JP4923271B2 - Method for manufacturing a direct methanol fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料に液体メタノールを使用した直接メタノール型燃料電池(direct methanol fuel cell、DMFC) の製造方法に関する。 The present invention, fuel in liquid methanol direct methanol fuel cell using (direct methanol fuel cell, DMFC) process for the preparation of.
例えば、携帯用電子機器の電源は、1次電池または2次電池で構成されてきた。1次電池は、所定の電力を消費すると、交換しなければならないが、2次電池は再使用できる。2次電池としては鉛バッテリ、Ni/Cd電池、Ni/水素電池、Liイオン電池等が用いられてきた。2次電池は一定量の電力を使用した後には充電する必要がある。 For example, the power source of portable electronic devices has been composed of a primary battery or a secondary battery. A primary battery must be replaced when it consumes predetermined power, but a secondary battery can be reused. As secondary batteries, lead batteries, Ni / Cd batteries, Ni / hydrogen batteries, Li ion batteries, and the like have been used. Secondary batteries need to be charged after using a certain amount of power.
近年、携帯用電子機器の高機能化と共に、消費電力が増加する傾向がある。このためには、電池の高エネルギ密度化、高出力密度化が強く要望される。Liイオン電池よりさらに大幅の高エネルギ密度化を実現することは困難である。また、充電を必要とする2次電池は利便性が良くない。 In recent years, power consumption tends to increase as the functionality of portable electronic devices increases. For this purpose, high energy density and high output density of the battery are strongly demanded. It is difficult to achieve much higher energy density than Li-ion batteries. Further, a secondary battery that requires charging is not convenient.
燃料電池は、これらの従来のエネルギデバイスの欠点を補い、利便性の良い電源を提供する可能性を有する。燃料電池は、水素を含む燃料と空気中の酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギを取り出すため、2次電池のような充電を行う必要がなく、利便性に優れている。2次電池を越えるエネルギ密度を実現する可能性も有している。 The fuel cell has the potential to provide a convenient power supply by compensating for the shortcomings of these conventional energy devices. A fuel cell is excellent in convenience because it does not need to be charged as in a secondary battery because an electric energy is extracted by electrochemically reacting a fuel containing hydrogen and oxygen in the air. There is also a possibility of realizing an energy density exceeding that of the secondary battery.
燃料電池は、電解質を燃料極と空気極とで挟む構成を有する。電解質として高分子薄膜を用いた燃料電池は、作動温度が低く、携帯用電子機器の電源として有望視されている。燃料電池の電極としては、導電性炭素粉末などの担体に、触媒機能を有する金属、例えば白金と他の元素の合金を担持させたものが用いられる(例えば特許文献2、3、4)。
The fuel cell has a configuration in which an electrolyte is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode. A fuel cell using a polymer thin film as an electrolyte has a low operating temperature and is regarded as a promising power source for portable electronic devices. As an electrode of a fuel cell, a metal having a catalytic function, for example, an alloy of platinum and another element is supported on a carrier such as conductive carbon powder (for example,
水素を燃料とした高分子型固体電解質の場合には、空気極の反応活性の改善手法として、白金に鉄、コバルト、ニッケル等を添加する方法が、渡辺等により検討されている(非特許文献1)。白金に鉄、コバルト、ニッケル等を添加すると、触媒である白金表面の電子構造に影響を与え、活性な表面を形成することが可能であると説明されている。しかし、合金触媒の場合には、実用的な白金担持触媒における白金の粒子径である2nm〜5nm程度まで合金の粒子径を小さくしていくと、脱合金化が生じるため、触媒活性の低下が生じる。なお、脱合金化とは、白金が溶解して隣接した粒子表面に再析出する現象をいう。 In the case of a polymer solid electrolyte using hydrogen as a fuel, a method of adding iron, cobalt, nickel, etc. to platinum has been studied by Watanabe et al. 1). It has been described that the addition of iron, cobalt, nickel or the like to platinum affects the electronic structure of the platinum surface, which is a catalyst, and can form an active surface. However, in the case of an alloy catalyst, if the alloy particle size is reduced to about 2 nm to 5 nm, which is the particle size of platinum in a practical platinum-supported catalyst, dealloying occurs, so the catalytic activity decreases. Arise. Note that dealloying refers to a phenomenon in which platinum dissolves and reprecipitates on the adjacent particle surfaces.
合金化以外の白金触媒の活性改善手法として白金の粒子サイズの制御が試みられている。白金の粒子径が大きくなるに伴い、触媒としての活性が向上するとの報告がある。又、担持粒子の粒子径が3nm以下になると、単位重量当りの活性は減少するとの報告もある。しかし、粒子径の増大は、反応に関与する表面積の減少を招き易く、電気特性低下の原因となり得る。 Attempts have been made to control the particle size of platinum as a method for improving the activity of platinum catalysts other than alloying. There is a report that the activity as a catalyst improves as the particle size of platinum increases. There is also a report that the activity per unit weight decreases when the particle size of the supported particles is 3 nm or less. However, an increase in particle diameter tends to cause a decrease in the surface area involved in the reaction, which can cause a decrease in electrical characteristics.
燃料電池の中でも、直接メタノール型燃料電池(DMFC)は、メタノール水溶液を直接燃料極に供給して発電するため、燃料として水素を用いる場合に比べ、改質機が不要になるなど構成が簡略化できる上、燃料の取り扱いが容易である(例えば特許文献1)。 Among fuel cells, the direct methanol fuel cell (DMFC) generates electricity by supplying a methanol aqueous solution directly to the fuel electrode, so the configuration is simplified compared to the case of using hydrogen as the fuel. In addition, it is easy to handle fuel (for example, Patent Document 1).
