JP7023478B2 - Solid fuel cell - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 日本化学会秋季事業 第6回 CSJ化学フェスタ2016 予稿集Application of
本発明は固体燃料電池に、関する。 The present invention relates to solid fuel cells.
固体高分子型燃料電池には、Pt等高価で資源量の乏しい電極材料が使われているため、触媒反応を高活性化し、触媒使用量を低減することが望まれている。 Since an expensive electrode material such as Pt and a scarce resource amount are used in the polymer electrolyte fuel cell, it is desired to highly activate the catalytic reaction and reduce the amount of the catalyst used.
ところで、燃料電池反応は電極と電解質の界面で起こるが、これまでの燃料電池の高活性化は、専ら、合金化やコアシェル化等の電極材料側において改良がおこなわれてきた。 By the way, the fuel cell reaction occurs at the interface between the electrode and the electrolyte, but the high activation of the fuel cell so far has been improved exclusively on the electrode material side such as alloying and core shelling.
例えば下記非特許文献1には、白金ナノ粒子の表面にアルキルアミンを化学吸着させることで燃料電池反応において重要な酸素還元反応(ORR)を活性化させようとする技術が開示されている。
For example, Non-Patent
しかしながら、上記非特許文献1に記載の技術は、化学吸着によるものであって、アルキルアミンが活性サイトに吸着することにより、反応活性の十分な活用ができなくなってしまうといった課題がある。
However, the technique described in
そこで、本発明は上記課題に鑑み、より効率的な酸素還元反応を行うことのできる固体燃料電池を提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above problems, it is an object of the present invention to provide a solid fuel cell capable of performing a more efficient oxygen reduction reaction.
上記課題を解決する本発明の一観点に係る固体燃料電池は、一対の電極と、一対の電極の間に配置される固体電解質層と、を備える固体燃料電池であって、アンモニウムイオン及びホスホニウムイオンの少なくともいずれかが、非共有結合性相互作用によって前記一対の電極の少なくとも一方に存在しているものである。 The solid fuel cell according to one aspect of the present invention that solves the above problems is a solid fuel cell including a pair of electrodes and a solid electrolyte layer arranged between the pair of electrodes, and is an ammonium ion and a phosphonium ion. At least one of the above is present in at least one of the pair of electrodes by a non-covalent interaction.
以上、本発明によって、より効率的な酸素還元反応を行うことのできる固体燃料電池を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a solid fuel cell capable of performing a more efficient oxygen reduction reaction.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態、実施例に記載された具体的な例示にのみ限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention can be implemented in many different embodiments, and is not limited to the specific examples described in the embodiments and examples shown below.
図1は、本実施形態に係る固体燃料電池(以下「本電池」という。)1の概略断面図である。本図で示すように、本電池1は、一対の電極2、3と、一対の電極2、3の間に配置される固体電解質層4と、を備えており、一対の電極2、3の少なくとも一方に、アンモニウムイオン及びホスホニウムイオンの少なくともいずれかが非共有結合性相互作用によって存在していることを特徴とする。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a solid fuel cell (hereinafter referred to as “the battery”) 1 according to the present embodiment. As shown in this figure, the
