JP4920945B2 - Catalyst layer, membrane electrode assembly, production method thereof, and fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、触媒層、膜電極接合体、それらの製造方法および前記膜電極接合体を用いた燃料電池に関する。 The present invention relates to a catalyst layer, a membrane electrode assembly, a production method thereof, and a fuel cell using the membrane electrode assembly.
燃料電池はカソードに酸素または空気、アノードに水素、メタノール、炭化水素などを用いて電気エネルギーを得る装置であり、クリーンで高い発電効率を得ることができる。電解質の種類により,アルカリ水溶液型,リン酸水溶液型,溶融炭酸塩型などに分類できるが、近年、固体高分子型燃料電池が注目を浴びている。固体高分子型燃料電池は、低温作動のため扱いやすい、電池構造が簡単でメンテナンスが容易、膜が差圧に耐えるため電池の加圧制御が容易、高出力密度が得られるため小型軽量化が可能という利点を持つ。 A fuel cell is a device that obtains electrical energy using oxygen or air for a cathode and hydrogen, methanol, hydrocarbon, or the like for an anode, and can obtain clean and high power generation efficiency. Depending on the type of electrolyte, it can be classified into alkaline aqueous solution type, phosphoric acid aqueous solution type, molten carbonate type, etc. In recent years, solid polymer fuel cells have attracted attention. The polymer electrolyte fuel cell is easy to handle due to low-temperature operation, the battery structure is simple and easy to maintain, the membrane can withstand differential pressure, the pressure control of the battery is easy, and the high output density can be obtained to reduce the size and weight. Has the advantage of being possible.
この固体高分子型燃料電池とは、一般にはフッ素樹脂系のイオン交換膜をプロトン伝導体の固体電解質として用い、水素酸化反応及び酸素還元反応を促進する触媒として活性化過電圧が低い白金微粒子が用いられる。電極反応はいわゆる三相界面(電解質−触媒電極−燃料)で起こるが、固体高分子型燃料電池では電解質が固体膜であるために、反応場所が触媒電極と電解質膜との接触界面に限定され、白金の利用率が低下する傾向がある。これを改善した例として、特許文献1などが挙げられる。
しかしながら、従来の固体高分子型燃料電池は、表面積を大きくするために直径が数〜数十nmという小さい、且つほぼ球形の微粒子を触媒として用いていた。そのため、微粒子間若しくは触媒担持カーボン間が非常に狭く、電解質が触媒電極間に浸透しない、反応ガスが触媒電極内部に進入できない等の理由により、触媒の利用率が非常に低かった。そして、従来の固体高分子型燃料電池の優位点を保持した新たな燃料電池用膜電極接合体の開発が強く求められていた。 However, conventional polymer electrolyte fuel cells have used small spherical particles having a diameter of several to several tens of nanometers as a catalyst in order to increase the surface area. For this reason, the utilization rate of the catalyst is very low because the space between the fine particles or the catalyst-supporting carbon is very narrow, the electrolyte does not permeate between the catalyst electrodes, and the reaction gas cannot enter the inside of the catalyst electrode. And development of the new membrane electrode assembly for fuel cells which hold | maintained the advantage of the conventional polymer electrolyte fuel cell was strongly calculated | required.
本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、三相界面を増大させ、ガス透過性を拡大すること、且つ電子移動経路を確保することが可能で、発電効率が向上した燃料電池用膜電極接合体、その製造方法および燃料電池を提供するものである。 The present invention has been made in view of the background art as described above, and can increase the three-phase interface, expand the gas permeability, and secure the electron transfer path, thereby improving the power generation efficiency. Provided are a membrane electrode assembly for a fuel cell, a method for producing the same, and a fuel cell.
すなわち、上記の課題を解決する触媒層は、少なくとも、ワイヤ状の触媒と、該触媒の表面に存在し、膜厚が5nm以上50nm以下である導電性膜と、からなることを特徴とする。
前記導電性膜が、金、銀、銅、チタンまたは白金からなることが好ましい。
また、上記の課題を解決する膜電極接合体は、2つの触媒層と、該2つの触媒層に挟まれて存在する高分子電解質膜と、からなる膜電極接合体であって、前記2つの触媒層が上記の触媒層であることを特徴とする。
That is, the catalyst layer that solves the above-described problem is characterized by comprising at least a wire-like catalyst and a conductive film that is present on the surface of the catalyst and has a film thickness of 5 nm to 50 nm .
The conductive film is preferably made of gold, silver, copper, titanium, or platinum.
A membrane / electrode assembly that solves the above problem is a membrane / electrode assembly comprising two catalyst layers and a polymer electrolyte membrane that is sandwiched between the two catalyst layers. The catalyst layer is the catalyst layer described above.
また、上記の課題を解決する触媒層の製造方法は、基板上に、気相成長法もしくは液相成長法により膜厚が5nm以上50nm以下である導電性膜を形成する工程と、前記導電性膜の表面にワイヤ状の触媒を付与する工程と、を有することを特徴とする。
前記導電性膜の表面にワイヤ状の触媒を形成する工程が、前記導電性膜の表面に孔を有する鋳型を形成する段階と、前記孔にワイヤ状の触媒を付与する段階と、前記鋳型を除去する段階と、からなることが好ましい。
In addition, a method for producing a catalyst layer that solves the above-described problems includes a step of forming a conductive film having a thickness of 5 nm to 50 nm on a substrate by a vapor phase growth method or a liquid phase growth method; And a step of applying a wire-like catalyst to the surface of the membrane.
The step of forming a wire-like catalyst on the surface of the conductive film comprises the steps of forming a template having holes on the surface of the conductive film, applying a wire-like catalyst to the holes, and And removing.
また、上記の課題を解決する膜電極接合体の製造方法は、基板上に、気相成長法もしくは液相成長法により膜厚が5nm以上50nm以下である導電性膜を形成する工程と、前記導電性膜の表面にワイヤ状の触媒を付与する工程と、前記ワイヤ状の触媒と固体高分子電解質膜とを接合する工程と、前記基板を除去する工程と、を有することを特徴とする。
前記導電性膜の表面にワイヤ状の触媒を付与する工程が、前記導電性膜の表面に孔を有する鋳型を形成する段階と、前記孔にワイヤ状の触媒を付与する段階と、前記鋳型を除去する段階と、からなることが好ましい。
In addition, a method of manufacturing a membrane electrode assembly that solves the above problems includes a step of forming a conductive film having a film thickness of 5 nm or more and 50 nm or less on a substrate by vapor phase growth or liquid phase growth, The method includes a step of applying a wire-shaped catalyst to the surface of the conductive film, a step of bonding the wire-shaped catalyst and the solid polymer electrolyte membrane, and a step of removing the substrate.
The step of applying a wire-like catalyst to the surface of the conductive film includes the steps of forming a template having holes on the surface of the conductive film, the step of applying a wire-like catalyst to the holes, and the template. And removing.
前記気相成長法若しくは液相成長法は、スパッタリング法、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着(EB蒸着)、イオンプレーティング法、電解めっきまたは無電解めっきであることが好ましい。 The vapor phase growth method or liquid phase growth method is preferably a sputtering method, resistance heating vapor deposition, electron beam vapor deposition (EB vapor deposition), ion plating method, electrolytic plating or electroless plating.
前記鋳型は、アルミナナノホール、シリコンナノホールまたはシリカナノホールを有する鋳型であることが好ましい。
また、上記の課題を解決する燃料電池は、上記の燃料電池用膜電極接合体を用いた燃料電池であることを特徴とする。
The template is preferably a template having alumina nanoholes, silicon nanoholes, or silica nanoholes.
Moreover, the fuel cell which solves said subject is a fuel cell using said membrane electrode assembly for fuel cells, It is characterized by the above-mentioned.
本発明により、三相界面を増大させ、ガス透過性を拡大すること、且つ電子移動経路を確保することが可能で、発電効率が向上した燃料電池用膜電極接合体、その製造方法および前記膜電極接合体を用いた燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to increase the three-phase interface, expand the gas permeability, secure the electron transfer path, and improve the power generation efficiency. Membrane electrode assembly for fuel cells, its manufacturing method, and the membrane A fuel cell using the electrode assembly can be provided.