DMFCにおいては、燃料極と空気極で以下の反応が生じると考えられる:
燃料極:CH3OH + H2O → 6H+ + 6e− + CO2 (1)
空気極:(3/2)O2 + 6H+ + 6e− → 3H2O (2)
現在知られているDMFCは、他の燃料電池、たとえば水素ガスを燃料とした作動電圧0.8V〜0.9Vの水素燃料電池と比べると、空気極、燃料極の作動電位が低く、作動電圧が0.3V〜0.4Vであり、十分な出力電力が得られていない。セル電圧の低下は出力の低下を意味するため、セル電圧の向上は出力の確保のため重要となる。DMFCの出力の改善には、式(1)、(2)の反応性を向上させることが望まれる。
In DMFC, the following reactions are considered to occur at the fuel electrode and the air electrode:
Fuel electrode: CH 3 OH + H 2 O → 6H + + 6e − + CO 2 (1)
Air electrode: (3/2) O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O (2)
The currently known DMFC has a lower operating potential for the air electrode and the fuel electrode than other fuel cells, for example, hydrogen fuel cells with hydrogen gas as the operating voltage of 0.8V to 0.9V. Is 0.3V to 0.4V, and sufficient output power is not obtained. Since a decrease in cell voltage means a decrease in output, an increase in cell voltage is important for securing output. In order to improve the output of the DMFC, it is desired to improve the reactivity of the formulas (1) and (2).
図5に示すように、セル電圧は、空気極の作動電圧(Vair)と燃料極の作動電圧(Vfuel)の差として与えられる。図5において、横軸は燃料電池から供給される電流値を示し、縦軸は電極電位を示す。電流値が0の時、空気極の平衡電位と燃料極の平衡電位との差が、セル電位として供給される。燃料電池に電流を流した状態(作動時)の電極の電位を作動電位と呼ぶ。取り出す電流値が増加すると、空気極、燃料極の作動電位が平衡電位から離れ、互いに近づく方向に変化し、セル電圧に電圧降下が生じる。平衡電位と作動電位との差を分極と呼ぶ。 As shown in FIG. 5, the cell voltage is given as a difference between the operating voltage (Vair) of the air electrode and the operating voltage (Vfuel) of the fuel electrode. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the current value supplied from the fuel cell, and the vertical axis indicates the electrode potential. When the current value is 0, the difference between the equilibrium potential of the air electrode and the equilibrium potential of the fuel electrode is supplied as the cell potential. The potential of the electrode when an electric current is passed through the fuel cell (during operation) is called the operating potential. As the extracted current value increases, the operating potentials of the air electrode and the fuel electrode change away from the equilibrium potential and approach each other, causing a voltage drop in the cell voltage. The difference between the equilibrium potential and the working potential is called polarization.
空気極の平衡電位を0.85V,燃料極の平衡電位を0.10Vとすると、電流0の時のセル電圧は、0.85 − 0.10 = 0.75 (V)となる。空気極の分極を0.15Vとすると、空気極の作動電位は、0.75 − 0.15V = 0.6 (V)となる。燃料極の分極を0.20Vとすると、燃料極の作動電位は、0.10 + 0.20 = 0.30 (V)となる。セル電圧は、0.70 − 0.30 = 0.40 (V)となる。DMFCの出力特性の改善には、式(1)、(2)の反応性を向上させ、平衡電位を上昇させること、分極を低減することが望まれる。燃料極、空気極における反応は、各触媒表面で進行するので、反応性の向上は、触媒活性を向上することで実現可能と考えられる。 Assuming that the equilibrium potential of the air electrode is 0.85 V and the equilibrium potential of the fuel electrode is 0.10 V, the cell voltage when the current is 0 is 0.85−0.10 = 0.75 (V). When the polarization of the air electrode is 0.15 V, the working potential of the air electrode is 0.75−0.15 V = 0.6 (V). When the polarization of the fuel electrode is 0.20 V, the operating potential of the fuel electrode is 0.10 + 0.20 = 0.30 (V). The cell voltage is 0.70−0.30 = 0.40 (V). In order to improve the output characteristics of the DMFC, it is desired to improve the reactivity of the equations (1) and (2), increase the equilibrium potential, and reduce the polarization. Since the reaction at the fuel electrode and the air electrode proceeds on the surface of each catalyst, it is considered that the improvement in reactivity can be realized by improving the catalyst activity.
燃料極での反応は、実際には多段階で進行しており、反応進行過程で生成するCOによる白金触媒の被毒が生じる。燃料極反応の反応性向上のためには、本来のメタノールの分解活性に加え、CO被毒の回避(耐一酸化炭素被毒性)を同時に考慮する必要が生じる。このため、触媒としての反応性改善は複雑となる。これに対し、空気極では、燃料極に於けるCO被毒のような問題は生じないため、触媒活性の向上は反応性の向上に直結している。 The reaction at the fuel electrode actually proceeds in multiple stages, and the platinum catalyst is poisoned by CO produced during the progress of the reaction. In order to improve the reactivity of the fuel electrode reaction, it is necessary to consider the avoidance of CO poisoning (carbon monoxide resistance) in addition to the original decomposition activity of methanol. For this reason, the reactivity improvement as a catalyst becomes complicated. On the other hand, in the air electrode, problems such as CO poisoning in the fuel electrode do not occur, so that the improvement in catalytic activity is directly linked to the improvement in reactivity.
本発明の目的は、空気極の触媒活性を向上して、出力特性を改善したのDMFCを提供することである。
本発明の他の目的は、作動時のセル電圧の高いDMFCを提供することである。
An object of the present invention is to provide a DMFC having improved output characteristics by improving the catalytic activity of the air electrode.
Another object of the present invention is to provide a DMFC with a high cell voltage during operation.