また本電池1では、一対の電極2、3の外側に、これらを覆うセパレータ5、6が配置されている。これにより、本電池1内の空間は外部と仕切られた状態となっている。なお、燃料電池は、通常、高出力化の目的のため、一対の電極とこの間に配置される固体電解質層の組が複数隣接して配置されることも好ましい一例である。
Further, in the
本電池1における一対の電極2、3は、導電性を備えるものであり、それぞれ外部の負荷を介して電気的に接続される。すなわち本電池1は、後述の記載の通り、一対の電極の間において電力を発生し、負荷に対し電力を供給することができる。
The pair of
また本電池1における一対の電極2、3の材質は、導電性を備えるものであるとともに、触媒機能を備えたものである。本電池1では、触媒機能を持たせているため一方の電極では水素から水素イオン及び電子を発生させる一方、他方の電極では水素イオン、酸素及び電子を結合させて水を発生させる。本図の例では説明をわかりやすくする観点から、一方の電極2を水素イオン及び電子を発生させる燃料極(アノード)、他方の電極3を、水を発生させる空気極(カソード)として説明する。
Further, the materials of the pair of
本電池1における電極のうち、アノードの材質としては特に限定されるわけではないが、例えば白金を含むものであることが好ましく、より好ましい例としては白金粉末、白金担持カーボン、白金-ルテニウム合金担持カーボン等を例示することができる。
Of the electrodes in the
また、本電池1における電極のうち、カソードの材質として特に限定されるわけではないが、白金を含むものであることが好ましく、より好ましい例としては白金粉末、白金担持カーボン、白金-パラジウム合金担持カーボン、白金-コバルト合金担持カーボン、白金-ニッケル合金担持カーボン等を例示することができる。
Further, among the electrodes in the
また、本電池1では、上記の通り、一対の電極2、3の少なくとも一方、より具体的には固体電解質側の表面に、アンモニウムイオン及びホスホニウムイオンの少なくともいずれかが非共有結合性相互作用によって存在している。ここで「非共有結合性相互作用」とは、共有結合性相互作用でない相互作用をいい、より具体的にはファンデルワールス力及びイオンの静電力の少なくともいずれかを用いる相互作用をいい、更に具体的には、プラスの電荷を帯びた状態又はカチオンの状態の物質となって電極の近傍に存在することをいう。本電池1では、この非共有結合性相互作用を用いることで、触媒の活性サイトに化学吸着させることがなく、より効率的な反応を可能とする。この場合のイメージ図を図2に示しておく。
Further, in the
本図の例はあくまでイメージであって、実際とは異なる可能性があるが、本電池1では、添加材を表面に直接化学吸着させるのではなく、表面との非共有結合性の微弱な相互作用により、表面近傍に共存させることで、表面近傍の水分子の水素結合ネットワーク構造を壊し、反応物を容易に電極表面に到達させることが可能になり、酸素還元反応(ORR)又はアルコール酸化反応(MOR、EOR等)を活性化させることができると考えられる。なお本電池1におけるアンモニウムイオン及びホスホニウムイオンの少なくともいずれかは、カソード上にあり、いずれにおいてもORR、MOR等の活性化を図ることができる。
The example in this figure is just an image and may differ from the actual one. However, in this
また、本電池1におけるアンモニウムイオンは、上記機能を有するものである限りにおいて限定されるわけではないが、化合物全体としては水溶性があることが好ましい一方、疎水性の部位を有するものであることが好ましく、例えばアルキルアンモニウムイオン、アリールアンモニウムイオンであることが好ましい。またアンモニウムイオンは、第四級アンモニウムカチオンであることが好ましい。また、アルキルアンモニウムイオンの場合、テトラメチルアンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラプロピルアンモニウムイオン、テトラブチルアンモニウムイオン等を例示することができ、アリールアンモニウムイオンの場合、テトラフェニルアンモニウムイオン、テトラベンジルアンモニウムイオン等を例示することができるがこれに限定されない。
Further, the ammonium ion in the
また、本電池1におけるホスホニウムイオンは、上記機能を有するものである限りにおいて限定されるわけではないが、化合物全体としては水溶性があることが好ましい一方、疎水性の部位を有するものであることが好ましく、例えばアルキルホスホニウムイオン、アリールホスホニウムイオンであることが好ましい。また、アルキルホスホニウムイオンの場合、テトラメチルホスホニウムイオン、テトラエチルホスホニウムイオン、テトラプロピルホスホニウムイオン、テトラブチルホスホニウムイオン等を例示することができ、アリールホスホニウムイオンの場合、テトラフェニルホスホニウムイオン、テトラベンジルホスホニウムイオン等を例示することができるがこれに限定されない。
Further, the phosphonium ion in the
なお、上記アンモニウムイオン、ホスホニウムイオンのカウンターアニオンとしては、限定されるわけではないが、例えば水酸化物イオン、フッ化物イオン、過塩素酸イオン、硫酸イオンの少なくともいずれかであることが好ましい。 The counter anion of the ammonium ion and the phosphonium ion is not limited, but is preferably at least one of a hydroxide ion, a fluoride ion, a perchlorate ion, and a sulfate ion.