さらに、本発明の燃料電池は、低温作動のため扱いやすい、電池構造が簡単でメンテナンスが容易、膜が差圧に耐えるため電池の加圧制御が容易、高出力密度が得られるため小型軽量化が可能などの利点を有する。 Furthermore, the fuel cell of the present invention is easy to handle due to low-temperature operation, simple battery structure and easy maintenance, easy to control the pressure of the battery because the membrane can withstand differential pressure, and small in size and weight because high output density can be obtained Has any advantage possible.
以下、さらに詳細に本発明を説明する。
本発明の燃料電池用膜電極接合体は、固体高分子電解質と、触媒層を有する構成からなり、前記触媒層は、少なくとも薄膜が設けられたワイヤ状物質からなる触媒を含むことを特徴とする。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
The membrane electrode assembly for fuel cells of the present invention comprises a solid polymer electrolyte and a catalyst layer, and the catalyst layer contains a catalyst made of a wire-like substance provided with at least a thin film. .
ここでは、薄膜が設けられたワイヤ状物質の定義と構成、液相及び気相中における薄膜が設けられたワイヤ状物質の製造方法の例、固体高分子電解質膜、担体、供給燃料、燃料電池の構成及び製造方法を詳述する。 Here, the definition and configuration of a wire-like substance provided with a thin film, an example of a method for producing a wire-like substance provided with a thin film in a liquid phase and a gas phase, a solid polymer electrolyte membrane, a carrier, a supplied fuel, and a fuel cell The structure and manufacturing method will be described in detail.
(薄膜が設けられたワイヤ状物質について)
図1は、本発明の膜電極接合体の構成を示す模式図である。
本発明における固体高分子型燃料電池の触媒層に含まれる薄膜が設けられたワイヤ状物質とは、図1(a)の膜電極接合体11中に存在するワイヤ状物質12の上部に設置した薄膜17で示されるものである。13は固体高分子電解質、16は触媒層であり、該触媒層16に薄膜17と触媒であるワイヤ状物質12が含まれている。
(About wire-like materials with thin films)
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the membrane electrode assembly of the present invention.
The wire-like substance provided with the thin film contained in the catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is placed on the upper part of the wire-
本発明における薄膜とは、ワイヤ状物質の上部に設けられた層であり、少なくとも1つ以上の隣接したワイヤ状物質を電気的に接合している層を指す。ここで、ワイヤ状物質の上部とは、図5に示した燃料拡散層側のワイヤ状物質の末端部分を指す。このとき、図6(a)に示したように完全にワイヤを覆っている状態よりも、図6(b)のように水素や酸素等の燃料、及び生成した水が触媒層内に出入りする通気孔18を有する薄膜を形成していることが好ましい。その空孔率は特に制限されるものではないが、5%以上95%以下、さらには、30%以下で95%以下であることが好ましい。 The thin film in the present invention is a layer provided on the upper part of the wire-like substance, and refers to a layer in which at least one adjacent wire-like substance is electrically joined. Here, the upper part of the wire-like substance refers to the end part of the wire-like substance on the fuel diffusion layer side shown in FIG. At this time, as shown in FIG. 6B, the fuel such as hydrogen and oxygen and the generated water enter and exit the catalyst layer rather than the state where the wire is completely covered as shown in FIG. It is preferable to form a thin film having vent holes 18. The porosity is not particularly limited, but is preferably 5% or more and 95% or less, and more preferably 30% or less and 95% or less.
薄膜の材料として、電子が移動できる導体、及び半導体なら全て適用されるが、この接合層自身が抵抗体とならない事が理想であることより、金属である金、銀、銅、チタン、白金などが好適に用いられ、その膜厚として、5nm以上50nm以下、好ましくは10nm以上30nm以下が望ましい。 As a thin film material, all conductors and semiconductors to which electrons can move are applied, but it is ideal that this bonding layer itself does not become a resistor, so that metals such as gold, silver, copper, titanium, platinum, etc. The film thickness is preferably 5 nm to 50 nm, preferably 10 nm to 30 nm.
ここで、ワイヤ状物質とは、細線状に形成された1次元構造体であり、その構造体の長さ方向が構造体の横切断面の重心を通る最大長さよりも長い構造体である。さらに、図2(a)、(b)、(c)、(d)及び(e)に示したように、ワイヤ状物質はテトラポッド状を含む、1点より多数のワイヤ状物質が成長したもの(図2(a))や、樹枝状に形成されたもの(図2(b))や、折れ線状に成長したもの(図2(c))や、メッシュ状に成長したもの(図2(d))や、数珠状に成長したもの(図2(e))等を含み、それぞれのワイヤ状物質が中空状(チューブ状)や板状であるもの等も全てを含む。 Here, the wire-like substance is a one-dimensional structure formed in a thin line shape, and is a structure in which the length direction of the structure is longer than the maximum length passing through the center of gravity of the transverse cut surface of the structure. Further, as shown in FIGS. 2 (a), (b), (c), (d) and (e), the wire-like material has a tetrapod shape, and more wire-like materials have grown than one point. 2 (FIG. 2A), a dendritic shape (FIG. 2B), a polygonal line shape (FIG. 2C), or a mesh shape (FIG. 2). (D)), those grown in a beaded shape (FIG. 2 (e)), etc., and those in which each wire-like substance is hollow (tubular) or plate-like.
膜電極接合体中に含まれる触媒層は、図1(a)に示すように固体高分子電解質膜の側面に対して垂直方向に立っている状態のものが好適に用いられる。また、図1(b)に示すようなワイヤ状物質12が方向性を持たずに分散している状態、また図1(c)に示すようなワイヤ状物質12と微粒子14の混合物からなる触媒で形成されても良い。勿論、図1(d)に示すように、担体15が含まれていても良い。
As the catalyst layer included in the membrane electrode assembly, a catalyst layer standing in a direction perpendicular to the side surface of the solid polymer electrolyte membrane as shown in FIG. Also, a catalyst comprising a state in which the wire-
また、ワイヤ状物質は円柱及び円錐、円錐で先端が平坦なものや先端が大きくなっているもの、円柱で先端が尖っているものや先端が平坦なものや先端が大きくなっているものなどすべて含む。さらに、三角錐、四角錐、六角錐、それ以外の多角錐状やその多角錐の先端が平坦なものや先端が大きくなっているものも含まれる。また三角柱、四角柱、六角柱、それ以外の多角柱状、あるいは先端が尖った若しくは先端が大きくなっている三角柱、四角柱、六角柱、それ以外の多角柱状やその先端が平坦なものや先端が大きくなっているものなども含まれる。さらに、これらの折れ線状構造も含まれる。 In addition, wire-like substances are all cylinders and cones, cones with a flat tip or a large tip, cylinders with a sharp tip, a flat tip, or a large tip. Including. Further, a triangular pyramid, a quadrangular pyramid, a hexagonal pyramid, other polygonal pyramids, and those having a flat tip or a large tip are included. In addition, triangular prisms, quadrangular columns, hexagonal columns, other polygonal column shapes, or triangular, quadrangular, hexagonal columns, other polygonal column shapes with sharpened tips or large tips, and other flat or tip shapes This includes things that are getting bigger. Furthermore, these broken line structures are also included.