本発明の1観点によれば、
高分子固体電解質を挟んで、金属触媒を担持した燃料極と空気極とが配置され、燃料に液体メタノールを使用する直接メタノール型燃料電池の製造方法であって、
(a)前記空気極の金属担持触媒の担体である炭素材料の仕事関数X(eV)を測定する工程と、
(b)種々の条件で前記炭素材料に金属触媒を担持させ、金属触媒担持後の前記金属担持触媒の仕事関数Y(eV)を測定する工程と、
(c)Y − X ≦ 0.25(eV)の関係を満たす製造条件を抽出する工程と、
(d)前記抽出した条件で空気極触媒を調整する工程と、
を含む直接メタノール型燃料電池の製造方法
が提供される。
According to one aspect of the present invention,
A method for producing a direct methanol fuel cell in which a fuel electrode supporting a metal catalyst and an air electrode are disposed with a solid polymer electrolyte interposed therebetween, and liquid methanol is used as a fuel,
(A) measuring a work function X (eV) of a carbon material that is a carrier of the metal-supported catalyst of the air electrode;
(B) supporting a metal catalyst on the carbon material under various conditions, and measuring a work function Y (eV) of the metal-supported catalyst after supporting the metal catalyst;
(C) extracting a manufacturing condition satisfying a relationship of Y−X ≦ 0.25 (eV);
(D) adjusting the air electrode catalyst under the extracted conditions;
A direct methanol fuel cell manufacturing method is provided.
空気極の触媒担持前の触媒担体の仕事関数と触媒担持後の金属担持触媒の仕事関数の差を0.25eV以下とすると、高い出力密度が得られることが判った。さらに、EXAFS分析により抽出される配位数を6.5以上になるように選択すると、高い出力密度が得られる。 It was found that when the difference between the work function of the catalyst carrier before supporting the catalyst on the air electrode and the work function of the metal-supported catalyst after supporting the catalyst is 0.25 eV or less, a high output density can be obtained. Furthermore, when the coordination number extracted by EXAFS analysis is selected to be 6.5 or more, a high output density can be obtained.
白金触媒の活性化は、触媒として作用する白金粒子表面の原子状態と密接に関係していると考えられる。又、白金担持触媒における白金表面の状態は、白金の様々な状態が複雑に作用しあった結果出現しているものと考えられる。本発明者等は、先ず白金担持触媒の仕事関数に着目した。条件を変えて白金担持触媒を作成し、仕事関数、電気化学特性の測定を行った。 The activation of the platinum catalyst is considered to be closely related to the atomic state on the surface of the platinum particles acting as a catalyst. Moreover, it is considered that the platinum surface state in the platinum-supported catalyst appears as a result of various states of platinum acting in a complicated manner. The present inventors first focused on the work function of the platinum-supported catalyst. Platinum-supported catalysts were prepared under different conditions, and the work function and electrochemical characteristics were measured.
試料A
図1Aに示すように、容器11内に、白金濃度が1wt%であるジニトロジアミン白金の硝酸水溶液12を200gを収容して、炭素材料13(ケッチェンブラックEC)を2g、少量のエタノール14を加え、炭素材料13がよく分散するまで攪拌して混合溶液を調整する。
Sample A
As shown in FIG. 1A, 200 g of nitric acid
図1Bに示すように、混合溶液15を攪拌しながら、エタノール溶液を還元剤として加えた後、溶液温度を85℃まで昇温して、攪拌しながら12時間保持する。生成した固形物は、濾過によって回収する。回収した固形物を蒸留水でよく洗浄した後、100℃の恒温槽で乾燥し、試料Aを得た。
As shown in FIG. 1B, the ethanol solution was added as a reducing agent while stirring the
試料B
白金濃度1wt%のジニトロジアミン白金の硝酸水溶液200gに対して加える炭素材料(ケッチェンブラックEC)の重量を1.33gとした。他の条件は試料Aと同様にして試料Bを調製した。
Sample B
The weight of carbon material (Ketjen Black EC) added to 200 g of nitric acid aqueous solution of dinitrodiamine platinum having a platinum concentration of 1 wt% was 1.33 g. Sample B was prepared in the same manner as Sample A under the other conditions.
図1Cは、各試料の特性をまとめて示す表である。試料AとBとは、炭素重量が2gと1.33gと異なるが、他の条件は同等である。
試料C
試料A同様、炭素材料が分散されたジニトロジアミン白金の硝酸水溶液を攪拌しながら、エタノール溶液を還元剤として加えた後、溶液を沸騰させた状態で攪拌しながら8時間保持した。これ以外の要件は試料Aと同様にして試料Cを調整した。図1Cに示すように、試料Aと較べ、加熱処理温度が85℃から沸騰に変更されている。
FIG. 1C is a table collectively showing the characteristics of each sample. Samples A and B have different carbon weights of 2 g and 1.33 g, but other conditions are the same.
Sample C
As in Sample A, the ethanol solution was added as a reducing agent while stirring the nitric acid aqueous solution of dinitrodiamine platinum in which the carbon material was dispersed, and the solution was kept boiling for 8 hours while stirring. Sample C was prepared in the same manner as Sample A except for the other requirements. As shown in FIG. 1C, the heat treatment temperature is changed from 85 ° C. to boiling compared to sample A.
試料D
白金濃度が1wt%であるジニトロジアミン白金の硝酸水溶液200gに対して、加える炭素材料(ケッチェンブラックEC)の重量を3gとし、エタノール溶液を還元剤として加えた後に、溶液を沸騰させた状態で攪拌しながら8時間保持した。他の要件は試料Aと同様にして試料Dを調整した。試料Cと較べれば、炭素重量のみが異なる。
Sample D
In 200 g of nitric acid solution of dinitrodiamine platinum having a platinum concentration of 1 wt%, the weight of the carbon material to be added (Ketjen Black EC) is 3 g, and after adding an ethanol solution as a reducing agent, the solution is boiled. Hold for 8 hours with stirring. Sample D was prepared in the same manner as Sample A with other requirements. Compared to sample C, only the carbon weight is different.