また、本電池1における固体電解質層4は、水素イオンを透過させることができるものである限りにおいて限定されるわけではないが、高分子材料としてのイオン交換膜であることが好ましく、より好ましくはカチオン交換膜である。
Further, the
(燃料電池の動作)
ここで、本電池1の動作原理について説明する。
(Operation of fuel cell)
Here, the operating principle of the
まず、アノード側の電極2とセパレータの間に水素ガスが供給される。すると、アノード側で水素が水素イオンと電子に分離する。そして水素は固体電解質層中を伝搬してカソード側に移動する一方、電子は接続される導線を介して負荷を経由し、カソード側の電極3に移動する。
First, hydrogen gas is supplied between the
一方、カソード側には酸素が供給されており、上記水素イオンと電子が結合し、水が生成する。すなわち、アノード側の電極で発生した電子がカソード側に移動することにより電流が発生するため、本電池1は電池としての機能を発揮することになる。
On the other hand, oxygen is supplied to the cathode side, and the hydrogen ions and electrons are combined to generate water. That is, since the electrons generated in the electrodes on the anode side move to the cathode side to generate an electric current, the
そして、本電池1では、電極の表面近傍において、アンモニウムイオン及びホスホニウムイオンの少なくともいずれかが、非共有結合性相互作用によって一対の電極の少なくとも一方に存在しているため、表面近傍の水分子の水素結合ネットワーク構造を分断し、反応物を容易に電極表面に到達させることが可能になり、酸素還元反応(ORR)を活性化させることができると考えられる。
In the
以上、本発明によって、より効率的な酸素還元反応を行うことのできる固体燃料電池を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a solid fuel cell capable of performing a more efficient oxygen reduction reaction.
(電極の製造方法)
本電池1の製造は、簡便である。具体的に説明すると、固体電解質層を一対の電極で挟み、さらにこれを一対のセパレータ間に配置し、それぞれの位置を固定させることで完成である。
(Method of manufacturing electrodes)
The production of the
ただし、本電池1では上記の通り、アンモニウムイオン及びホスホニウムイオンの少なくともいずれかが、非共有結合性相互作用によって一対の電極の少なくとも一方の表面近傍に存在している必要がある。そのため、電極の製造工程において工夫が必要である。以下簡単に説明する。
However, in the
電極の製造は、アンモニウムイオン及びホスホニウムイオンの少なくともいずれかを添加する以外は公知の電極の製造方法と同じものを採用することができる。すなわち、本電池1における電極の製造方法は、(1)既に製造された電極を、アンモニウムイオン及びホスホニウムイオンの少なくともいずれかを含む水溶液に浸漬する又は当該水溶液を電極表面にスプレーする、(2)アンモニウムイオン及びホスホニウムイオンの少なくともいずれかを含む水溶液を触媒にスプレーし又は触媒を当該水溶液に浸漬した後、電極として成形する、(3)膜・電極接合体形成時にこの間に添加する方法等を採用することができるがこれに限定されない。
For the production of the electrode, the same method as the known electrode production method can be adopted except that at least one of ammonium ion and phosphonium ion is added. That is, the method for manufacturing the electrode in the
なお、上記(1)のステップにおいて、アンモニウムイオン及びホスホニウムイオンの少なくともいずれかを含む水溶液における上記化合物の濃度は、上記の機能を有する限り、用いるイオンや使用する触媒等によって適宜調整可能であるが、飽和状態で析出するのを防ぐ観点から、例えば0.001mM以上0.5M以下の範囲であることが好ましく、より好ましくは0.1mM以上10mM以下であることが好ましい。 In the step (1), the concentration of the compound in the aqueous solution containing at least one of ammonium ion and phosphonium ion can be appropriately adjusted depending on the ion to be used, the catalyst to be used and the like as long as it has the above function. From the viewpoint of preventing precipitation in a saturated state, for example, the range is preferably 0.001 mM or more and 0.5 M or less, more preferably 0.1 mM or more and 10 mM or less.
