
La(OH)F2+F- → LaF3+OH- ・・・(9)
また、例えば、Biの含水オキシ酸化物の一種であるBiO(NO3)・nH2O(5/3≧n>0)は、酸化ビスマス(Bi23)粉末と硝酸ビスマス五水和物(Bi(NO3)3・5H2O)の粉末とをモル比で1:1になるように混合し、室温〜80℃で反応させることにより得られる(特開2000−016814号公報)。この含水オキシ酸化物を有効成分とする難溶性無機アニオン交換体とハロゲンイオンとを反応させると、ハロゲンイオンをBiOX(X=I、Br、Cl、F)として除去することができる。
そのため、このような難溶性無機アニオン交換体を電解質膜又は電極に添加すれば、燃料電池内の微量のハロゲンイオンを除去することができ、ハロゲンイオンに起因する触媒能の低下及び金属材料の腐食を抑制することができる。
On the other hand, the hardly soluble inorganic anion exchanger has an anion group exchangeable with OH group, crystal water, or halogen ion, and therefore has an action of adsorbing an anion such as halogen ion.
For example, it is considered that La (OH) 3 , which is a kind of hardly soluble inorganic anion exchanger, adsorbs F ions according to the following formulas (7) to (9).
La (OH) 3 + F → La (OH) 2 F + OH (7)
La (OH) 2 F + F → La (OH) F 2 + OH (8)
La (OH) F 2 + F → LaF 3 + OH (9)
For example, BiO (NO 3 ) · nH 2 O (5/3 ≧ n> 0), which is a kind of Bi-containing oxyoxide, is composed of bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) powder and bismuth nitrate pentahydrate. (Bi (NO 3 ) 3 .5H 2 O) powder is mixed at a molar ratio of 1: 1 and reacted at room temperature to 80 ° C. (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-016814). When a sparingly soluble inorganic anion exchanger containing this hydrous oxyoxide as an active ingredient is reacted with a halogen ion, the halogen ion can be removed as BiOX (X = I, Br, Cl, F).
Therefore, if such a poorly soluble inorganic anion exchanger is added to the electrolyte membrane or electrode, a trace amount of halogen ions in the fuel cell can be removed, and the catalytic ability is reduced due to the halogen ions and the corrosion of the metal material. Can be suppressed.

(白金溶解試験(1): QCM法による重量変化と白金溶解量の関係)
水晶振動子微量天秤(quartz crystal microbalance:QCM)法を用いて、白金の重量変化と白金溶解量の関係を調べた。
白金板に水晶振動子を取り付け、これを100ppmのCl-イオンを含む水溶液中に浸漬した。所定時間経過後、共振周波数から水晶振動子付白金板の重量変化を求めた。また、これと同時に溶液を採取し、溶液中の白金濃度をICPにより分析した。以下、同様にして、水晶振動子付白金板の重量変化と溶液中の白金濃度を、溶液中への浸漬時間を変えて測定した。
図1に、QCM法により求めた白金溶解量とICP分析により求めた白金溶解量の関係を示す。図1より、両者は比例関係にあり、白金の重量減少量(QCM法)と白金の溶解量(ICP分析)が対応していることがわかる。
なお、QCM法は、その共振周波数から水晶振動子の重量変化を求める方法である。重量変化の原因としては、水分子やアニオンの吸脱着、あるいは白金の溶解・析出が考えられるが。前者による重量変化については、水分子やアニオンの吸着状態(作用極の電極電位)が同じである場合、考えなくて良い。その場合の重量変化の原因は、すべて白金の溶解・析出にあると考えられる。
また、ICPより求めた白金溶解量がQCM法により求めた重量減少より若干少ないのは、後者では理論式を用いたため、計算して得られた重量減少量と実際のそれとで若干のずれが生じたためと考えられる。
(Platinum dissolution test (1): Relationship between weight change by QCM method and platinum dissolution amount)
Using the quartz crystal microbalance (QCM) method, the relationship between platinum weight change and platinum dissolution was investigated.
A quartz crystal unit was attached to a platinum plate and immersed in an aqueous solution containing 100 ppm of Cl - ions. After a predetermined time, the change in weight of the platinum plate with a crystal resonator was determined from the resonance frequency. At the same time, a solution was collected and the platinum concentration in the solution was analyzed by ICP. Hereinafter, in the same manner, the weight change of the platinum plate with a crystal resonator and the platinum concentration in the solution were measured by changing the immersion time in the solution.
FIG. 1 shows the relationship between the platinum dissolution amount determined by the QCM method and the platinum dissolution amount determined by ICP analysis. From FIG. 1, it can be seen that the two are in a proportional relationship, and the weight loss of platinum (QCM method) corresponds to the dissolution amount of platinum (ICP analysis).
The QCM method is a method for obtaining a change in weight of the crystal resonator from the resonance frequency. Possible causes of weight change include adsorption / desorption of water molecules and anions, and dissolution / precipitation of platinum. The weight change due to the former need not be considered when the adsorption state of water molecules and anions (electrode potential of the working electrode) is the same. The cause of the weight change in that case is considered to be all due to dissolution and precipitation of platinum.
The reason why the amount of dissolved platinum obtained by ICP is slightly less than the weight loss obtained by the QCM method is that the latter uses a theoretical formula, so there is a slight difference between the weight loss obtained by calculation and the actual weight loss. It is thought that it was because of.