試料E
白金濃度が1wt%であるジニトロジアミン白金の硝酸水溶液200gに対して、加える炭素材料(ケッチェンブラックEC)の量を1.33gとし、エタノール溶液を還元剤として加えて後、溶液を沸騰させた状態で攪拌しながら8時間保持した。他の条件は試料Aと同様にして、試料Eを調整した。試料Cと較べれば、炭素重量のみが異なる。
Sample E
The amount of carbon material (Ketjen Black EC) to be added was 1.33 g with respect to 200 g of nitric acid aqueous solution of dinitrodiamine platinum having a platinum concentration of 1 wt%, and after adding an ethanol solution as a reducing agent, the solution was boiled. The mixture was kept for 8 hours while stirring. Other conditions were the same as those of Sample A, and Sample E was prepared. Compared to sample C, only the carbon weight is different.
試料F
触媒の担体となる炭素材料をアセチレンブラックとし、エタノール溶液を還元剤として加えた後に、75℃まで昇温して、攪拌しながら24時間保持した。他の要件は試料Aと同様にして、試料Fを調整した。
Sample F
The carbon material used as the catalyst support was acetylene black, and an ethanol solution was added as a reducing agent. Then, the temperature was raised to 75 ° C. and held for 24 hours with stirring. Sample F was prepared in the same manner as Sample A with other requirements.
図1Cに示すように、白金濃度1wt%の硝酸水溶液200gに対して、加える炭素材料の重量は、1.33g、2g、3gに変化させ、還元剤としてエタノール溶液を添加した後、昇温、攪拌する温度を85℃、沸騰、75℃に変化させた。このようにして、6種類の白金担持触媒を得た。 As shown in FIG. 1C, with respect to 200 g of nitric acid aqueous solution having a platinum concentration of 1 wt%, the weight of the carbon material to be added is changed to 1.33 g, 2 g, and 3 g, and after adding an ethanol solution as a reducing agent, The stirring temperature was changed to 85 ° C, boiling, and 75 ° C. In this way, six types of platinum-supported catalysts were obtained.
このようにして作成した試料A〜Fそれぞれ1gと、水2.5g、2−プロパノール4g、20重量%ナフィオン溶液4gをボールミリにより1時間混合して、空気極触媒ペーストを調整した。 The air electrode catalyst paste was prepared by mixing 1 g of each of Samples A to F thus prepared, 2.5 g of water, 4 g of 2-propanol, and 4 g of a 20 wt% Nafion solution with a ball mill for 1 hour.
図1Dに示すように、テフロン(登録商標)シート16の上に、調整した空気極触媒ペーストを単位面積当りの白金量が1.0mg/cm2となるように調整しながらバーコータで塗布した。塗布後100℃で乾燥し、3cm×3cmに切り出し、空気極触媒膜とした。
As shown in FIG. 1D, the adjusted air electrode catalyst paste was applied onto a Teflon (registered trademark)
同様の手順により、白金ルテニウム合金の担持触媒(田中貴金属製TEC61E54)を用い、燃料極触媒ペーストを調整した。
図1Eに示すように、テフロンシート18上に、白金ルテニウム合金の量が2.0mg/cm2となるように調整しながら、燃料極触媒ペーストをバーコータを用いてテフロンシート18上に塗布し、燃料極触媒膜19を形成した。100℃で乾燥した後、3cm×3cmに切り出し、テスト用燃料極触媒膜とした。
By using the same procedure, a supported catalyst of platinum ruthenium alloy (TEC61E54 made by Tanaka Kikinzoku) was used to prepare a fuel electrode catalyst paste.
As shown in FIG. 1E, while adjusting the amount of platinum ruthenium alloy to 2.0 mg / cm 2 on the
ナフィオン膜20を介して空気極触媒膜17と燃料極触媒膜19が対向するように配置し、160℃、2分間のホットプレスにより圧着し、テフロンシート16、18を剥ぎ取り、電解質膜20上に触媒膜17、19を転写した。触媒膜を転写したナフィオン膜の両側に、テフロンシートに代えてカーボンペーパ28,29を触媒膜と一致するように重ね合わせ、160℃、2分間ホットプレスし、電極電解質接合体(MEA)を形成した。
It arrange | positions so that the air
図1Fに示すように、作製したMEAを評価セルに組み込み、燃料電池を形成した。
図1Fにおいて、電解質膜20、空気極触媒層17、燃料極触媒層19、空気極集電体層22、燃料極集電体層23は、上述のMEAにより形成される。箱体27は、燃料極触媒層19と接触する位置に燃料貯蔵部26を形成する。燃料貯蔵部26には、10体積%メタノール水溶液5mlを収容した。燃料電池作動試験は室温で行なった。
As shown in FIG. 1F, the produced MEA was incorporated into an evaluation cell to form a fuel cell.
In FIG. 1F, the
図2Aは、各試料A〜Fについて測定した出力特性を示す。横軸は電流密度を単位mA/cm2で示し、縦軸はセル電圧を単位Vで示す。各試料共通に、電流密度が増加するにつれてセル電圧は低下するが、セルごとに特性が異なっている。出力特性は、優れた方からB、A、C、E、Fの順に並んでいる。所定の電流密度に於けるセル電圧から最大出力密度を得た。 FIG. 2A shows the output characteristics measured for each sample AF. The horizontal axis indicates the current density in the unit mA / cm 2 , and the vertical axis indicates the cell voltage in the unit V. For each sample, the cell voltage decreases as the current density increases, but the characteristics differ from cell to cell. The output characteristics are arranged in the order of B, A, C, E, and F from the superior one. Maximum power density was obtained from the cell voltage at a given current density.
試料A〜Fに対し、仕事関数の測定を行った。測定装置として、理研計器製AC−1を用いた。
図2Bのグラフ中に示すように、20mm×30mm×1mmのステンレスプレート31に、カーボンテープ32を用い、触媒試料33を固定して測定試料とした。測定に対しては、計数時間10秒、光量20nW、測定範囲4.2eV〜6.2eV、測定間隔0.1eVの条件下で実施した。測定は、照射する紫外線のエネルギを走査して、放出される光電子を計数することで実施した。
The work function was measured for samples A to F. As a measuring device, AC-1 manufactured by Riken Keiki was used.