以上、本実施形態により、より効率的な酸素還元反応を行うことのできる固体燃料電池を提供することができる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a solid fuel cell capable of performing a more efficient oxygen reduction reaction.
ここで、上記実施形態に基づき、実際に電極の作製を行い、その効果を確認した。以下具体的に説明する。 Here, based on the above embodiment, an electrode was actually manufactured and its effect was confirmed. This will be described in detail below.
(アルカリ溶液中のPt(111)における活性評価)
まず、(111)面を有する白金結晶基板(Pt(111))を、0.1Mの水酸化テトラメチルアンモニウム溶液(アルカリ溶液)に浸漬し、酸素還元反応(ORR)活性評価及びエタノール酸化反応(EOR)活性評価を行った。
(Evaluation of activity in Pt (111) in alkaline solution)
First, a platinum crystal substrate (Pt (111)) having a (111) plane is immersed in a 0.1 M tetramethylammonium hydroxide solution (alkaline solution) to evaluate oxygen reduction reaction (ORR) activity and ethanol oxidation reaction (111). EOR) Activity was evaluated.
また、上記と同様、(111)面を有する白金結晶基板を、0.1Mの水酸化カリウム溶液(アルカリ溶液)に浸漬し、ORR活性評価及びERO活性評価を行った。 Further, in the same manner as described above, the platinum crystal substrate having the (111) plane was immersed in a 0.1 M potassium hydroxide solution (alkaline solution) to evaluate the ORR activity and the ERO activity.
上記の結果を図3に示す。本図で示す結果によると、水酸化カリウム溶液の場合に比べ、水酸化テトラメチルアンモニウムの活性が向上していることを確認した。 The above results are shown in FIG. According to the results shown in this figure, it was confirmed that the activity of tetramethylammonium hydroxide was improved as compared with the case of the potassium hydroxide solution.
また、上記水酸化テトラメチルアンモニウム溶液中におけるPt(111)の海面構造解析を、SXRDを用いて行った。これらの結果を図4乃至6に示す。図4はCTRによる結果を、図5はXRVによる結果を、図6はこれらの結果想定される界面構造の解析結果のイメージをそれぞれ示す。これらの結果によると、水酸化テトラメチルアンモニウムは共有結合ではなく、水分子の大きさ程度の距離(4オングストローム程度)をおいており、非共有結合性相互作用によって前記一対の電極の少なくとも一方に存在していると考えられることを確認した。 Moreover, the sea level structure analysis of Pt (111) in the above tetramethylammonium hydroxide solution was performed using SXRD. These results are shown in FIGS. 4 to 6. FIG. 4 shows the result by CTR, FIG. 5 shows the result by XRV, and FIG. 6 shows the image of the analysis result of the interface structure assumed as a result. According to these results, tetramethylammonium hydroxide is not a covalent bond, but is located at a distance of about the size of a water molecule (about 4 angstroms), and is connected to at least one of the pair of electrodes by a non-covalent interaction. Confirmed that it is considered to exist.
次に、ORR活性における濃度依存性について、水酸化リチウム溶液と、水酸化テトラブチルアンモニウムを用いて行った。 Next, the concentration dependence of the ORR activity was carried out using a lithium hydroxide solution and tetrabutylammonium hydroxide.
具体的には、(A)0.1Mの水酸化リチウムの溶液、(B)水酸化リチウム:水酸化テトラブチルアンモニウム=100:1の溶液、(C)水酸化リチウム:水酸化テトラブチルアンモニウム=10:1の溶液、(D)水酸化リチウム:水酸化テトラブチルアンモニウム=1:1の溶液、(E)0.1Mの水酸化テトラブチルアンモニウム溶液、のそれぞれにおいてORR活性の評価を行った。この結果を図7に示す。 Specifically, (A) 0.1 M solution of lithium hydroxide, (B) lithium hydroxide: tetrabutylammonium hydroxide = 100: 1 solution, (C) lithium hydroxide: tetrabutylammonium hydroxide = The ORR activity was evaluated in each of a 10: 1 solution, (D) lithium hydroxide: tetrabutylammonium hydroxide = 1: 1 solution, and (E) 0.1 M tetrabutylammonium hydroxide solution. The result is shown in FIG.