(白金溶解試験(2): 白金溶解速度に対するCl-濃度の影響)
QCM法を用いて、白金の溶解速度に対するCl-濃度の影響を調べた。溶液には、所定量のNaClを含む0.1M硫酸水溶液を用いた。温度は室温とし、作用電極(水晶振動子を取り付けた白金板)の電位を0.5Vと1.4Vの間で9.9V・s-1でスウィープしながらサイクルした。
図2に、2000サイクル経過時の重量減少(白金溶解)量を示す。図2より、Cl-濃度の増加に伴い、白金溶解速度が直線的に増加することがわかる。これは、Cl-イオンが共存すると、アクアイオン(Pt2+、Pt4+)に比べて安定な[PtCl4]2-、あるいは[PtCl6]4-が形成され、白金の溶解が促進されるためと考えられる。
以上から、実際の燃料電池において、触媒近傍に存在するCl-を除去することで、白金の溶解を抑制できると考えられる。
(Platinum dissolution test (2): Cl to platinum dissolution rate - Concentration Effect of)
The effect of Cl - concentration on the dissolution rate of platinum was investigated using the QCM method. As the solution, a 0.1 M sulfuric acid aqueous solution containing a predetermined amount of NaCl was used. The temperature was set to room temperature, and cycling was performed while sweeping the potential of the working electrode (platinum plate with a quartz resonator attached) between 0.5 V and 1.4 V at 9.9 V · s −1 .
FIG. 2 shows the weight loss (platinum dissolution) amount after 2000 cycles. From FIG. 2, Cl - with increasing concentration, platinum dissolution rate seen to increase linearly. This is because when Cl ions coexist, stable [PtCl 4 ] 2− or [PtCl 6 ] 4− is formed compared to aqua ions (Pt 2+ , Pt 4+ ), and the dissolution of platinum is promoted. It is thought to be for this purpose.
From the above, in the actual fuel cell, Cl present in the vicinity of the catalyst - to remove the, considered can be suppressed dissolution of platinum.

(触媒中のCl-の定量)
後述する触媒インク作製時に用いた白金担持カーボン中に、不純物としてどれだけCl-が存在するかを調べるために、以下の実験を行った。
(1) 白金担持カーボン0.5gを10mLの蒸留水に浸漬し、80℃で24時間保持した。
(2) 上記溶液をイオンクロマトにて分析した。
上記溶液中のCl-濃度は、0.3ppmであった。バックグラウンド測定として白金担持カーボンを入れずに行った試験では、Cl-が検出されなかったことから、このCl-は白金担持カーボン中に不純物として存在していたものである。この値から、実際の燃料電池における白金近傍のCl-濃度は、50ppmと見積もられる(相対湿度100%においてナフィオン(登録商標)の含水率が30%であり、すべてのCl-がナフィオン(登録商標)へ溶け出すと仮定)。実際には、燃料電池の製造工程や運転時にCl-が取り込まれ、Cl-濃度が上述の試算よりさらに高くなる可能性がある。図2より、試算されたCl-濃度は、白金溶出を促進するに十分であり、このCl-を除去することが触媒の耐久性向上に不可欠であることがわかる。
(Cl in the catalyst - Quantification)
In order to examine how much Cl is present as an impurity in the platinum-supported carbon used in the preparation of the catalyst ink described later, the following experiment was conducted.
(1) 0.5 g of platinum-supporting carbon was immersed in 10 mL of distilled water and held at 80 ° C. for 24 hours.
(2) The solution was analyzed by ion chromatography.
The Cl concentration in the solution was 0.3 ppm. In tests performed without a platinum-supported carbon as a background measurement, Cl - since is not detected, the Cl - is what was present as an impurity in carbon-supported platinum. From this value, the Cl concentration in the vicinity of platinum in an actual fuel cell is estimated to be 50 ppm (the water content of Nafion (registered trademark) is 30% at 100% relative humidity, and all Cl is Nafion (registered trademark). )). Actually, Cl - is taken in during the manufacturing process and operation of the fuel cell, and the Cl - concentration may be higher than the above-mentioned estimation. As can be seen from FIG. 2, the estimated Cl concentration is sufficient to promote platinum elution, and removal of this Cl is essential for improving the durability of the catalyst.