また、本発明の膜電極接合体に用いられるワイヤ状物質のアスペクト比は5以上、特に10以上が好ましく、ワイヤ状物質の横切断面の重心を通る最大長さも50nm以下が好ましく、さらに20nm以下が好ましい。ここでアスペクト比とは図3に示したように、ワイヤ状物質31の横切断面33が円形又は円形に近い状態の形状の場合は径に対する長さ32の比率をいう。ワイヤ状物質31の横切断面33が六角形や図3(b)のように歪んだ図形等の場合は横切断面33の重心34を通る最大長さ35に対する長さの比率をいう。また図3(c)のようにワイヤ状物質31の横切断面33が輪状の場合は、横切断面33の最外輪36で形成される構造体と仮定し、その重心34を通る最大長さ35に対する長さ32の比率を言うものとする。 Further, the aspect ratio of the wire-like substance used in the membrane electrode assembly of the present invention is preferably 5 or more, particularly preferably 10 or more, and the maximum length passing through the center of gravity of the transverse cross section of the wire-like substance is preferably 50 nm or less, and further 20 nm or less. Is preferred. Here, the aspect ratio means the ratio of the length 32 to the diameter when the transverse cut surface 33 of the wire-like substance 31 is circular or nearly circular as shown in FIG. When the transverse cut surface 33 of the wire-like substance 31 is a hexagonal shape or a distorted figure as shown in FIG. 3B, the ratio of the length to the maximum length 35 passing through the center of gravity 34 of the transverse cut surface 33 is meant. 3C, when the transverse cut surface 33 of the wire-like substance 31 is ring-shaped, it is assumed that the structure is formed by the outermost ring 36 of the transverse cut surface 33, and the maximum length passing through the center of gravity 34 thereof. Let us say the ratio of length 32 to 35.
ここで、ワイヤ状物質は、燃料電池の触媒電極となりうる物質なら何でも良く、特に白金、白金を含む合金若しくは白金を含む混合物を用いることが好ましい。白金の合金、若しくは白金を含む混合物として白金と共に含まれる材料は、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガン、バナジウム、レニウム、コバルト、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウム、およびオスミウムなどが例示できる。なお、触媒電極に使用される触媒としては、水素等アノード側燃料の酸化反応および酸素等カソード側燃料の還元反応を促進する材料であればこれらに限られるものではない。 Here, the wire-like substance may be any substance that can be a catalyst electrode of a fuel cell, and it is particularly preferable to use platinum, an alloy containing platinum, or a mixture containing platinum. Materials that are included with platinum as an alloy of platinum or a mixture containing platinum are gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, iron, cobalt, nickel, chromium, tungsten, manganese, vanadium, rhenium, cobalt, lithium, lanthanum Strontium, yttrium, osmium and the like. The catalyst used for the catalyst electrode is not limited to these as long as it is a material that promotes the oxidation reaction of the anode side fuel such as hydrogen and the reduction reaction of the cathode side fuel such as oxygen.
(薄膜が被覆されたワイヤ状物質の製造方法について)
膜電極接合体の基本構成を図4に示す。触媒41と担体42と固体高分子電解質43から成り立っている構成が一般的である。
(About manufacturing method of wire-like substance coated with thin film)
The basic configuration of the membrane electrode assembly is shown in FIG. A configuration comprising a catalyst 41, a carrier 42, and a solid polymer electrolyte 43 is common.
この膜電極接合体を用い、燃料として例えばアノード側に水素、カソード側に酸素を用いた場合、以下のような反応が進行する。 When this membrane electrode assembly is used and, for example, hydrogen is used on the anode side and oxygen is used on the cathode side as the fuel, the following reaction proceeds.
この反応式からわかるように、アノード側では供給された燃料が電子とカチオンを発生させ、発生したカチオンのみがカソード側に移動することにより酸素と反応して電子を消費することにより、発電するシステムとなっている。つまり、カソードとアノードは同じ膜電極接合体中に設置されながら、固体高分子電解質で完全に分離されていることが重要である。さらに、上記反応は触媒電極と固体高分子電解質と燃料の3種類の物質における界面で行われるため、より固体高分子電解質が触媒電極上に広範囲に設置されていることが重要であり、且つ燃料が膜電極接合体の深部にまで効率良く供給されることが重要である。そのため、触媒電極材料と固体高分子電解質の混合比も燃料電池の性能向上における重要なパラメーターとなり得る。 As can be seen from this reaction formula, the supplied fuel generates electrons and cations on the anode side, and only the generated cations move to the cathode side to react with oxygen and consume electrons to generate electricity. It has become. That is, it is important that the cathode and the anode are completely separated by the solid polymer electrolyte while being installed in the same membrane electrode assembly. Furthermore, since the above reaction is carried out at the interface between the three kinds of substances, that is, the catalyst electrode, the solid polymer electrolyte, and the fuel, it is important that the solid polymer electrolyte is more widely installed on the catalyst electrode. It is important that is efficiently supplied to the deep part of the membrane electrode assembly. Therefore, the mixing ratio of the catalyst electrode material and the solid polymer electrolyte can also be an important parameter for improving the performance of the fuel cell.
ここで、本発明の薄膜が被覆されたワイヤ状物質の製造方法について図7を用いて説明する。
a.〈薄膜となり得る材料を基板上に設置する工程〉
図7A、Bは、本発明の膜電極接合体の製造方法を示す工程図である。
Here, the manufacturing method of the wire-like substance with which the thin film of this invention was coat | covered is demonstrated using FIG.
a. <Process of placing a material that can become a thin film on the substrate>
7A and 7B are process diagrams showing a method for producing a membrane electrode assembly of the present invention.
先ず、図7(a)に示すように、薄膜17となり得る材料を基板19上に設置する工程であるが、ここで使用する基板とは、薄膜が設置できる材料ならば、特に制限は無い。ここでは、シリコンウエハーを基板として用いてCuを薄膜を設置した例を述べる。 First, as shown in FIG. 7A, there is a step of placing a material that can become the thin film 17 on the substrate 19, but the substrate used here is not particularly limited as long as it is a material on which the thin film can be placed. Here, an example in which a thin film of Cu is installed using a silicon wafer as a substrate will be described.
準備したシリコンウエハー上にスパッタリング法を用いて銅を20nm設置した。成膜条件として、RF電源を用いて、Ar流量:50sccm、投入電力:300Wの条件で行った。成膜方法はスパッタリング法に限らず、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着(EB蒸着)、イオンプレーティング法、電解めっき、無電解めっきなどの気相成長法若しくは液相成長法を挙げることが出来るが、本発明の条件を満たすことが可能な製法なら、これらに限られるものでは無い。また、少なくとも1種の材料の層が薄膜として必要であるが、2種以上の薄膜を形成しても良い。 On the prepared silicon wafer, 20 nm of copper was placed by sputtering. As film formation conditions, an RF power source was used under the conditions of Ar flow rate: 50 sccm and input power: 300 W. The film forming method is not limited to the sputtering method, but includes vapor deposition methods such as resistance heating vapor deposition, electron beam vapor deposition (EB vapor deposition), ion plating method, electrolytic plating and electroless plating, or liquid phase growth methods. The production method is not limited to these as long as it can satisfy the conditions of the present invention. Further, although at least one material layer is required as a thin film, two or more thin films may be formed.
b.〈薄膜上にワイヤ状物質を形成する工程〉
次に、前記薄膜上にワイヤ状物質を形成する工程について図7(b)を用いて説明する。ワイヤ状物質の設置方法として、作製されたワイヤ状物質を固体高分子電解質と混合した後に設置する方法と、薄膜上に鋳型を設置した後にワイヤ状物質を設置する方法があるが、ここでは、後者について詳述する。
b. <Process for forming a wire-like substance on a thin film>
Next, the step of forming a wire-like substance on the thin film will be described with reference to FIG. As a method of installing the wire-like substance, there are a method of installing the prepared wire-like substance after mixing with the solid polymer electrolyte, and a method of installing the wire-like substance after installing the mold on the thin film, The latter will be described in detail.
先ず、ワイヤ状物質を作製するための鋳型を準備する。ワイヤ状物質の鋳型として、ここではアルミニウムの陽極酸化により作製されたアルミナナノホールを例にあげる。また、アルミニウムとシリコンを同時にスパッタすることによって作製されるシリコンナノホール、シリカの原料と界面活性剤等を用いることによって作製されるシリカナノホールも用いられる。また、分子の自己組織化によって形成されるポリメタクリル酸メチル等の高分子鋳型などワイヤ状物質の形成が可能な鋳型ならば、どのようなものを用いても良い。 First, a mold for preparing a wire-like substance is prepared. Here, as an example of the template of the wire-like substance, an alumina nanohole produced by anodizing aluminum is taken as an example. Further, silicon nanoholes produced by simultaneously sputtering aluminum and silicon, and silica nanoholes produced by using a silica raw material and a surfactant are also used. Further, any template can be used as long as it can form a wire-like substance such as a polymer template such as polymethyl methacrylate formed by molecular self-assembly.