As shown in the graph of FIG. 2B, a
図2Bは、測定結果の例を示すグラフである。横軸は照射紫外線のエネルギを単位eVで示し、縦軸は放出された光電子のカウントを単位(cps)1/2で示す。図に示すように、カウントの平方根がほぼリニアに変化する。この延長と、バックグラウンド部分の延長との交点を仕事関数とした。 FIG. 2B is a graph showing an example of measurement results. The horizontal axis indicates the energy of irradiated ultraviolet rays in units of eV, and the vertical axis indicates the count of emitted photoelectrons in units (cps) 1/2 . As shown in the figure, the square root of the count changes almost linearly. The intersection of this extension and the extension of the background portion was taken as the work function.
同様の手順で、白金担持触媒試料の作製に使用した炭素材料の仕事関数を測定した。白金担持触媒の仕事関数Yから、担体として使用した炭素材料の仕事関数Xを引き、仕事関数の差ΔWFを得た。 In the same procedure, the work function of the carbon material used for preparing the platinum-supported catalyst sample was measured. A work function difference ΔWF was obtained by subtracting the work function X of the carbon material used as the carrier from the work function Y of the platinum-supported catalyst.
図3は、各試料に対して、得られた最大出力密度と、空気極触媒の仕事関数の差をまとめて示す表である。図3の表から明らかなように、仕事関数の差ΔWFが減少するにつれ、最大出力密度が増加する傾向が窺える。試料A〜Dは、仕事関数差ΔWFが0.25eV以下で、最大出力密度が25mW/cm2以上であるのに対し、試料E、Fは、仕事関数差ΔWFが0.3eV以上であり、最大出力密度は22mW/cm2以下である。 FIG. 3 is a table summarizing the obtained maximum power density and the work function difference of the air electrode catalyst for each sample. As is clear from the table of FIG. 3, the maximum power density tends to increase as the work function difference ΔWF decreases. Samples A to D have a work function difference ΔWF of 0.25 eV or less and a maximum output density of 25 mW / cm 2 or more, while Samples E and F have a work function difference ΔWF of 0.3 eV or more. The maximum power density is 22 mW / cm 2 or less.
本発明の直接メタノール型燃料電池が使用される用途として代表的なものは、PDA(パーソナルデジタルアシスタンス)等の携帯用電子機器である。
現在、PDAを作動させるために必要な出力は平均1W程度であるが、PDAでは、高性能化に加えて液晶のバックライトで大半の電力を消費するため、必要な出力がこの値よりも小さくなる可能性は低い。
A typical application in which the direct methanol fuel cell of the present invention is used is a portable electronic device such as a PDA (Personal Digital Assistance).
Currently, the average power required to operate the PDA is about 1W, but the PDA consumes most of the power from the liquid crystal backlight in addition to high performance, so the required output is smaller than this value. Is unlikely.
また、PDAの内部で電池が配置可能なスペースは、現在のリチウム電池が内蔵されているスペースであるが、そのリチウム電池のPDA本体に対する設置面積は、おおよそ40cm2である。PDAは操作上の理由からこれ以上大幅に小型化しないとしても、これ以上大きくなることもないと思われるため、PDAに内蔵される燃料電池のスペース(および設置面積)は、40cm2という値が1つの目安となる。 The space in which the battery can be placed inside the PDA is a space in which a current lithium battery is built, but the installation area of the lithium battery with respect to the PDA body is approximately 40 cm 2 . Even if the PDA is not significantly reduced in size for operational reasons, it is not expected to become any larger. Therefore, the space (and installation area) of the fuel cell built in the PDA is 40 cm 2. One guideline.
このような条件下で、PDAに本発明の直接メタノール型燃料電池を適用した場合、燃料電池の一方の面が装置内部に接し、他の面で空気を取り込む形になるため、上記設置面積が燃料電池の電極面積と等しくなる。したがって、その電極面積は40cm2と想定され、この電極面積で1W以上の電力を得ることが、燃料電池をPDA等の携帯用電子機器に使用可能な条件となる。 Under such conditions, when the direct methanol fuel cell of the present invention is applied to a PDA, one side of the fuel cell is in contact with the inside of the apparatus and air is taken in on the other side. It becomes equal to the electrode area of the fuel cell. Therefore, the electrode area is assumed to be 40 cm 2, and obtaining electric power of 1 W or more with this electrode area is a condition for using the fuel cell in a portable electronic device such as a PDA.
この条件を電極面積1cm2当たりの要求電力(出力密度)として換算すると、要求電力は1W÷40cm2=0.25mW/cm2となる。図3の表のように、仕事関数差ΔWFが、0.25eV以下のA〜Fの試料は、最大出力密度が上記の基準をクリアするが、仕事関数ΔWFが0.25eVよりおおきな試料E、Fについては上記の基準をクリアしない。試料DとEの間に明かな性能の差が認められるため、仕事関数差ΔWFは0.25eV以下となる場合に最大出力密度が優れた値を示すと考えられる。 When this condition is converted as a required power (output density) per 1 cm 2 of electrode area, the required power is 1 W ÷ 40 cm 2 = 0.25 mW / cm 2 . As shown in the table of FIG. 3, samples A to F having a work function difference ΔWF of 0.25 eV or less satisfy the above criteria, but the sample E having a work function ΔWF larger than 0.25 eV, The above criteria are not cleared for F. Since a clear difference in performance is recognized between the samples D and E, it is considered that the maximum output density shows an excellent value when the work function difference ΔWF is 0.25 eV or less.