(実施例1、参考例2〜9、比較例1〜9: Fイオン吸着試験)
ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製のキャップ付き容器にFイオン(F濃度1000ppmのNaF水溶液を使用)を20ppm含む1wt%過酸化水素水溶液50mLと、各種含水酸化物又は水酸化物(粒径:1〜6μm)を1000ppm加え、2分間超音波を当てて水中で十分に分散させた。さらに、溶液中に過酸化物ラジカルを発生させるためにFeCl2をFe10ppmとなるように加え、100℃×8hr加熱した。その後、孔径0.1μmのPTFE製ろ紙で濾過した後、ろ液中のF濃度をオリオンリサーチ社製のイオン選択性電極で測定した。
試薬は、和光純薬工業(株)製、キシダ化学(株)製、又は高純度化学研究所製のものを用いた。また、含水酸化物のnの値は約2であり、Mが4価の金属元素である場合、M(OH)4とも表せる。
(Example 1, Reference Examples 2-9, Comparative Examples 1-9: F ion adsorption test)
A container with cap made of polytetrafluoroethylene (PTFE), 50 mL of a 1 wt% hydrogen peroxide aqueous solution containing 20 ppm of F ions (using an NaF aqueous solution having an F concentration of 1000 ppm), and various hydrous oxides or hydroxides (particle size: 1 ˜6 μm) was added, and the mixture was sufficiently dispersed in water by applying ultrasonic waves for 2 minutes. Further, in order to generate peroxide radicals in the solution, FeCl 2 was added so as to be 10 ppm of Fe, and heated at 100 ° C. for 8 hours. Then, after filtering with PTFE filter paper having a pore size of 0.1 μm, the F concentration in the filtrate was measured with an ion selective electrode manufactured by Orion Research.
The reagent used was a product manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Kishida Chemical Co., Ltd., or High Purity Chemical Laboratory. In addition, the value of n of the hydrous oxide is about 2, and when M is a tetravalent metal element, it can be expressed as M (OH) 4 .

表1に、溶液中に残存しているFイオン濃度を示す。溶液中のFイオン濃度が低いことは、過酸化物ラジカルが存在する環境下におけるFイオン吸着能が高いことを示す。
表1より、実施例1、参考例2〜9で用いた含水酸化物又は水酸化物は、アニオン吸着力及び触媒活性に優れるオキシ水酸化物であるα−FeOOHよりもFイオン吸着力が高いことがわかる。また、Ceの含水酸化物CeO2・nH2Oの単位重量当たりのFイオン吸着力は、Ceの酸化物、リン酸塩、炭酸塩、フッ化物よりもはるかに大きいことがわかる。
Table 1 shows the F ion concentration remaining in the solution. A low F ion concentration in the solution indicates a high F ion adsorption ability in an environment where peroxide radicals exist.
From Table 1, the hydrous oxide or hydroxide used in Example 1 and Reference Examples 2 to 9 has higher F ion adsorption power than α-FeOOH which is an oxyhydroxide excellent in anion adsorption power and catalytic activity. I understand that. It can also be seen that the Ce ion-containing oxide CeO 2 · nH 2 O has a much larger F ion adsorption power per unit weight than Ce oxides, phosphates, carbonates and fluorides.

Figure 0005090717
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実施例10、参考例11〜19、比較例10〜14: 過酸化水素の分解率)
PTFE製のキャップ付き容器に1.0wt%の過酸化水素水溶液50mLと、各種含水酸化物又は水酸化物(粒径:1〜6μm)を100ppm加え、2分間超音波を当てて水中で十分に分散させた。その後、100℃×1hr加熱し、過酸化水素を分解させた。試験液を定性ろ紙で濾過した後、ろ液中の過酸化水素濃度C(wt%)を測定した。試料極には、Pt平滑板を用い、0.1MH2SO4中で1.2V vs. NHEで定電位酸化し、過酸化水素濃度Cを10分後の電流値から電気化学的に定量した。過酸化水素の分解率は、(1)式により求めた。
( Example 10, Reference Examples 11-19 , Comparative Examples 10-14: Hydrogen peroxide decomposition rate)
Add 100 mL of 1.0 wt% aqueous hydrogen peroxide solution and 100 ppm of various hydrous oxides or hydroxides (particle size: 1 to 6 μm) to a PTFE capped container and apply ultrasonic waves for 2 minutes. Dispersed. Thereafter, it was heated at 100 ° C. for 1 hour to decompose hydrogen peroxide. After the test solution was filtered with qualitative filter paper, the hydrogen peroxide concentration C (wt%) in the filtrate was measured. For the sample electrode, a Pt smooth plate was used, and constant potential oxidation was performed at 0.1 V vs. NHE in 0.1 MH 2 SO 4 , and the hydrogen peroxide concentration C was electrochemically determined from the current value after 10 minutes. . The decomposition rate of hydrogen peroxide was determined by equation (1).

表2に、過酸化水素の分解率を示す。実施例10、参考例11〜19の過酸化水素の分解率ηは、いずれもCeのリン酸塩(比較例10)、Ceのフッ化物(比較例11)、Laの酸化物(比較例12)、及びFeのオキシ水酸化物(比較例13)に比べて大きいことがわかる。また、Bi23(比較例14)の分解率は22%であるのに対し、Bi(OH)3参考例15)の分解率は、45.3%であった。 Table 2 shows the decomposition rate of hydrogen peroxide. The decomposition rate η of hydrogen peroxide in Example 10 and Reference Examples 11 to 19 are all Ce phosphate (Comparative Example 10), Ce fluoride (Comparative Example 11), and La oxide (Comparative Example 12). ) And Fe oxyhydroxide (Comparative Example 13). The decomposition rate of Bi 2 O 3 (Comparative Example 14) was 22%, while the decomposition rate of Bi (OH) 3 ( Reference Example 15 ) was 45.3%.