鋳型の前駆体20としてアルミニウムを前記薄膜上にスパッタリング法で成膜した、図7(b)―1を作用極として準備し、その作用極と対極となるアルミニウム電極を、恒温水槽により3℃に保持した0.3Mの硫酸水溶液中に設置する。ここで陽極酸化電圧はDC25Vであり、電流値をモニターに表示し、電流値が小さくなった時点で下地層に貫通することを確認した。 7 (b) -1 was prepared as a working electrode by depositing aluminum as a mold precursor 20 on the thin film by sputtering, and the aluminum electrode serving as the working electrode and the counter electrode was heated to 3 ° C. in a constant temperature water bath. Place in a retained 0.3 M aqueous sulfuric acid solution. Here, the anodic oxidation voltage was DC 25 V, and the current value was displayed on the monitor, and it was confirmed that the current penetrated into the base layer when the current value became small.
陽極酸化処理後、純水及びイソプロピルアルコールによる洗浄を行った。
その後、5wt%リン酸溶液中に浸すポアワイド処理を20分行うことにより、図7(b)―2に示したように、孔21を有する鋳型22が形成される。作製されたアルミナナノホールは、平均孔径20nmの薄膜まで貫通した鋳型であることを確認した。このアルミナナノホールを作製する方法は、例えば特開2000−31462号公報に記載されている方法を用いることができる。
After the anodizing treatment, cleaning with pure water and isopropyl alcohol was performed.
Thereafter, by performing a pore wide treatment immersed in a 5 wt% phosphoric acid solution for 20 minutes, a mold 22 having
次に、少なくとも白金イオンが含有された電解液を準備する。この溶液中にアルミナナノホール基板を浸して電位を印加する事により、図7(b)―3に示したように、白金ワイヤ状物質17を作製する事が出来る。ここで、白金を含有する塩として使用できる化合物としては、例えば塩化白金(IV)酸、ジニトロジアンミン白金(II)、テトラアンミンジクロロ白金(II)、ヘキサヒドロキソ白金(IV)酸カリウム等が挙げられる。また、白金合金を電着法で作製する場合、上記白金イオンを含む電解液中に所望の金属を含む塩を混入することにより作製できる。 Next, an electrolytic solution containing at least platinum ions is prepared. By immersing the alumina nanohole substrate in this solution and applying a potential, the platinum wire-like substance 17 can be produced as shown in FIG. 7B-3. Here, as a compound which can be used as a salt containing platinum, for example, chloroplatinic (IV) acid, dinitrodiammineplatinum (II), tetraamminedichloroplatinum (II), potassium hexahydroxoplatinum (IV) and the like can be mentioned. Moreover, when producing a platinum alloy by an electrodeposition method, it can produce by mixing the salt containing a desired metal in the electrolyte solution containing the said platinum ion.
また、ワイヤ状物質を作製した後、薄膜上に設置したときには、図7(b)―4に示したように、方向性を持たずに設置できる。
ここで、ワイヤ状物質の製造方法について詳述する。
Further, when the wire-like substance is produced and then placed on the thin film, it can be placed without directivity as shown in FIG. 7 (b) -4.
Here, the manufacturing method of a wire-like substance is explained in full detail.
ワイヤ状物質の作製方法は、例えば溶液中にワイヤ状物質の原料となる金属イオンの存在下で電位を印加したり、還元を行うことによりワイヤ状物質を成長させる液相成長法が挙げられる。また、ワイヤ状物質の原料に外部エネルギーを与えることにより気相中でワイヤ状物質を作製する気相成長法等が挙げられるが、これらに限定されるものでは無い。 Examples of the method for producing the wire-like substance include a liquid phase growth method in which a potential is applied to the solution in the presence of a metal ion that is a raw material for the wire-like substance or reduction is performed to grow the wire-like substance. Moreover, the vapor phase growth method etc. which produce a wire-like substance in a gaseous phase by giving external energy to the raw material of a wire-like substance are mentioned, However It is not limited to these.
ここで、気相成長法として、金属原料を蒸発、若しくは昇華させ、その温度よりも低い部位に凝集させてワイヤ状物質を作製する凝縮法や、金属のハロゲン化物を真空中、若しくは不活性ガス中で熱分解させることによりワイヤ状物質を作製する熱分解法が好適に用いられる。若しくは成長開始点となりうる触媒を用い、その触媒に所望の金属蒸気を反応させることによりワイヤ状物質が成長するVLS法が好適に用いられる。 Here, as a vapor phase growth method, a metal raw material is evaporated or sublimated and condensed at a site lower than the temperature to produce a wire-like material, or a metal halide is vacuumed or an inert gas. A pyrolysis method is preferably used in which a wire-like substance is produced by pyrolysis in the medium. Alternatively, a VLS method in which a wire-like substance grows by using a catalyst that can be a growth starting point and reacting a desired metal vapor with the catalyst is preferably used.
また、液相成長法として、ワイヤ状物質が形成される鋳型を利用し、所望の金属イオンを電解によって成長させるめっき法や、触媒若しくは光源を利用してワイヤ状物質を成長させる無電解めっき法が好適に用いられる。若しくは溶液中に還元剤とワイヤ状物質を形成するための界面活性剤等を混合して成長させる還元法が好適に用いられる。 In addition, as a liquid phase growth method, a plating method in which a mold on which a wire-like material is formed is used to grow desired metal ions by electrolysis, or an electroless plating method in which a wire-like material is grown using a catalyst or a light source. Are preferably used. Alternatively, a reduction method in which a reducing agent and a surfactant for forming a wire-like substance are mixed and grown in a solution is preferably used.
c.〈固体高分子電解質膜上に接合する工程〉
bの工程で薄膜上にワイヤ状物質を固定したが、この試料を固体高分子電解質膜に接合する工程をここで詳述する。
c. <Step of joining on solid polymer electrolyte membrane>
The wire-like substance is fixed on the thin film in the step b. The step of joining this sample to the solid polymer electrolyte membrane will be described in detail here.
まず、ワイヤ状物質を固体高分子電解質膜と接合するために、ワイヤ状物質内に固体高分子電解質を設けることが好ましい。このとき、固体高分子電解質は、イソプロピルアルコールなどの溶媒中に溶解している溶液を用いることにより、ワイヤ状物質の深部まで固体高分子電解質を設けることが可能である。前記図7bの工程に記載したように、ワイヤ状物質を先に単離した状態で薄膜上に設けるときには、固体高分子電解質と混合して、図7(c)―4に示したように設けることが好適に用いられる。鋳型を用いたときには鋳型内にワイヤ状物質を設置した後に鋳型の一部分、もしくは全部を溶解して固体高分子電解質を、図7(c)―3に示したように設ける方法が好適に用いられる。 First, in order to join a wire-like substance to a solid polymer electrolyte membrane, it is preferable to provide a solid polymer electrolyte in the wire-like substance. At this time, the solid polymer electrolyte can be provided up to the deep part of the wire-like substance by using a solution dissolved in a solvent such as isopropyl alcohol. As described in the process of FIG. 7b, when the wire-like substance is provided on the thin film in the previously isolated state, it is mixed with the solid polymer electrolyte and provided as shown in FIG. 7 (c) -4. Are preferably used. When a mold is used, a method of providing a solid polymer electrolyte as shown in FIG. 7 (c) -3 by dissolving a part or all of the mold after placing a wire-like substance in the mold is preferably used. .
ここでは、アルミナナノホールを鋳型として作製したワイヤ状物質の鋳型の一部分を溶解して固体高分子電解質を設置し、ホットプレス法によって固体高分子電解質膜上に転写した例を述べる。 Here, an example will be described in which a part of a wire-like material template prepared using alumina nanoholes as a template is dissolved, a solid polymer electrolyte is set, and transferred onto the solid polymer electrolyte membrane by a hot press method.