この結果によると、0.1Mの水酸化テトラブチルアンモニウムのみの場合は0.1Mの水酸化リチウムよりも活性が劣っているものの、水酸化テトラブチルアンモニウムを少量含むことによって、0.1Mの水酸化リチウムの場合よりも活性が向上することを確認した。 According to this result, although the activity of 0.1 M tetrabutylammonium hydroxide alone is inferior to that of 0.1 M lithium hydroxide, 0.1 M water is contained by containing a small amount of tetrabutylammonium hydroxide. It was confirmed that the activity was improved as compared with the case of lithium oxide.
また、上記と同様に、(A)0.1Mの水酸化カリウム溶液、(B)水酸化カリウム:水酸化テトラブチルアンモニウム=1000:1の溶液、(C)水酸化カリウム:水酸化テトラブチルアンモニウム=100:1の溶液、(D)水酸化カリウム:水酸化テトラブチルアンモニウム=10:1の溶液、(E)0.1Mの水酸化テトラブチルアンモニウム溶液、のそれぞれにおいてORR活性の評価を行った。この結果を図8に示す。 Further, in the same manner as above, (A) 0.1 M potassium hydroxide solution, (B) potassium hydroxide: tetrabutylammonium hydroxide = 1000: 1 solution, (C) potassium hydroxide: tetrabutylammonium hydroxide. ORR activity was evaluated in each of (D) potassium hydroxide: tetrabutylammonium hydroxide = 10: 1 solution and (E) 0.1 M tetrabutylammonium hydroxide solution. .. The result is shown in FIG.
この結果においても、上記水酸化リチウムの場合と同様、0.1Mの水酸化テトラブチルアンモニウムのみの場合は0.1Mの水酸化カリウムよりも活性が劣っているものの、水酸化テトラブチルアンモニウムを少量含むことによって、0.1Mの水酸化カリウムの場合よりも活性が向上することを確認した。 In this result as well, as in the case of lithium hydroxide, the activity of only 0.1 M tetrabutylammonium hydroxide is inferior to that of 0.1 M potassium hydroxide, but a small amount of tetrabutylammonium hydroxide is used. It was confirmed that the inclusion improved the activity as compared with the case of 0.1 M potassium hydroxide.
また、次に、(A)0.1Mの水酸化テトラメチルアンモニウムの溶液、(B)水酸化テトラメチルアンモニウム:水酸化テトラブチルアンモニウム=100:1の水液、(C)水酸化テトラメチルアンモニウム:水酸化テトラブチルアンモニウム=10:1の水溶液、(D)0.1Mの水酸化テトラブチルアンモニウム水溶液、のそれぞれにおいてORR活性の評価を行った。この結果を図9に示す。 Next, (A) 0.1 M solution of tetramethylammonium hydroxide, (B) tetramethylammonium hydroxide: tetrabutylammonium hydroxide = 100: 1 aqueous solution, (C) tetramethylammonium hydroxide. The ORR activity was evaluated in each of the: tetrabutylammonium hydroxide = 10: 1 aqueous solution and (D) 0.1 M tetrabutylammonium hydroxide aqueous solution. The result is shown in FIG.
この結果、水酸化テトラメチルアンモニウムと水酸化テトラブチルアンモニウムを混合することによって、それぞれ単独の場合よりもORR活性が向上していることを確認した。 As a result, it was confirmed that by mixing tetramethylammonium hydroxide and tetrabutylammonium hydroxide, the ORR activity was improved as compared with the case of each alone.