Figure 0005090717
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(実施例20〜23、参考例24〜26、比較例15〜16: 触媒層への添加量の影響)
60wt%Pt/C触媒0.5gに、平均粒径2μmのCeO2・nH2O粉末を加え、さらに、蒸留水2.0g、エタノール2.5g、プロピレングリコール1.0g、22wt%ナフィオン(登録商標)溶液(デュポン社製)0.9gをこの順で加え、超音波ホモジナイザーで分散させて触媒インクを作製した。これをPTFEシート上に塗布、乾燥して転写電極を得た。CeO2・nH2O粉末の添加量は、触媒層の固形分重量の0.005〜15.0wt%とした。また、Pt使用量は、カソードが0.5〜0.6mg/cm2、アノードが0.3〜0.4mg/cm2の範囲で一定とした。
これらの電極を36mm角に切り出し、F系電解質の両面に熱圧着(120℃、50kgf/cm2(4.9MPa))して、MEAを作製した。CeO2・nH2O粉末の添加は、空気極のみ、水素極のみ、両極の各々とし、F系電解質膜には、ナフィオン(登録商標)112を用いた。拡散層は、炭素繊維織物からなるカーボンクロスを用い、電極面側にアセチレンブラックとPTFE粒子からなる撥水層を10mg/cm2の目付量になるようにスプレー塗布し、N2雰囲気炉で200℃×30分間の焼き付け処理を行った。
(Examples 20 to 23, Reference Examples 24 to 26 , Comparative Examples 15 to 16: Influence of the amount added to the catalyst layer)
CeO 2 · nH 2 O powder with an average particle diameter of 2 μm was added to 0.5 g of 60 wt% Pt / C catalyst, and 2.0 g of distilled water, 2.5 g of ethanol, 1.0 g of propylene glycol, and 22 wt% Nafion (registered) (Trademark) solution (manufactured by DuPont) 0.9 g was added in this order, and dispersed with an ultrasonic homogenizer to prepare a catalyst ink. This was applied onto a PTFE sheet and dried to obtain a transfer electrode. The amount of CeO 2 · nH 2 O powder added was 0.005 to 15.0 wt% of the solid content of the catalyst layer. Further, Pt usage, cathode 0.5~0.6mg / cm 2, the anode is constant in the range of 0.3~0.4mg / cm 2.
These electrodes were cut into 36 mm squares, and thermocompression-bonded (120 ° C., 50 kgf / cm 2 (4.9 MPa)) on both sides of the F-based electrolyte to prepare an MEA. CeO 2 · nH 2 O powder was added only to the air electrode, only the hydrogen electrode, and both electrodes, and Nafion (registered trademark) 112 was used as the F-based electrolyte membrane. Diffusion layer, using a carbon cloth made of carbon fiber fabric, a water-repellent layer made of acetylene black and PTFE particles to the electrode surface by spray coating so that the basis weight of 10 mg / cm 2, in N 2 atmosphere furnace 200 A baking treatment at 30 ° C. for 30 minutes was performed.

得られたMEAについて耐久試験を行った。耐久試験条件は、以下の通りである。
アノードガス:H2(100mL/min)
カソードガス:空気(100mL/min)
セル温度:80℃
加湿器温度:80℃(アノード側、カソード側ともに)
試験時間:開回路1分、0.1A/cm2での1分間の発電を1サイクルとするサイクル試験を150時間。
The durability test was performed on the obtained MEA. The durability test conditions are as follows.
Anode gas: H 2 (100 mL / min)
Cathode gas: air (100 mL / min)
Cell temperature: 80 ° C
Humidifier temperature: 80 ° C (both anode and cathode)
Test time: Open circuit 1 minute, cycle test with 1 cycle of power generation per minute at 0.1 A / cm 2 for 150 hours.

耐久試験前及び耐久試験終了後において、0.8A/cm2における電圧値を測定し、この電圧値の低下割合(=ΔV/V0。V0は耐久試験前の電圧値、ΔVは耐久試験前後の電圧の変化量の絶対値。)を比較した。また、試験開始後24hr〜48hrの間に回収した空気極側ドレイン水をサンプリングして、F濃度をオリオンリサーチ社製のイオン選択性電極で測定した。
比較として、触媒層にα−FeOOHを10.0wt%添加したもの(比較例16)、及び何も添加しなかったもの(比較例15)についても、同様に耐久試験を行った。
The voltage value at 0.8 A / cm 2 was measured before and after the endurance test, and the rate of decrease in this voltage value (= ΔV / V 0. V 0 is the voltage value before the endurance test, and ΔV is the endurance test. The absolute value of the change in voltage before and after.) Was compared. Moreover, the air electrode side drain water collect | recovered between 24hr-48hr after the test start was sampled, and F density | concentration was measured with the ion selective electrode by Orion Research.
As a comparison, the durability test was similarly performed for the catalyst layer with 10.0 wt% of α-FeOOH added (Comparative Example 16) and with nothing added (Comparative Example 15).