薄膜上に設置したアルミナナノホールを、5wt%リン酸水溶液に20分間浸すことにより、図7(c)―1に示したように、ワイヤ状物質とアルミナナノホールの間に10nmの隙間23を形成させた。次に、この隙間に、図7(c)―2に示したように、固体高分子電解質13である5wt%ナフィオン溶液を流し込み、適度に乾燥させた。また、固体高分子電解質膜として、市販のNafion膜を使用した。前処理として、過酸化水素水溶液を80℃に温め、所望の大きさにカッティングしたNafion膜を60分間浸した。過酸化水素処理後に水で洗浄した後、80℃に加熱した硫酸水溶液中にNafion膜を60分間浸した。その後、水で洗浄した後に、乾燥させたものを使用した。次に、処理後のナフィオン膜上に、先ほど作製したアルミナナノホールを鋳型としたワイヤ状物質と固体高分子電解質の混合体をホットプレスして、図7(c)―3に示したように、ナフィオン含有白金ナノワイヤ状物質の膜電極接合体を作製した。
By immersing the alumina nanoholes placed on the thin film in a 5 wt% phosphoric acid aqueous solution for 20 minutes, a 10 nm gap 23 is formed between the wire-like substance and the alumina nanoholes as shown in FIG. It was. Next, as shown in FIG. 7 (c) -2, a 5 wt% Nafion solution, which is a
d.〈基板を除去する工程〉
上記工程まででは、基板が膜電極接合体に設置されたままである。そのため、基板を除去する必要がある。
d. <Process to remove the substrate>
Up to the above steps, the substrate remains installed on the membrane electrode assembly. Therefore, it is necessary to remove the substrate.
除去方法として、ホットプレス後に基板をそのまま剥がすことにより分離できる場合と、酸や塩基などの溶液に浸漬して、多少薄膜を溶解しながら剥がす方法等があるが、これらに限られるものでは無い。 As a removing method, there are a case where separation is possible by peeling off the substrate as it is after hot pressing, a case where it is immersed in a solution of acid or base, and the film is peeled off while slightly dissolving the thin film, but is not limited thereto.
また、鋳型を用いている場合は、鋳型を溶解する必要もある。溶解方法として、基板を剥がしたあとに溶解するか、若しくは鋳型を溶解して基板を剥がすか、若しくは同時に処理する方法がある。 Further, when a template is used, it is necessary to dissolve the template. As a melting method, there is a method in which the substrate is melted after being peeled, or the template is melted and the substrate is peeled off, or processing is performed simultaneously.
ここでは、アルミナナノホール内に作製したワイヤ状物質に固体高分子電解質を被覆、ホットプレスした後に硫酸溶液に浸し、鋳型の溶解と基板の分離を同時に行った例を述べる。 Here, an example will be described in which a solid polymer electrolyte is coated on a wire-like substance produced in alumina nanoholes, hot-pressed, and then immersed in a sulfuric acid solution, and the dissolution of the template and the separation of the substrate are performed simultaneously.
作製された基板含有膜電極接合体を0.1M硫酸水溶液に12時間浸漬することにより、図7(d)―1に示したように、基板と薄膜が分離でき、且つ鋳型であるアルミナナノホールを溶解することが出来た。このとき、溶液に浸漬する前に基板を剥がし、その後酸溶液中に浸漬しても良い。また、ワイヤ状微粒子と固体高分子電解質を溶解させた溶液中で混合した場合は、、図7(d)―2に示したような、ワイヤ状物質に方向性のない膜電極接合体ができる。 By immersing the produced substrate-containing membrane / electrode assembly in a 0.1 M sulfuric acid aqueous solution for 12 hours, as shown in FIG. It was able to dissolve. At this time, the substrate may be peeled off before being immersed in the solution, and then immersed in the acid solution. In addition, when mixed in a solution in which wire-like fine particles and a solid polymer electrolyte are dissolved, a membrane-electrode assembly having no directionality to the wire-like substance as shown in FIG. 7 (d) -2 can be obtained. .
(固体高分子電解質について)
本発明の膜電極接合体の構成成分である固体高分子電解質は、アノード側で発生したカチオンを速やかにカソード側に移動させるために高いイオン伝導性の役割が求められる。固体高分子電解質としてはこうした要求を満たすために、水素イオン伝導性や、メタノール等の有機液体燃料透過性に優れる材料が好ましく用いられる。
(About solid polymer electrolyte)
The solid polymer electrolyte, which is a constituent of the membrane electrode assembly of the present invention, is required to have a high ion conductivity role in order to quickly move cations generated on the anode side to the cathode side. As the solid polymer electrolyte, a material excellent in hydrogen ion conductivity and organic liquid fuel permeability such as methanol is preferably used in order to satisfy these requirements.
具体的には、水素イオン解離が可能な有機基としては、スルホン酸基、スルフィン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、ホスフィン酸基、リン酸基、水酸基などを有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、ポリスチレンスルホン酸樹脂、スルホン化ポリアミドイミド樹脂、スルホン化ポリスルホン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルイミド半透膜、パーフルオロホスホン酸樹脂、パーフルオロスルホン酸樹脂等が例示できる。上記例示した固体高分子電解質が好適に用いられるが、これらに限定されるものでは無い。 Specifically, as the organic group capable of hydrogen ion dissociation, an organic polymer having a sulfonic acid group, a sulfinic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, a phosphinic acid group, a phosphoric acid group, a hydroxyl group, or the like is preferably used. It is done. Such organic polymers include perfluorocarbon sulfonic acid resin, polystyrene sulfonic acid resin, sulfonated polyamideimide resin, sulfonated polysulfonic acid resin, sulfonated polyetherimide semipermeable membrane, perfluorophosphonic acid resin, perfluorosulfonic acid resin, etc. Can be illustrated. Although the solid polymer electrolyte illustrated above is used suitably, it is not limited to these.
(微粒子について)
膜電極接合体は、図1に示す様に、触媒として微粒子を含有していてもよい。微粒子には、燃料電池の触媒、若しくは触媒能を向上させる助触媒として機能する物質ならどのような材料、形状でも用いることが出来る。特に、本発明のワイヤ状物質の反応場を増やすことを考慮したとき、ワイヤ状物質の径よりも小さいものが好適に用いられ、具体的には、粒径が20nm以下、好ましくは10nm以下の微粒子を用いることが出来る。また、触媒の材料として、特に白金、白金を含む合金若しくは白金を含む混合物を用いることが好ましい。白金の合金、若しくは白金を含む混合物として白金と共に含まれる材料は、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガン、バナジウム、レニウム、コバルト、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウム、およびオスミウムなどが例示できる。
(About fine particles)
The membrane / electrode assembly may contain fine particles as a catalyst, as shown in FIG. As the fine particles, any material and shape can be used as long as they function as a fuel cell catalyst or a co-catalyst for improving catalytic performance. In particular, when considering increasing the reaction field of the wire-like substance of the present invention, those smaller than the diameter of the wire-like substance are preferably used. Specifically, the particle diameter is 20 nm or less, preferably 10 nm or less. Fine particles can be used. In addition, it is particularly preferable to use platinum, an alloy containing platinum, or a mixture containing platinum as the catalyst material. Materials that are included with platinum as an alloy of platinum or a mixture containing platinum are gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, iron, cobalt, nickel, chromium, tungsten, manganese, vanadium, rhenium, cobalt, lithium, lanthanum Strontium, yttrium, osmium and the like.
(担体について)
膜電極接合体は、基本的にカチオンをアノード側に輸送できる固体高分子膜と、アノード及びカソードで発生した電子を取り出すことが出来る触媒電極が存在することにより発電が可能となるため、担体は必ずしも必要な材料ではない。しかし、主として白金の使用量を削減することを目的として、電子移動が可能な材料を膜電極接合体中に担持することが行われている。
(About carrier)
Since the membrane electrode assembly basically has a solid polymer membrane that can transport cations to the anode side and a catalyst electrode that can take out electrons generated at the anode and cathode, power generation is possible. It is not necessarily a necessary material. However, for the purpose of mainly reducing the amount of platinum used, a material capable of transferring electrons is supported in the membrane electrode assembly.