試料A〜Dの内で、特に優れた特性を示すのは試料Bである。この原因を究明するため、結晶性に着目し、EXAFS分析を実施した。EXAFS(X線吸収広域微細構造)は、X線吸収スペクトルで吸収端より短波長に見られる減衰する波状の振動構造を言う。 EXAFS分析は、エネルギを連続的に変えながらX線を試料に照射し、得られた吸収スペクトルに表われる微細構造から、原子の局所的な構造に関する知見を得ることが可能な分析方法である。X線を照射された試料はそのエネルギに応じて内殻電子が光電子として放出され、光電子は隣接している原子に当って散乱される。この散乱の様子が吸収スペクトルの微細構造として表われる。これを分析することで目的の原子の周辺に関する構造情報を得ることが可能となる。この手法により得られた配位数は、原子レベルでの白金粒子の局所的な配列状態を表わしており、配位数が増加するに伴い、白金粒子の局所的な配列の規則性が増していると考えられる。
EXAFS分析は、大型放射光施設であるSpring−8のBL16B2ビームラインを用い、透過法で実施した。測定は、モノクロメータで単色化されたX線を2結晶モノクロメータの角度を走査することで、試料に入射するX線のエネルギを低エネルギ側から高エネルギ側へ変化させて行った。測定範囲は11keV〜13keVとした。測定により得られたスペクトルの解析により、配位数を抽出した。
Among samples A to D, sample B shows particularly excellent characteristics. In order to investigate the cause, the EXAFS analysis was conducted focusing on the crystallinity. EXAFS (X-ray absorption wide-area fine structure) refers to a damped wave-like vibration structure that is observed at a wavelength shorter than the absorption edge in an X-ray absorption spectrum. The EXAFS analysis is an analysis method capable of obtaining knowledge about a local structure of an atom from a fine structure appearing in an obtained absorption spectrum by irradiating a sample with X-rays while continuously changing energy. In the sample irradiated with X-rays, inner-shell electrons are emitted as photoelectrons according to the energy, and the photoelectrons are scattered by hitting adjacent atoms. This scattering state appears as a fine structure of the absorption spectrum. By analyzing this, it is possible to obtain structural information about the periphery of the target atom. The coordination number obtained by this method represents the local arrangement state of the platinum particles at the atomic level. As the coordination number increases, the regularity of the local arrangement of the platinum particles increases. It is thought that there is.
The EXAFS analysis was carried out by the transmission method using the BL16B2 beam line of Spring-8, a large synchrotron radiation facility. The measurement was performed by changing the energy of the X-ray incident on the sample from the low energy side to the high energy side by scanning the angle of the two-crystal monochromator with X-rays monochromatized by the monochromator. The measurement range was 11 keV to 13 keV. The coordination number was extracted by analyzing the spectrum obtained by the measurement.
図4Aは、EXAFS分析に用いた試料の構成を示す。ナフィオン膜20上に空気極触媒膜17をホットプレスにより圧着し、所定の寸法に切断して測定試料とした。
図4Bは、EXAFAS分析の結果として得られた白金の配位数を最大出力密度と合わせて示す表である。最大出力密度が高い試料A〜Dについてみると、白金配位数が大きいほど、最大出力密度も大きいことが判る。試料Bは、白金の配位数が試料Aよりも高く、仕事関数差では試料Aよりも低いが、試料Aよりも高い最大出力密度を提供できたものと考えることができよう。仕事関数差ΔWFが0.25eV以下の場合に、EXAFS分析から抽出される配位数が6.5以上であるようにすれば、優れた特性が得られていることになる。EXAFS分析から抽出される配位数を7.4以上に選択すれば、特に優れた特性が得られることになる。
FIG. 4A shows the configuration of the sample used for EXAFS analysis. The air
FIG. 4B is a table showing the coordination number of platinum obtained as a result of the EXAFAS analysis together with the maximum power density. Looking at samples A to D having a high maximum power density, it can be seen that the larger the platinum coordination number, the larger the maximum power density. It can be considered that Sample B was able to provide a higher maximum power density than Sample A, although the coordination number of platinum was higher than Sample A and the work function difference was lower than Sample A. When the work function difference ΔWF is 0.25 eV or less, if the coordination number extracted from the EXAFS analysis is 6.5 or more, excellent characteristics are obtained. If the coordination number extracted from the EXAFS analysis is selected to be 7.4 or more, particularly excellent characteristics can be obtained.
なお、結晶中の原子配列に関する規則性は、粉末X線回折ピークの半値幅から結晶子サイズを算出することでも議論が可能である。ここで、粉末X線回折測定の結果は、EXAFS分析結果に比べ、より長周期的な配列を反映したものとなる。試料A〜Fに対して粉末X線回折測定を行った結果、得られる白金の結晶子サイズは、2.4nm〜2.6nm程度であり、有意差は見られなかった。粉末X線回折とEXAFS分析とは、異なる知見を与えてくれると考えられる。なお、白金粒子サイズが3nm以下であることが測定されたが、優れた最大出力密度が得られていることは、Bregoli等の予測に反する結果とも解釈される。 The regularity regarding the atomic arrangement in the crystal can also be discussed by calculating the crystallite size from the half width of the powder X-ray diffraction peak. Here, the result of the powder X-ray diffraction measurement reflects a longer-period arrangement than the EXAFS analysis result. As a result of performing powder X-ray diffraction measurement on samples A to F, the crystallite size of the obtained platinum was about 2.4 nm to 2.6 nm, and no significant difference was observed. It is considered that powder X-ray diffraction and EXAFS analysis give different findings. Although the platinum particle size was measured to be 3 nm or less, the fact that an excellent maximum output density was obtained is also interpreted as a result contrary to the prediction of Bregoli et al.
白金担持触媒と担体との仕事関数差ΔWFが0.25eV以下の場合に優れた特性が得られている理由は必ずしも明確ではない。およそ以下のように考えることが可能であろう。 The reason why excellent characteristics are obtained when the work function difference ΔWF between the platinum-supported catalyst and the carrier is 0.25 eV or less is not necessarily clear. It can be considered as follows.