表3に、その結果を示す。表3より、触媒層にCeO2・nH2O粉末を添加すると、無添加及びα−FeOOH添加に比べて、電圧低下が小さく、溶液中に排出されたF濃度も低いことがわかる。CeO2・nH2O粉末の添加量が15.0wt%である場合(参考例26)、セル抵抗が増加し、0.8A/cm2の発電を安定して行うことができず、耐久試験を行うことができなかった。しかしながら、CeO2・nH2O粉末の添加量を0.01〜10.0wt%とすると、比較例15及び16に比べて、電圧低下とF排出量を大幅に低減できることがわかった。 Table 3 shows the results. From Table 3, it can be seen that when CeO 2 · nH 2 O powder is added to the catalyst layer, the voltage drop is smaller and the concentration of F discharged into the solution is lower than when no addition and α-FeOOH are added. When the addition amount of CeO 2 · nH 2 O powder is 15.0 wt% ( Reference Example 26 ), the cell resistance increases, and power generation of 0.8 A / cm 2 cannot be stably performed, and the durability test is performed. Could not do. However, it was found that when the addition amount of the CeO 2 · nH 2 O powder is 0.01 to 10.0 wt%, the voltage drop and the F discharge amount can be significantly reduced as compared with Comparative Examples 15 and 16.

Figure 0005090717
Figure 0005090717

参考例27〜28、比較例17: 温度履歴の影響(1))
0.1M Ce(NO3)3水溶液100mLに1.0M NH3水溶液100mLを加え、攪拌しながら80℃×4hr反応させ、水酸化セリウムの沈殿を生成させた。途中で30wt%過酸化水素水を10mL添加して、Ce3+からCe4+への変換を促した。このゲルを濾過して冷水で十分に洗浄し、過剰のアンモニアを除去した。さらに、得られたゲル(含水酸化物)を80℃、400℃、500℃の各温度で大気中4hrの乾燥を行った。
乾燥させたゲルについて、実施例1、参考例2〜9と同一の方法を用いて、F吸着性能を測定した。また、乾燥させたゲルをさらに600℃×2hrで乾燥させ、600℃乾燥前後の重量変化から含水量を求めた。
( Reference Examples 27 to 28 , Comparative Example 17: Influence of Temperature History (1))
To 100 mL of 0.1 M Ce (NO 3 ) 3 aqueous solution, 100 mL of 1.0 M NH 3 aqueous solution was added and reacted with stirring at 80 ° C. for 4 hours to form a cerium hydroxide precipitate. In the middle, 10 mL of 30 wt% hydrogen peroxide water was added to promote conversion from Ce 3+ to Ce 4+ . The gel was filtered and washed thoroughly with cold water to remove excess ammonia. Furthermore, the obtained gel (hydrous oxide) was dried in the atmosphere at 80 ° C., 400 ° C., and 500 ° C. for 4 hours.
About the dried gel, F adsorption | suction performance was measured using the same method as Example 1 and Reference Examples 2-9 . Further, the dried gel was further dried at 600 ° C. × 2 hr, and the water content was determined from the change in weight before and after drying at 600 ° C.

表4に、含水量及び溶液中に残存しているFイオン濃度を示す。表4より、乾燥温度が高くなるほど、含水量が低下し、溶液中のFイオン濃度が増加(F吸着能が低下)することがわかる。なお、粉末XRDの結果、500℃、600℃乾燥を行ったものは、含水のCeO2に由来する幅広い回折線は見られず、立方晶の無水CeO2に由来する鋭い回折線が見られた。 Table 4 shows the water content and the F ion concentration remaining in the solution. From Table 4, it can be seen that the higher the drying temperature, the lower the water content, and the F ion concentration in the solution increases (F adsorption capacity decreases). In addition, as a result of the powder XRD, when subjected to drying at 500 ° C. and 600 ° C., a wide diffraction line derived from water-containing CeO 2 was not observed, but a sharp diffraction line derived from cubic anhydrous CeO 2 was observed. .

Figure 0005090717
Figure 0005090717

参考例29、比較例18: 温度履歴の影響(2))
CeO2・nH2Oに代えて、80℃で乾燥させたCe(OH)4参考例29)及び500℃で乾燥させたCe(OH)4(比較例18)を用いた以外は、実施例20と同様の手順に従い、MEAを作製した。Ce(OH)4の添加量は、いずれも5.0wt%とした。
得られたMEAについて、実施例20と同一条件下で電圧低下割合及び空気極側ドレイン水中のF濃度を測定した。
表5にその結果を示す。表5より、80℃乾燥は、500℃乾燥に比べて、電池劣化が大幅に抑制されることがわかる。
( Reference Example 29 , Comparative Example 18: Influence of Temperature History (2))
Implemented except that Ce (OH) 4 ( Reference Example 29 ) dried at 80 ° C. and Ce (OH) 4 (Comparative Example 18) dried at 500 ° C. were used in place of CeO 2 .nH 2 O. A MEA was prepared following the same procedure as in Example 20. The amount of Ce (OH) 4 added was 5.0 wt% in all cases.
For the obtained MEA, the voltage drop rate and the F concentration in the air electrode side drain water were measured under the same conditions as in Example 20.
Table 5 shows the results. From Table 5, it can be seen that 80 ° C. drying significantly suppresses battery deterioration compared to 500 ° C. drying.