この担体は、カーボンを主として用いることが出来るが、電子移動材料ならばこれらに限られるものでは無い。カーボンの担体として、ファーネスブラック、チャンネルブラック、およびアセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンファイバー等が挙げられ、これらが単独あるいは混合して使用される。このとき、担体上にワイヤ状物質を形成していても良く、担体とワイヤ状物質が膜電極接合体中で分散していても良い。 As the carrier, carbon can be mainly used. However, the carrier is not limited thereto as long as it is an electron transfer material. Examples of the carbon carrier include carbon black such as furnace black, channel black, and acetylene black, activated carbon, graphite, fullerene, carbon nanotube, carbon fiber, and the like, and these are used alone or in combination. At this time, a wire-like substance may be formed on the carrier, and the carrier and the wire-like substance may be dispersed in the membrane electrode assembly.
(供給燃料について)
固体高分子電解質−触媒複合型の燃料電池の燃料は、アノード側では水素、改質水素、メタノール、ジメチルエーテル等の触媒電極と固体高分子電解質の作用によって電子とカチオンが発生する燃料なら何でもよい。またカソード側では空気や酸素等のカチオンを受け取り電子を取り込む燃料なら何でもよいが、アノード側では水素若しくはメタノール、カソード側では空気を用いることが、反応効率的にも実用的にも適している。
(About fuel supply)
The fuel of the solid polymer electrolyte-catalyst composite type fuel cell may be any fuel that generates electrons and cations by the action of a catalyst electrode such as hydrogen, reformed hydrogen, methanol, dimethyl ether, etc. and the solid polymer electrolyte on the anode side. Also, any fuel can be used as long as it accepts cations such as air and oxygen on the cathode side and takes in electrons. However, hydrogen or methanol is suitable for the anode side and air is suitable for the cathode side in terms of reaction efficiency and practical use.
(燃料電池の構成、及び製造方法について)
上記燃料電池の構成の概略図を図5に示す。固体高分子電解質51、アノード触媒層52、カソード触媒層53、アノード側集電板54,カソード側集電板55、外部出力端子56、燃料導入ライン57、燃料排出ライン58、アノード側燃料拡散層59、カソード側燃料拡散層60から成り、触媒層表面の3相界面で化学反応が起こることで電力が発生する。ここで、セルの構成として、例えば図5に示す構成を複数層形成することで発生電圧値及び電流値を高めることができる。この場合、半導体プロセスを応用して上記セルを作製することで、燃料電池システムの小型化、高出力化が可能となる。
(Configuration of fuel cell and manufacturing method)
A schematic diagram of the configuration of the fuel cell is shown in FIG. Solid polymer electrolyte 51,
また、例えば、燃料としてアノード側に水素、カソード側に空気を用いた場合、アノード側に供給された燃料がもれることのないようにパッキングをすることが重要であり、カソード側は燃料が注入されやすいように空気に対して開放されている事が重要である。また拡散層とは、燃料が容易にセル内に搬入され且つより多く3相界面を形成するために設置した高気孔率を有する導電性部材であり、炭素繊維織物やカーボンペーパー等を好適に用いることが出来る。 For example, when hydrogen is used as the fuel on the anode side and air is used on the cathode side, it is important to pack the fuel so that the fuel supplied to the anode side does not leak, and fuel is injected into the cathode side. It is important to be open to the air so that it can be easily done. The diffusion layer is a conductive member having a high porosity that is installed in order to easily carry fuel into the cell and form a three-phase interface, and preferably uses a carbon fiber fabric, carbon paper, or the like. I can do it.
ここで、カチオン交換を行う固体高分子電解質を用いた場合のみではなく、アノード側にカチオン交換膜、カソード側にアニオン交換膜を用いたバイポーラ電解質型燃料電池等の触媒電極にワイヤ状物質を利用したときも、勿論本発明の燃料電池用膜電極接合体が適用される。 Here, not only when using a solid polymer electrolyte that performs cation exchange, but also using a wire-like substance for the catalyst electrode of a bipolar electrolyte fuel cell or the like using a cation exchange membrane on the anode side and an anion exchange membrane on the cathode side Of course, the fuel cell membrane electrode assembly of the present invention is also applied.
以下、実施例を挙げてさらに詳細に本発明を説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
実施例1
本実施例は、シリコン基板上に金を薄膜として成膜し、その上に設置したアルミニウム−シリコン混合膜を鋳型として白金めっきを施しワイヤ状物質を作製した後に、膜電極接合体を作製した例を述べる。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these Examples.
Example 1
In this example, gold was formed as a thin film on a silicon substrate, and a platinum electrode was plated using an aluminum-silicon mixed film placed thereon as a mold to produce a wire-like material, and then a membrane electrode assembly was produced. To state.
まず、RFマグネトロンスパッタリング法によって、4インチ(101.6mm)のシリコンウエハー上に金を20nm設置し、続いて200nmのアルミニウム−シリコン混合膜を、金を成膜したSiウエハー上に成膜した。このとき、金を20nmの膜厚にしたことにより、通気孔が自然に形成されている薄膜が設置された。 First, 20 nm of gold was placed on a 4 inch (101.6 mm) silicon wafer by RF magnetron sputtering, and then a 200 nm aluminum-silicon mixed film was formed on a Si wafer on which gold was formed. At this time, a thin film in which air holes were naturally formed was installed by setting the thickness of gold to 20 nm.
鋳型作製に使用したターゲットは、バッキングプレート上の4インチ(101.6mm)のアルミニウムターゲット上に15mm角のシリコンチップを6枚おいたものである。スパッタは、RF電源を用いて、Ar流量:50sccm、放電圧力:0.7Pa、投入電力:90Wの条件で行った。また、基板温度は室温とした。このアルミニウム−シリコン構造体薄膜を5wt%りん酸水溶液にて10時間浸し、アルミニウム柱状構造部分のみを選択的にエッチングして細孔を形成した。エッチング後の膜をFE−SEMで観察した結果、平均孔径が約5nmの多孔質の膜になっていることが確認された。 The target used for producing the mold was obtained by placing six 15 mm square silicon chips on a 4 inch (101.6 mm) aluminum target on a backing plate. Sputtering was performed using an RF power source under the conditions of Ar flow rate: 50 sccm, discharge pressure: 0.7 Pa, and input power: 90 W. The substrate temperature was room temperature. This aluminum-silicon structure thin film was immersed in a 5 wt% phosphoric acid aqueous solution for 10 hours, and only aluminum columnar structure portions were selectively etched to form pores. As a result of observing the etched film with FE-SEM, it was confirmed that the film was a porous film having an average pore diameter of about 5 nm.
次に、以上のようにして作製した多孔質膜の細孔中に、電着(電気メッキ)で白金の柱状構造体を作製した。上記の工程で作製した酸化ケイ素の多孔質薄膜を市販の電気メッキ液(高純度化学研究所製、金用電気メッキ液、商品コードPT−100E)中に入れ、70℃に保持した酸性浴(pH=0.1)中において、1.5A/dm2の電流密度で電着を行った。 Next, a columnar structure of platinum was produced by electrodeposition (electroplating) in the pores of the porous film produced as described above. An acidic bath (70 ° C.) in which a porous thin film of silicon oxide prepared in the above process is placed in a commercially available electroplating solution (manufactured by High Purity Chemical Laboratory, electroplating solution for gold, product code PT-100E) In the case of pH = 0.1), electrodeposition was performed at a current density of 1.5 A / dm 2 .
次に、溶液から基板を取り出し、0.2Mの水酸化ナトリウム水溶液に30分浸漬させることにより鋳型を溶解させ、薄膜上から成長した白金ワイヤ状物質を作製した。エッチング後の膜をFE−SEMで観察した結果、鋳型を反映した長さ200nm、平均径約5nmのワイヤ状物質の基板側に20nmの金の薄膜が設置されていることが確認された。 Next, the substrate was taken out of the solution and immersed in a 0.2 M aqueous sodium hydroxide solution for 30 minutes to dissolve the template, thereby producing a platinum wire-like material grown from the thin film. As a result of observing the etched film with FE-SEM, it was confirmed that a gold thin film of 20 nm was placed on the substrate side of a wire-like substance having a length of 200 nm and an average diameter of about 5 nm reflecting the mold.