(酸性溶液中におけるPt(111)における活性評価)
ここで、(111)面を有する白金結晶基板を、0.1Mの過塩素酸溶液に過塩素酸テトラメチルアンモニウムを添加(0.1mM)した酸性溶液に浸漬し、上記アルカリ溶液と同様、ORR活性評価及びメタノール酸化反応(MOR)の活性評価を行った。
(Evaluation of activity in Pt (111) in acidic solution)
Here, the platinum crystal substrate having the (111) plane is immersed in an acidic solution in which tetramethylammonium perchlorate is added (0.1 mM) to a 0.1 M perchloric acid solution, and the ORR is the same as the above alkaline solution. The activity was evaluated and the activity of the methanol oxidation reaction (MOR) was evaluated.
また、上記と同様(111)面を有する白金結晶基板を、0.1Mの過塩素酸溶液に過塩素酸テトラブチルアンモニウムを添加(0.1mM)した酸性溶液に浸漬し、ORR活性評価及びMOR活性評価を行った。 Further, the platinum crystal substrate having the same (111) plane as described above is immersed in an acidic solution obtained by adding tetrabutylammonium perchlorate (0.1 mM) to a 0.1 M perchloric acid solution to evaluate the ORR activity and MOR. The activity was evaluated.
また、比較例として、(111)面を有する白金結晶基板を、0.1Mの過塩素酸溶液に浸漬し、ORR活性評価及びMOR活性評価を行った。これらの結果について図10に示す。 Further, as a comparative example, a platinum crystal substrate having a (111) plane was immersed in a 0.1 M perchloric acid solution, and ORR activity evaluation and MOR activity evaluation were performed. These results are shown in FIG.
本図で示すように、ORR活性、MOR活性のいずれにおいても、0.1Mの過塩素酸溶液のみの場合に比べ、過塩素酸テトラメチルアンモニウム、過塩素酸テトラブチルアンモニウムの点かによって活性の向上を確認することができた。 As shown in this figure, both the ORR activity and the MOR activity are more active depending on whether they are tetramethylammonium perchlorate or tetrabutylammonium perchlorate, as compared with the case of using only a 0.1 M perchloric acid solution. I was able to confirm the improvement.
上記の結果から、アンモニウムイオンを非共有結合性相互作用によって一対の電極の少なくとも一方に存在させることで、燃料電池における電極の活性の向上を図ることが確認できた。 From the above results, it was confirmed that the activity of the electrodes in the fuel cell is improved by allowing ammonium ions to be present in at least one of the pair of electrodes by non-covalent interaction.
(Pt(331)における活性評価)
なお、(331)面を有する白金結晶基板について、上記Pt(111)における、過塩素酸テトラブチルアンモニウムと同様にORR活性評価を行った。この結果について図11に示しておく。
(Activity evaluation in Pt (331))
The platinum crystal substrate having the (331) plane was evaluated for ORR activity in the same manner as tetrabutylammonium perchlorate in the above Pt (111). This result is shown in FIG.
本図で示すように、過塩素酸テトラブチルアンモニウムの添加によっても、活性が向上していることを確認した。 As shown in this figure, it was confirmed that the activity was also improved by the addition of tetrabutylammonium perchlorate.
以上、本実施例によって、より効率的な酸素還元反応を行うことのできる固体燃料電池の提供が可能であることを確認した。 As described above, it has been confirmed that it is possible to provide a solid fuel cell capable of performing a more efficient oxygen reduction reaction by this example.
本発明は、固体燃料電池として産業上利用可能性がある。
The present invention has industrial applicability as a solid fuel cell.
Claims (4)
前記一対の電極の間に配置される固体電解質層と、を備える固体燃料電池であって、
0.001mM以上10mM以下のアンモニウムイオンが非共有結合性相互作用によって前記一対の電極の少なくとも一方に存在している固体燃料電池。 With a pair of electrodes,
A solid fuel cell comprising a solid electrolyte layer disposed between the pair of electrodes.
A solid fuel cell in which ammonium ions of 0.001 mM or more and 10 mM or less are present in at least one of the pair of electrodes by a non-covalent interaction.
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