Figure 0005090717
Figure 0005090717

参考例30〜34、比較例19: 電解質膜への添加量の影響)
ZrO2・nH2O(キシダ化学製)を電解質膜に添加した。電解質膜への添加方法は、ガラスシャーレを用いたキャスト法とした。すなわち、ナフィオン(登録商標)ソリューション(デュポン社製)の固形樹脂成分に対し、0.005〜1.5wt%添加し、4分間の超音波攪拌の後、ガラスシャーレにキャストした。次いで、溶媒を60℃で除去し、最終的に120℃×2hr乾燥させた。
次に、60wt%Pt/C触媒0.5gに蒸留水2.0g、エタノール2.5g、プロピレングリコール1.0g、22wt%ナフィオン(登録商標)溶液(デュポン社製)0.9gをこの順で加え、超音波ホモジナイザーで分散させて触媒インクを作製した。これをPTFEシート上に塗布し、乾燥して転写電極を得た。Pt使用量は、カソードが0.5〜0.6mg/cm2、アノードが0.3〜0.4mg/cm2の範囲で一定とした。これらの電極を36mm角に切り出し、キャスト膜の両面に熱圧着(120℃、50kgf/cm2(4.9MPa))して、MEAを作製した。拡散層は、実施例20で使用したものと同じものを用いた。
( Reference Examples 30 to 34 , Comparative Example 19: Influence of the amount added to the electrolyte membrane)
ZrO 2 · nH 2 O (manufactured by Kishida Chemical) was added to the electrolyte membrane. The addition method to the electrolyte membrane was a casting method using a glass petri dish. That is, 0.005 to 1.5 wt% was added to the solid resin component of Nafion (registered trademark) solution (manufactured by DuPont), and the mixture was cast into a glass petri dish after ultrasonic stirring for 4 minutes. The solvent was then removed at 60 ° C. and finally dried at 120 ° C. for 2 hours.
Next, 0.5 g of 60 wt% Pt / C catalyst was charged with 2.0 g of distilled water, 2.5 g of ethanol, 1.0 g of propylene glycol, and 0.9 g of 22 wt% Nafion (registered trademark) solution (manufactured by DuPont) in this order. In addition, a catalyst ink was prepared by dispersing with an ultrasonic homogenizer. This was applied onto a PTFE sheet and dried to obtain a transfer electrode. Pt usage, cathode 0.5~0.6mg / cm 2, the anode is constant in the range of 0.3~0.4mg / cm 2. These electrodes were cut into 36 mm squares and thermocompression-bonded (120 ° C., 50 kgf / cm 2 (4.9 MPa)) on both sides of the cast film to prepare MEAs. The same diffusion layer as that used in Example 20 was used.

キャスト膜を製造後、目視により製膜状況を調べた。なお、ひび割れが多数発生し、不均一な膜となったものを「×」、均一な膜となった場合を「○」とした。
また、MEAについて耐久試験を行った。耐久試験は、実施例20と同一条件下で行い、耐久試験前後で0.8A/cm2における電圧値の低下割合を比較した。
表6に、その結果を示す。添加量が1.5wt%になると、自立した膜が得られず、発電試験を行うことができなかった。一方、添加量が0.01〜1.0wt%であると、製膜性を低下させることなく、電圧低下を抑制できることがわかった。
After the cast film was manufactured, the film formation state was examined visually. In addition, a case where a lot of cracks occurred and a non-uniform film was formed was designated as “X”, and a case where a uniform film was formed was designated as “◯”.
Moreover, the durability test was done about MEA. The durability test was performed under the same conditions as in Example 20, and the voltage value decrease rate at 0.8 A / cm 2 was compared before and after the durability test.
Table 6 shows the results. When the addition amount was 1.5 wt%, a self-supporting film could not be obtained and the power generation test could not be performed. On the other hand, it was found that when the addition amount was 0.01 to 1.0 wt%, the voltage drop could be suppressed without reducing the film forming property.

Figure 0005090717
Figure 0005090717

参考例35〜39、比較例20: 拡散層への添加量の影響)
拡散層は、炭素繊維織物からなるカーボンクロスを用い、電極面側にアセチレンブラックとPTFE粒子とLa(OH)3粉末(和光純薬工業(株)製)とを含む撥水ペーストをスプレー塗布し、撥水層を形成した。撥水層の全体の目付量は、10mg/cm2とし、La(OH)3粉末の添加量は、0.005〜6.0mg/cm2とした。
得られた拡散層を用いてMEAを作製した。なお、La(OH)3を含む拡散層の使用は、両極、空気極のみ、又は燃料極のみとした。また、MEAの製造条件は、触媒層にCeO2・nH2O粉末を添加しなかった以外は、実施例20と同一とした。
さらに、得られたMEAを用いて耐久試験を行った。耐久試験条件は、実施例20と同一とした。
( Reference Examples 35 to 39 , Comparative Example 20: Influence of the amount added to the diffusion layer)
The diffusion layer is made of carbon cloth made of carbon fiber fabric, and sprayed with a water repellent paste containing acetylene black, PTFE particles, and La (OH) 3 powder (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) on the electrode surface side. A water repellent layer was formed. The total basis weight of the water repellent layer was 10 mg / cm 2, and the amount of La (OH) 3 powder added was 0.005 to 6.0 mg / cm 2 .
An MEA was produced using the obtained diffusion layer. The diffusion layer containing La (OH) 3 was used only for both electrodes, only the air electrode, or only the fuel electrode. The MEA production conditions were the same as in Example 20 except that no CeO 2 · nH 2 O powder was added to the catalyst layer.
Furthermore, a durability test was performed using the obtained MEA. The durability test conditions were the same as in Example 20.