次にこの膜に、5wt%のナフィオン溶液を浸漬させ、大気下で30分間乾燥させた。
ここで、固体高分子電解質膜を準備する工程を述べる。ここでは、市販のNafion(デュポン社製、登録商標)膜を使用した。過酸化水素水溶液を80℃に温め、所望の大きさにカッティングしたNafion膜を60分間浸した。過酸化水素処理後に水で洗浄した後、80℃に加熱した硫酸水溶液中にNafion膜を60分間浸した。その後、水で洗浄した後に、乾燥させたものを使用した。
Next, a 5 wt% Nafion solution was immersed in this film and dried in the air for 30 minutes.
Here, a process for preparing a solid polymer electrolyte membrane will be described. Here, a commercially available Nafion (DuPont, registered trademark) membrane was used. The aqueous hydrogen peroxide solution was warmed to 80 ° C., and a Nafion film cut to a desired size was immersed for 60 minutes. After the hydrogen peroxide treatment and washing with water, the Nafion film was immersed in an aqueous sulfuric acid solution heated to 80 ° C. for 60 minutes. Then, after washing with water, a dried product was used.
処理後のナフィオン膜上に、先ほど作製したワイヤ状物質内にナフィオン溶液を塗布した膜をホットプレス法で転写を行った。転写後、シリコンウエハーを膜電極接合体部分から剥ぎ取ることにより、金と基板を分離した。 On the Nafion film after the treatment, a film obtained by applying the Nafion solution in the wire-like substance prepared earlier was transferred by a hot press method. After the transfer, the silicon wafer was peeled off from the membrane electrode assembly portion to separate the gold and the substrate.
この膜電極接合体をセルに組み込んだ構成の概略図を図5に示した。固体高分子電解質51、アノード触媒層52、カソード触媒層53、アノード側集電板54,カソード側集電板55、外部出力端子56、燃料導入ライン57、燃料排出ライン58、アノード側燃料拡散層59、カソード側燃料拡散層60で構成されている。
FIG. 5 shows a schematic diagram of a configuration in which this membrane electrode assembly is incorporated in a cell. Solid polymer electrolyte 51,
比較例として、平均粒径が5nmの白金微粒子を用いた。白金微粒子1gをるつぼに入れ、マイクロピペットで純水を0.4ccを滴下した。その後、るつぼ内に5%ナフィオン(Nafion)溶液をマイクロピペットを用いて1.5cc加え、続いてイソプロピルアルコールを0.2cc加えた。そして、そのるつぼを5分間超音波洗浄した。さらに、ルツボ内に撹拌子を入れ、マグネチックスターラーで200rpmで撹拌した。このように作製された白金ナノワイヤ状物質分散溶液をドクターブレード法によって銅を20nm設置したPTFEシート上に塗布した。作製した触媒シートは別に移動して大気下で乾燥させた。そして、処理後のナフィオン膜上に、先ほど作製したワイヤ状物質内にナフィオン溶液を塗布した膜をホットプレス法で転写を行い膜電極接合体を作製し、それを用いてセルを作製した。 As a comparative example, platinum fine particles having an average particle diameter of 5 nm were used. 1 g of platinum fine particles was put in a crucible, and 0.4 cc of pure water was dropped with a micropipette. Thereafter, 1.5 cc of 5% Nafion solution was added to the crucible using a micropipette, followed by 0.2 cc of isopropyl alcohol. Then, the crucible was subjected to ultrasonic cleaning for 5 minutes. Furthermore, the stirring bar was put in the crucible, and it stirred at 200 rpm with the magnetic stirrer. The thus prepared platinum nanowire-like substance dispersion solution was applied onto a PTFE sheet on which 20 nm of copper was placed by the doctor blade method. The prepared catalyst sheet was moved separately and dried in the air. Then, on the treated Nafion film, the film in which the Nafion solution was applied in the previously prepared wire-like substance was transferred by a hot press method to produce a membrane electrode assembly, and a cell was produced using it.
これを用いて、燃料電池単セルの電流−電位特性評価をしたところ、実施例1は比較例の微粒子膜に比べて10%程度出力が向上した。これは、本発明の白金ワイヤ状物質を膜電極接合体に組み込んだことにより、三相界面を増大、ガス透過性を拡大することが可能となり、発電効率が向上したものと考える。 When this was used to evaluate the current-potential characteristics of a single fuel cell, the output of Example 1 was improved by about 10% compared to the particulate film of the comparative example. This is considered that the incorporation of the platinum wire-like substance of the present invention into a membrane electrode assembly makes it possible to increase the three-phase interface and expand the gas permeability, thereby improving the power generation efficiency.
電流−電位特性の評価方法
アノード側に80℃飽和水蒸気で加湿した水素を、カソード側に同様に加湿した空気を使用した。流量として、それぞれ200mL/分、600mL/分で供給し、作製した単セルを運転した。セル運転温度を80℃に設定し、発電評価及び交流インピーダンス測定を行い、その測定方法は、負荷に流す電流を変化させた場合の電圧変化及びIR変化を測定した。
Evaluation Method of Current-Potential Characteristics Hydrogen humidified with 80 ° C. saturated steam was used on the anode side, and air humidified in the same manner was used on the cathode side. The produced single cells were operated by supplying the flow rates at 200 mL / min and 600 mL / min, respectively. The cell operating temperature was set to 80 ° C., power generation evaluation and AC impedance measurement were performed, and the measurement method measured voltage change and IR change when the current flowing through the load was changed.
実施例2
本実施例は、気相からの凝縮法を用いて作製した白金ワイヤ状物質を固体高分子電解質と混合させ、そのスラリーは銅を薄膜として成膜した基板上に設置し、それを用いて膜電極接合体を作製した例を述べる。
Example 2
In this example, a platinum wire-like substance prepared by using a condensation method from a gas phase is mixed with a solid polymer electrolyte, and the slurry is placed on a substrate on which copper is formed as a thin film. The example which produced the electrode assembly is described.
まず、反応管中に白金を真空封入し、反応炉内に静置させた。そして、原料部位に1650℃の温度を与え白金を蒸発させ、反応管内の上部を750〜950℃に設定することにより、白金ワイヤ状物質を得ることが出来た。生成した白金ワイヤ状物質を反応管内から削ぎ落とした。ワイヤ状物質は、長さ1000nm、径が50nmであった。 First, platinum was vacuum sealed in a reaction tube and allowed to stand in a reaction furnace. A platinum wire-like substance could be obtained by applying a temperature of 1650 ° C. to the raw material site to evaporate platinum and setting the upper part in the reaction tube to 750-950 ° C. The produced platinum wire-like substance was scraped off from the reaction tube. The wire-like substance had a length of 1000 nm and a diameter of 50 nm.
この白金ナノワイヤ状物質を上記した膜電極接合体の作製方法と同様の手法により膜電極接合体を作製し、アノード側に水素、カソード側に空気を燃料として注入するセルを組み上げた。その方法は、作製した白金ナノワイヤ状物質1gをるつぼに入れ、マイクロピペットで純水を0.4ccを滴下した。その後、るつぼ内に5%ナフィオン(Nafion)溶液をマイクロピペットを用いて1.5cc加え、続いてイソプロピルアルコールを0.2cc加えた。そして、そのるつぼを5分間超音波洗浄した。さらに、ルツボ内に撹拌子を入れ、マグネチックスターラーで200rpmで撹拌した。このように作製された白金ナノワイヤ状物質分散溶液をドクターブレード法によって銅を20nm設置したPTFEシート上に塗布した。このとき、銅を20nmの膜厚にしたことにより、通気孔が自然に形成されている薄膜が設置された。作製した触媒シートは別に移動して大気下で乾燥させた。 A membrane electrode assembly was prepared from the platinum nanowire-like material by the same method as the above-described method of manufacturing a membrane electrode assembly, and a cell was assembled by injecting hydrogen on the anode side and air on the cathode side. In this method, 1 g of the produced platinum nanowire-like substance was put in a crucible, and 0.4 cc of pure water was dropped with a micropipette. Thereafter, 1.5 cc of 5% Nafion solution was added to the crucible using a micropipette, followed by 0.2 cc of isopropyl alcohol. Then, the crucible was subjected to ultrasonic cleaning for 5 minutes. Furthermore, the stirring bar was put in the crucible, and it stirred at 200 rpm with the magnetic stirrer. The thus prepared platinum nanowire-like substance dispersion solution was applied onto a PTFE sheet on which 20 nm of copper was placed by the doctor blade method. At this time, a thin film in which air holes were naturally formed was installed by setting the copper thickness to 20 nm. The prepared catalyst sheet was moved separately and dried in the air.