一般的に、仕事関数の異なる物質を接合した場合、仕事関数のズレを緩和する方向へ電子の移動が生じる。燃料電池の空気極触媒では、担体である炭素材料に白金が担持されているが、炭素材料に比べて白金の仕事関数の方が大きい。白金を炭素材料上に担持すると、炭素材料から白金への電子の移動が生じる。その結果、白金担持触媒を構成している白金、炭素材料の電子状態も変化する。炭素材料への白金担持によるこの変化は、担体となる炭素材料の仕事関数と、白金担持後の触媒の仕事関数との差ΔWFと関連付けられ、ΔWF≦0.25eVが成立している状態において、白金担持触媒は高活性な状態を示すと考えられる。 In general, when materials having different work functions are joined, electrons move in a direction that relaxes the work function deviation. In an air electrode catalyst of a fuel cell, platinum is supported on a carbon material as a carrier, but the work function of platinum is larger than that of a carbon material. When platinum is supported on a carbon material, electrons move from the carbon material to platinum. As a result, the electronic states of the platinum and carbon materials constituting the platinum-supported catalyst also change. This change due to the platinum loading on the carbon material is associated with the difference ΔWF between the work function of the carbon material serving as the support and the work function of the catalyst after the platinum loading, and in the state where ΔWF ≦ 0.25 eV is established, The platinum-supported catalyst is considered to show a highly active state.
白金の局所的な配列と触媒活性の相関は必ずしも明らかではないが、ΔWFが0.25eV以下であるような触媒状態では、白金の局所的な配列の規則性が増すことで、白金担持触媒は、さらに高活性な状態になると考えられる。 The correlation between the local arrangement of platinum and the catalyst activity is not necessarily clear, but in a catalyst state where ΔWF is 0.25 eV or less, the regularity of the local arrangement of platinum increases, It is considered that the state becomes more highly active.
なお、白金担持触媒の調整方法は上述の方法に減退されるものではない。担体の仕事関数に対して白金担持後の仕事関数の変化ΔWFが0.25eV以下の要件を満たす白金担持触媒であればよいであろう。 In addition, the adjustment method of a platinum carrying catalyst is not reduced to the above-mentioned method. Any platinum-supported catalyst that satisfies the requirement that the work function change ΔWF after platinum support with respect to the work function of the support is 0.25 eV or less may be used.
本発明の白金担持触媒は、水素ガスを燃料とする他の燃料電池への適用も可能である。
なお、白金担持触媒における炭素材料と白金の総重量に対する白金の比率は20wt%〜80wt%が好ましい。白金比率が20wt%未満では、電極中の白金量が不足するため、十分な出力特性を得ることができなくなるであろう。80wt%より多い場合は、白金粒子の凝集が生じ易く、表面積の減少が生じ易い。表面積が減少すると、十分な出力特性が得られなくなるであろう。
The platinum-supported catalyst of the present invention can be applied to other fuel cells using hydrogen gas as fuel.
In addition, the ratio of platinum to the total weight of the carbon material and platinum in the platinum-supported catalyst is preferably 20 wt% to 80 wt%. If the platinum ratio is less than 20 wt%, the amount of platinum in the electrode will be insufficient, and sufficient output characteristics will not be obtained. When the amount is more than 80 wt%, the aggregation of platinum particles is likely to occur, and the surface area is likely to decrease. If the surface area is reduced, sufficient output characteristics will not be obtained.
担体として用いられる炭素材料の代表的なものとしては、ケッチェンブラック、バルカン、アセチレンブラックに代表されるカーボンブラックや、活性炭、黒鉛材料等が挙げられる。他の炭素材料も利用可能である。 Typical examples of the carbon material used as the carrier include carbon black typified by ketjen black, Vulcan, and acetylene black, activated carbon, and graphite material. Other carbon materials can also be used.
なお、電気化学特性の測定に用いた図1Fに示すセルにおいては、燃料貯蔵部の1側面に電極電解質接合体を配置したが、燃料貯蔵部を取り囲むように電極電解質接合体を配置してもよいことは当業者に自明であろう。 In the cell shown in FIG. 1F used for the measurement of electrochemical characteristics, the electrode electrolyte assembly is disposed on one side surface of the fuel storage unit. However, the electrode electrolyte assembly may be disposed so as to surround the fuel storage unit. The good will be obvious to those skilled in the art.
直接メタノール型燃料電池を製造する場合には、種々の製造条件で空気極触媒膜を作成し、空気極の触媒担体の白金担持後の仕事関数と担持前の仕事関数の差を求め、その差が0.25eV以下となる条件を求め、空気極を作成することが好ましい。さらに、EXAFS測定による配位数を求め、配位数が6.5以上、好ましくは7.4以上となる条件で空気極触媒を作成するのがよい。以下、本発明の特徴を付記する。 When manufacturing a direct methanol fuel cell, air electrode catalyst membranes are prepared under various manufacturing conditions, and the difference between the work function after carrying platinum on the air electrode catalyst carrier and the work function before carrying the carrier is determined. It is preferable to obtain the air electrode by obtaining a condition that the current is 0.25 eV or less. Further, the coordination number by EXAFS measurement is obtained, and the air electrode catalyst is preferably prepared under the condition that the coordination number is 6.5 or more, preferably 7.4 or more. The features of the present invention will be described below.
(付記1) 固体電解質を挟んで、金属触媒を担持した燃料極と空気極とが配置され、燃料に液体メタノールを使用する直接メタノール型燃料電池であって、前記空気極の金属担持触媒の担体である炭素材料の仕事関数をX(eV)、金属触媒担持後の前記金属担持触媒の仕事関数をY(eV)とした時、
Y − X ≦ 0.25(eV)
の関係を満たす直接メタノール型燃料電池。
(Supplementary note 1) A direct methanol fuel cell in which a fuel electrode carrying a metal catalyst and an air electrode are arranged with a solid electrolyte sandwiched between them and liquid methanol is used as the fuel, and the carrier of the metal-supported catalyst in the air electrode When the work function of the carbon material is X (eV) and the work function of the metal-supported catalyst after supporting the metal catalyst is Y (eV),
Y−X ≦ 0.25 (eV)
A direct methanol fuel cell that satisfies the above relationship.