表7に、その結果を示す。拡散層へのLa(OH)3の添加量が6.0mg/cm2である場合、親水性が高すぎたために0.8A/cm2での電圧値が不安定となり、耐久試験を行うことができなかった。一方、添加量が0.01〜5.0mg/cm2であると、電圧低下を抑制できることがわかった。 Table 7 shows the results. When the amount of La (OH) 3 added to the diffusion layer is 6.0 mg / cm 2 , the hydrophilicity is too high, and the voltage value at 0.8 A / cm 2 becomes unstable, and a durability test should be performed. I could not. On the other hand, it was found that the voltage drop can be suppressed when the addition amount is 0.01 to 5.0 mg / cm 2 .

Figure 0005090717
Figure 0005090717

参考例40〜42、比較例21: 触媒層への市販無機アニオン交換体の添加)
[1. 無機アニオン交換体を含む触媒インクの作製]
白金担持カーボン(Pt担持量45wt%)0.5gに対してイオン交換体(IXE−550(東亞合成(株)製))0.025g、及び蒸留水4gを加え、超音波分散(3分)した後、30分間放置した。この溶液にエタノール2g、プロピレングリコール1g、及びナフィオン(登録商標)溶液1gを加えて超音波分散(3分)し、触媒インク(以下、これを「触媒インク(A)」という)を得た。
[2. 無機アニオン交換体を含まない触媒インクの作製]
白金担持カーボン0.5gに対して、蒸留水4gを加え、超音波分散(3分)した後、30分間放置した。この溶液に対してエタノール2g、プロピレングリコール1g、及びナフィオン(登録商標)溶液1gを加えて超音波分散(3分)し、触媒インク(以下、これを「触媒インク(B)」という)を得た。
( Reference Examples 40 to 42 , Comparative Example 21: Addition of a commercially available inorganic anion exchanger to the catalyst layer)
[1. Preparation of catalyst ink containing inorganic anion exchanger]
0.025 g of ion exchanger (IXE-550 (manufactured by Toagosei Co., Ltd.)) and 4 g of distilled water are added to 0.5 g of platinum-supported carbon (45 wt% of Pt supported), and ultrasonic dispersion (3 minutes) And left for 30 minutes. 2 g of ethanol, 1 g of propylene glycol, and 1 g of Nafion (registered trademark) solution were added to this solution and subjected to ultrasonic dispersion (3 minutes) to obtain a catalyst ink (hereinafter referred to as “catalyst ink (A)”).
[2. Preparation of catalyst ink containing no inorganic anion exchanger]
4 g of distilled water was added to 0.5 g of platinum-supporting carbon, and after ultrasonic dispersion (3 minutes), the mixture was allowed to stand for 30 minutes. 2 g of ethanol, 1 g of propylene glycol and 1 g of Nafion (registered trademark) solution are added to this solution and ultrasonically dispersed (3 minutes) to obtain a catalyst ink (hereinafter referred to as “catalyst ink (B)”). It was.

[3. 触媒シートの作製]
PTFEシートを用意し、PTFEシート上に触媒インク(A)又は触媒インク(B)を、それぞれ均一の厚さとなるように塗り、60℃で6時間真空乾燥した。このようにして作製した触媒シートを、それぞれ、「触媒シート(A)」、「触媒シート(B)」と呼ぶ。
[4. MEAの作製]
6cm×6cmのナフィオン(登録商標)112膜の表面に触媒シート(A)又は(B)(3.6cm×3.6cm)を転写し、4水準のMEA(参考例40〜42、比較例21)を作製した。
[3. Preparation of catalyst sheet]
A PTFE sheet was prepared, and the catalyst ink (A) or the catalyst ink (B) was applied on the PTFE sheet so as to have a uniform thickness, and was vacuum-dried at 60 ° C. for 6 hours. The catalyst sheets thus produced are referred to as “catalyst sheet (A)” and “catalyst sheet (B)”, respectively.
[4. Production of MEA]
The catalyst sheet (A) or (B) (3.6 cm × 3.6 cm) was transferred to the surface of a 6 cm × 6 cm Nafion (registered trademark) 112 membrane, and four levels of MEA ( Reference Examples 40 to 42 , Comparative Example 21). ) Was produced.

[5. 耐久試験]
得られたMEAを用いて耐久試験を行った。耐久試験は、実施例20と同一条件下で行い、耐久試験前後で0.8A/cm2における電圧値の低下割合を比較した。
表8に、その結果を示す。イオン交換体を添加したMEAは、未添加に比べて電圧低下が少ないことがわかる。
[5. An endurance test]
A durability test was performed using the obtained MEA. The durability test was performed under the same conditions as in Example 20, and the voltage value decrease rate at 0.8 A / cm 2 was compared before and after the durability test.
Table 8 shows the results. It can be seen that the MEA with the ion exchanger added has less voltage drop than the non-added one.