この触媒シートを用いて、実施例1と同様に膜電極接合体を作製し、さらにセルを作成した。
比較例として、平均粒径が5nmの白金微粒子を用いて、実施例1と同様に膜電極接合体を作製し、それを用いてセルを作成した。
Using this catalyst sheet, a membrane electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1, and a cell was further produced.
As a comparative example, a membrane electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1 using platinum fine particles having an average particle diameter of 5 nm, and a cell was prepared using the membrane electrode assembly.
これを用いて、燃料電池の単セルの電流−電位特性の評価をしたところ、比較例の微粒子膜に比べて10%程度出力が向上した。これは、本発明の白金ワイヤ状物質を膜電極接合体に組み込んだことにより、三相界面を増大、ガス透過性を拡大することが可能となり、発電効率が向上したものと考える。 When this was used to evaluate the current-potential characteristics of a single cell of a fuel cell, the output was improved by about 10% compared to the particulate film of the comparative example. This is considered that the incorporation of the platinum wire-like substance of the present invention into a membrane electrode assembly makes it possible to increase the three-phase interface and expand the gas permeability, thereby improving the power generation efficiency.
実施例3
本実施例は、シリコン基板上に銅、続いて白金を成膜し、その膜上にシリカナノホールを作製し、めっき法により白金タングステン合金ワイヤ状物質を作製し、その鋳型上に固体高分子膜を固定した後に鋳型を溶解し、さらに樹枝状のワイヤ状物質に固体高分子膜を設けることで膜電極接合体を作製した例を述べる。
Example 3
In this example, copper is formed on a silicon substrate, followed by platinum, silica nanoholes are formed on the film, a platinum tungsten alloy wire-like material is formed by a plating method, and a solid polymer film is formed on the template. An example will be described in which a membrane electrode assembly was fabricated by dissolving the template after fixing the substrate and further providing a solid polymer film on the dendritic wire-like substance.
シリカナノホール作製のための反応液を調製する原料として、テトラエチルオルトシリケート(TEOS)1モルに対して、硝酸0.7モル、水12モル、エタノール15モル、n−ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド0.2モルとした。この溶液をスパッタリング法で銅10nm、続いてめっき法で白金30nmを成膜したシリコンウエハ上に添加して、3000回転/分の条件でスピンコートした。このとき、銅を10nmの膜厚にしたことにより、通気孔が自然に形成されている薄膜が設置された。ここで用いためっき法の条件として、30g/Lのホウ酸水溶液を用いて0.03mol/L塩化白金とした電解液を用いた。作用極として銀/塩化銀、対極として白金メッシュを用いた。印加電位として、−0.7Vを1秒間印加した後、0.5秒間0Vを印加した。撹拌子の回転速度を300rpmとして攪拌しながら、この印加条件を5回繰り返すことによって、銅の薄膜上に白金を成膜できた。その後、大気中400℃で熱処理を行うことによりシリカナノホールを作製した。
Nitrogen 0.7 mol,
次に、塩化白金酸を白金濃度で1.5g、タングステン酸ナトリウムをタングステン濃度で10gを800mlの水に溶解後、リン酸水素2ナトリウム1.0g、リン酸2水素ナトリウム1.0gを加え、更に水酸化ナトリウム、硫酸にて所定のpH値になる様、Pt−W合金めっき浴を調製した。この浴を用いて電解条件として電流密度5mA/cm2、時間150秒、温度65℃でめっきを行った。 Next, 1.5 g of chloroplatinic acid in a platinum concentration and 10 g of sodium tungstate in a tungsten concentration were dissolved in 800 ml of water, and then 1.0 g of disodium hydrogen phosphate and 1.0 g of sodium dihydrogen phosphate were added. Further, a Pt—W alloy plating bath was prepared so as to have a predetermined pH value with sodium hydroxide and sulfuric acid. Using this bath, plating was carried out under electrolysis conditions of a current density of 5 mA / cm 2 , a time of 150 seconds, and a temperature of 65 ° C.
次に、作製された膜を水酸化ナトリウム水溶液に浸漬させることにより鋳型を溶解させ、鋳型を反映して平均径が約5nmの樹枝状構造のワイヤ状物質を作製した。
次に、5%Nafion溶液をスピンコート法で塗布し、スピンコートした面でNafion膜を挟みこみ、そのままホットプレスを行った。
Next, the template was dissolved by immersing the prepared membrane in an aqueous sodium hydroxide solution, and a dendritic wire-like substance having an average diameter of about 5 nm was prepared reflecting the template.
Next, a 5% Nafion solution was applied by a spin coating method, a Nafion film was sandwiched between the spin coated surfaces, and hot pressing was performed as it was.
ホットプレス後、硫酸溶液に浸漬させることにより、基板と薄膜を分離し、本発明の膜電極接合体を作製した。
比較例として、平均粒径が5nmの白金―タングステン合金微粒子を用いて膜電極接合体を作製し、それを用いてセルとした。
After hot pressing, the substrate and the thin film were separated by being immersed in a sulfuric acid solution, and the membrane electrode assembly of the present invention was produced.
As a comparative example, a membrane / electrode assembly was prepared using platinum-tungsten alloy fine particles having an average particle diameter of 5 nm, and a cell was formed using the assembly.
これを用いて、燃料電池の単セルの電流−電位特性の評価をしたところ、比較例の微粒子膜に比べて12%程度出力が向上した。これは、本発明のワイヤ状物質を膜電極接合体に組み込んだことにより、三相界面を増大、ガス透過性を拡大することが可能となり、発電効率が向上したものと考える。 When this was used to evaluate the current-potential characteristics of a single cell of the fuel cell, the output was improved by about 12% compared to the fine particle film of the comparative example. This is considered that the incorporation of the wire-like substance of the present invention into the membrane electrode assembly makes it possible to increase the three-phase interface and expand the gas permeability, thereby improving the power generation efficiency.
本発明の膜電極接合体は、三相界面を増大させ、ガス透過性を拡大することが可能で、発電効率が向上する。そのために、携帯電話、ノートパソコン、デジタルビデオカメラ、デジタルカメラ等の小型モバイル用燃料電池から家庭設置用、自動車等の大型燃料電池まで種々のエネルギー発電部に利用することができる。また、燃料電池以外の分野では、水の電気分解用電極としても利用できる。 The membrane electrode assembly of the present invention can increase the three-phase interface, expand the gas permeability, and improve the power generation efficiency. Therefore, it can be used for various energy generation units from small mobile fuel cells such as mobile phones, notebook computers, digital video cameras, and digital cameras to large fuel cells for home use and automobiles. In fields other than fuel cells, it can also be used as an electrode for water electrolysis.
11 膜電極接合体
12 ワイヤ状物質
13 固体高分子電解質
14 微粒子
15 担体
16 触媒層
17 薄膜
18 通気孔
19 基板
20 鋳型の前駆体
21 孔
22 鋳型
23 隙間
31 ワイヤ状物質
32 長さ
33 横切断面
34 重心
35 最大長さ
36 最外輪
41 触媒
42 担体
43 固体高分子電解質
51 固体高分子電解質
52 アノード触媒層
53 カソード触媒層
54 アノード側集電体
55 カソード側集電体
56 外部出力端子
57 燃料導入ライン
58 燃料排出ライン
59 アノード側燃料拡散層
60 カソード側燃料拡散層
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