(付記2) 前記金属担持触媒の金属が白金であり、前記担体である炭素材料がカーボンブラック、黒鉛、活性炭のいずれかを含む付記1記載の直接メタノール型燃料電池。
(付記3) 前記金属担持触媒において、EXAFS分析により抽出される配位数の値が6.5以上である付記1または2記載の直接メタノール型燃料電池。高分子固体電解質型燃料電池。
(Supplementary note 2) The direct methanol fuel cell according to
(Additional remark 3) The direct methanol type fuel cell of
(付記4) 前記金属担持触媒において、EXAFS分析により抽出される配位数の値が7.4以上である付記1または2記載の直接メタノール型燃料電池。
(付記5) 前記金属担持触媒の金属の担持率が20重量%〜80重量%である付記1〜4のいずれか1項記載の直接メタノール型燃料電池。
(Additional remark 4) The direct methanol fuel cell of
(Appendix 5) The direct methanol fuel cell according to any one of
(付記6)高分子固体電解質を挟んで、金属触媒を担持した燃料極と空気極とが配置され、燃料に液体メタノールを使用する直接メタノール型燃料電池の製造方法であって、
(a)前記空気極の金属担持触媒の担体である炭素材料の仕事関数X(eV)を測定する工程と、
(b)種々の条件で前記炭素材料に金属触媒を担持させ金属触媒担持後の前記金属担持触媒の仕事関数Y(eV)を測定する工程と、
(c)Y− X ≦ 0.25(eV)の関係を満たす製造条件を抽出する工程と、
(d)前記抽出した条件で空気極触媒を調整する工程と、
を含む直接メタノール型燃料電池の製造方法。
(Appendix 6) A direct methanol fuel cell manufacturing method in which a fuel electrode carrying a metal catalyst and an air electrode are arranged with a polymer solid electrolyte interposed therebetween, and liquid methanol is used as a fuel,
(A) measuring a work function X (eV) of a carbon material that is a carrier of the metal-supported catalyst of the air electrode;
(B) supporting a metal catalyst on the carbon material under various conditions and measuring a work function Y (eV) of the metal-supported catalyst after supporting the metal catalyst;
(C) extracting a manufacturing condition that satisfies a relationship of Y-X ≦ 0.25 (eV);
(D) adjusting the air electrode catalyst under the extracted conditions;
A method for producing a direct methanol fuel cell comprising:
(付記7) 前記金属担持触媒の金属が白金であり、前記担体である炭素材料がカーボンブラック、黒鉛、活性炭のいずれかを含む付記6記載の直接メタノール型燃料電池の製造方法。
(Supplementary note 7) The method for producing a direct methanol fuel cell according to
(付記8) さらに、(e)種々の条件で準備した前記金属担持触媒に対し、EXAFS分析を行い、配位数を抽出する工程と、
(f)Y − X ≦ 0.25(eV)の関係を満たす製造条件の中で、配位数の値が6.5以上である条件を選択する工程と、
を含む付記6または7記載の直接メタノール型燃料電池の製造方法。
(Supplementary Note 8) Furthermore, (e) a step of performing EXAFS analysis on the metal-supported catalyst prepared under various conditions and extracting a coordination number;
(F) a step of selecting a condition in which the value of the coordination number is 6.5 or more among the production conditions satisfying the relationship of Y−X ≦ 0.25 (eV);
The manufacturing method of the direct methanol fuel cell of
(付記9) 前記工程(f)において、配位数の値が7.4以上である条件を選択する付記8記載の直接メタノール型燃料電池の製造方法。
(Additional remark 9) The manufacturing method of the direct methanol fuel cell of
11 容器
12 ジニトロジアミン白金の硝酸水溶液
13 炭素材料
14 エタノール
15 混合溶液
16 テフロンシート
17 空気極触媒膜
18 テフロンシート
19 燃料極触媒膜
20 ナフィオン膜
22 空気極集電体
23 燃料極集電体
26 燃料貯蔵部
27 箱体
28 カーボンペーパ
29 カーボンペーパ
31 ステンレスプレート
32 カーボンテープ
33 触媒試料
A〜F 試料
DESCRIPTION OF
Claims (3)
(a)前記空気極の金属担持触媒の担体である炭素材料の仕事関数X(eV)を測定する工程と、
(b)種々の条件で前記炭素材料に金属触媒を担持させ、金属触媒担持後の前記金属担持触媒の仕事関数Y(eV)を測定する工程と、
(c)Y− X ≦ 0.25(eV)の関係を満たす製造条件を抽出する工程と、
(d)前記抽出した条件で空気極触媒を調整する工程と、
を含む直接メタノール型燃料電池の製造方法。 A method for producing a direct methanol fuel cell in which a fuel electrode supporting a metal catalyst and an air electrode are disposed with a solid polymer electrolyte interposed therebetween, and liquid methanol is used as a fuel,
(A) measuring a work function X (eV) of a carbon material that is a carrier of the metal-supported catalyst of the air electrode;
(B) supporting a metal catalyst on the carbon material under various conditions, and measuring a work function Y (eV) of the metal-supported catalyst after supporting the metal catalyst;
(C) extracting a manufacturing condition that satisfies a relationship of Y-X ≦ 0.25 (eV);
(D) adjusting the air electrode catalyst under the extracted conditions;
A method for producing a direct methanol fuel cell comprising:
(f)Y− X ≦ 0.25(eV)の関係を満たす製造条件の中で、配位数の値が6.5以上である条件を選択する工程と、
を含む請求項1に記載の直接メタノール型燃料電池の製造方法。 Furthermore, (e) a step of performing EXAFS analysis on the metal-supported catalyst prepared under various conditions and extracting a coordination number;
(F) a step of selecting a condition in which the value of the coordination number is 6.5 or more among the production conditions satisfying the relationship of Y-X ≦ 0.25 (eV);
Method for producing a direct methanol fuel cell according to claim 1 comprising a.
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