Figure 0005090717
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(比較例22)
0.1M Ce(NO3)3水溶液100mLに1.0M NH3水溶液100mLを加え、これにさらにFe2(SO4)3・5H2Oを0.002M加えて、攪拌しながら80℃×4hr反応させ、水酸化セリウムを共沈させた。途中で30wt%過酸化水素水を10mL添加して、Ce3+からCe4+への変換を促した。このゲルを濾過して冷水で十分に洗浄し、過剰のアンモニアを除去した。得られたゲル(含水酸化物)を大気中80℃×4hr乾燥させた。
さらに、乾燥させたゲルを触媒層に含むMEAを作製した。MEAの製造条件は、CeO2・nH2O粉末に代えてFeを含むゲルを用いた以外は、実施例20と同一とした。
(Comparative Example 22)
Add 100 mL of 1.0 M NH 3 aqueous solution to 100 mL of 0.1 M Ce (NO 3 ) 3 aqueous solution, and add 0.002 M of Fe 2 (SO 4 ) 3 .5H 2 O to this, and stir at 80 ° C. × 4 hr. Reaction was carried out to coprecipitate cerium hydroxide. In the middle, 10 mL of 30 wt% hydrogen peroxide water was added to promote conversion from Ce 3+ to Ce 4+ . The gel was filtered and washed thoroughly with cold water to remove excess ammonia. The obtained gel (hydrous oxide) was dried in air at 80 ° C. for 4 hours.
Further, an MEA including the dried gel in the catalyst layer was produced. The manufacturing conditions for MEA were the same as those in Example 20 except that a gel containing Fe was used instead of CeO 2 · nH 2 O powder.

参考例27で合成されたゲルに含まれるFeの重量をICPによって分析したところ、30ppmであった。一方、比較例22で得られたゲルに含まれるFeの重量は、0.13wt%であった。さらに、比較例22で得られたゲルを触媒層に添加したMEAを用いて耐久試験を行ったところ、電圧低下率は、6.8%であり、参考例27で合成されたゲルを用いたMEA(参考例29)より大幅に増加した。 When the weight of Fe contained in the gel synthesized in Reference Example 27 was analyzed by ICP, it was 30 ppm. On the other hand, the weight of Fe contained in the gel obtained in Comparative Example 22 was 0.13 wt%. Furthermore, when the durability test was conducted using MEA obtained by adding the gel obtained in Comparative Example 22 to the catalyst layer, the voltage drop rate was 6.8%, and the gel synthesized in Reference Example 27 was used. Significant increase over MEA ( Reference Example 29 ).

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明に係る固体高分子型燃料電池は、車載用動力源、定置型小型発電器、コジェネレーションシステム等に適用することができる。
また、難溶性無機アニオン交換体が固定された固体高分子電解質の用途は、固体高分子型燃料電池の電解質膜あるいは触媒層内電解質に限定されるものではなく、水電解装置、ハロゲン化水素酸電解装置、食塩電解装置、酸素及び/又は水素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等の各種電気化学デバイスに用いられる電解質膜、電極材料等としても用いることができる。
The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention can be applied to an in-vehicle power source, a stationary small power generator, a cogeneration system, and the like.
In addition, the use of the solid polymer electrolyte to which the hardly soluble inorganic anion exchanger is fixed is not limited to the electrolyte membrane of the polymer electrolyte fuel cell or the electrolyte in the catalyst layer. It can also be used as electrolyte membranes, electrode materials, etc. used in various electrochemical devices such as electrolyzers, salt electrolyzers, oxygen and / or hydrogen concentrators, humidity sensors, and gas sensors.

QCM法により求めた白金溶解量とICP分析により求めた白金溶解量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the platinum dissolution amount calculated | required by QCM method, and the platinum dissolution amount calculated | required by ICP analysis. 溶液中に含まれるCl濃度と2000サイクル経過時の重量減少(白金溶解)量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the Cl density | concentration contained in a solution, and the weight reduction | decrease amount (platinum melt | dissolution) amount in 2000 cycles progress.

Claims (2)

以下の構成を備えた固体高分子型燃料電池。
(1)前記固体高分子型燃料電池は、
解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体と、
前記電解質膜及び前記電極のいずれか1以上に添加された、Feを実質的に含まない難溶性無機アニオン交換体と
備えている。
(2)前記電極は、触媒層と拡散層の2層構造を持ち、
前記難溶性無機アニオン交換体は、前記触媒層に添加されている。
(3)前記難溶性無機アニオン交換体は、Ceの含水酸化物である。
(4)前記触媒層への前記難溶性無機アニオン交換体の添加量(=前記難溶性無機アニオン交換体の重量×100/前記触媒層の固形分の重量)は、5.0wt%〜10.0wt%である。
A polymer electrolyte fuel cell having the following configuration.
(1) The polymer electrolyte fuel cell is
A membrane electrode assembly having electrodes bonded to both surfaces of the electrolyte membranes,
A sparingly soluble inorganic anion exchanger substantially not containing Fe, which is added to one or more of the electrolyte membrane and the electrode .
(2) The electrode has a two-layer structure of a catalyst layer and a diffusion layer,
The hardly soluble inorganic anion exchanger is added to the catalyst layer.
(3) The hardly soluble inorganic anion exchanger is a hydrated oxide of Ce.
(4) The amount of the hardly soluble inorganic anion exchanger added to the catalyst layer (= weight of the hardly soluble inorganic anion exchanger × 100 / weight of the solid content of the catalyst layer) is 5.0 wt% to 10. 0 wt%.
前記難溶性無機アニオン交換体は、400℃以下の熱履歴を受けたものである請求項1に記載の固体高分子型燃料電池。 The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the hardly soluble inorganic anion exchanger is subjected to a thermal history of 400 ° C. or less.
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