JP7052549B2 - Redox reaction electrodes and fuel cells - Google Patents
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Description
本発明は、酸化還元反応用電極およびこれを用いた燃料電池に関する。 The present invention relates to an electrode for a redox reaction and a fuel cell using the same.
固体高分子型燃料電池で用いられる電解質では水(H2O)がキャリヤとなってプロトン(H+)をアノードからカソードに移動させ、カソードでプロトン(H+)と酸素(O2)が反応して水(H2O)を生成する。このため、固体高分子型燃料電池は、電解質中に水が存在可能な温度域、すなわち100℃未満でしか使用できない。燃料電池の動作温度が低いとPt触媒の活性が低くなり、発電性能を維持するためにPt量の増加を招く。また、燃料電池を冷却するための大型のラジエータや、電解質膜を湿度コントロールするためのユニットも必要となる。これらの要因により固体高分子型燃料電池ではコストアップを避けることができない。 In the electrolyte used in polymer electrolyte fuel cells, water (H 2 O) acts as a carrier to move protons (H + ) from the anode to the cathode, and the cathode reacts with protons (H + ) and oxygen (O 2 ). To generate water (H 2 O). Therefore, the polymer electrolyte fuel cell can be used only in the temperature range in which water can exist in the electrolyte, that is, below 100 ° C. When the operating temperature of the fuel cell is low, the activity of the Pt catalyst becomes low, which causes an increase in the amount of Pt in order to maintain the power generation performance. In addition, a large radiator for cooling the fuel cell and a unit for controlling the humidity of the electrolyte membrane are also required. Due to these factors, it is unavoidable to increase the cost of polymer electrolyte fuel cells.
このため、特許文献1では、バインダと、Pt触媒と、H3PO4の混合物を燃料電池用電極とし、H3PO4をプロトンキャリアとして使用することが提案されている。この電極では、バインダとして、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリベンズイミダゾール、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリスルホンあるいはパーフルオロスルホン酸を用いており、電極の完成後にH3PO4をドーピングしている。
Therefore, in
しかしながら、H3PO4をプロトンキャリアとして用いる場合、Pt触媒へのプロトン供給性が低い。また、カソード極ではH3PO4がPt上に吸着して触媒活性が低下する。さらに、H3PO4は使用時間の経過とともにバインダから染み出すため、イオン伝導度が低下し、触媒活性が低下する。これらのことから、H3PO4をプロトンキャリアとして用いる場合には、電極の酸素還元性能が低くなる。 However, when H 3 PO 4 is used as a proton carrier, the proton supply to the Pt catalyst is low. Further, at the cathode electrode, H 3 PO 4 is adsorbed on Pt and the catalytic activity is lowered. Furthermore, since H 3 PO 4 exudes from the binder over time, the ionic conductivity decreases and the catalytic activity decreases. From these facts, when H 3 PO 4 is used as a proton carrier, the oxygen reduction performance of the electrode is lowered.
本発明は上記点に鑑み、プロトン伝導性を有する酸化還元反応用電極において、酸化還元性能を向上させることを目的とする。 In view of the above points, it is an object of the present invention to improve the redox performance of the redox reaction electrode having proton conductivity.
上記目的を達成するため、請求項1、4に記載の発明では、触媒担体(200)と、前記触媒担体に担持されているPt触媒(201)と、プロトン伝導性を有するアイオノマ(131b)とを備え、アイオノマはH4PO4
+を含んでいる。
請求項1に記載の発明では、
31
P-NMRのピークシフトδが0.5ppm以上であることを特徴とする。
請求項4に記載の発明では、アイオノマは、H
3
PO
4
より酸性度が高い強酸を含んでおり、アイオノマにおける強酸に対するリン酸のモル比は1以下であることを特徴とする。
In order to achieve the above object, in the inventions according to
The invention according to
In the invention according to
アイオノマに含まれるH4PO4 +は、H3PO4に比較してPt触媒へのプロトン供給性が高く、かつ、Pt触媒に吸着しにくく、触媒活性の低下を抑制できる。このため、本発明の酸化還元用電極では、プロトンキャリアとしてH3PO4を用いた場合よりも酸化還元性能を向上させることができる。 Compared with H 3 PO 4 , H 4 PO 4 + contained in ionomer has a higher proton supply property to the Pt catalyst, is less likely to be adsorbed to the Pt catalyst, and can suppress a decrease in catalytic activity. Therefore, in the redox electrode of the present invention, the redox performance can be improved as compared with the case where H 3 PO 4 is used as the proton carrier.
なお、上記各構成要素の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 The reference numerals in parentheses of each of the above components indicate the correspondence with the specific means described in the embodiments described later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。本実施形態は、本発明の酸化還元反応用電極を燃料電池用電極に適用している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, the redox reaction electrode of the present invention is applied to a fuel cell electrode.
図1に示すように、燃料電池セル100は、電解質膜110と、電解質膜110を挟み込む一対の電極120、130を備えている。一対の電極120、130は、アノード極120とカソード極130からなる。なお、アノード極120は水素極ともいい、カソード極130は空気極ともいう。カソード極130が本発明の酸化還元反応用電極に相当し、燃料電池セル100が本発明の燃料電池に相当している。
As shown in FIG. 1, the
燃料電池セル100は、水素と空気中の酸素との電気化学反応を利用して電気エネルギを出力する。燃料電池セル100を基本単位とし、複数枚積層したスタック構造として使用することができる。水素が燃料ガスであり、空気中の酸素が酸化剤ガスである。
The
アノード極120に水素が供給され、カソード極130に空気が供給されると、以下に示すように、水素と酸素とが電気化学反応して、電気エネルギーを出力する。
When hydrogen is supplied to the
(アノード極側) H2→2H++2e-
(カソード極側) 2H++1/2O2+2e-→H2O
この際、アノード極120では、水素が触媒反応によって電子(e-)とプロトン(H+)に電離され、プロトンは電解質膜110を移動する。一方、カソード極130では、触媒反応によって、アノード極120側から移動してきたプロトンと、外部から流通してきた電子と、空気中の酸素(O2)とから水(H2O)が生成される。
(Anode pole side) H 2 → 2H + + 2e-
(Cathode pole side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e- → H 2 O
At this time, at the
本実施形態の燃料電池セル100は、電解質膜110を加湿することなく発電が行われる。つまり、燃料電池セル100の運転中には、カソード極130に乾燥空気が供給されるようになっている。このため、燃料電池セル100は、100℃以上の温度で発電することが可能となっている。
The
電解質膜110は、金属イオン、オキソアニオン及びプロトン配位性分子を含んだプロトン伝導体で構成されている。プロトン伝導体は、オキソアニオン及びプロトン配位性分子の少なくとも何れかが金属イオンに配位して配位高分子を形成している。
The
プロトン伝導体に含まれる金属イオンは特に限定されるものではないが、オキソアニオン及び/又はプロトン配位性分子との配位結合の形成しやすさの観点から、高周期の遷移金属イオンや典型金属イオンが好ましい。中でも、コバルトイオン、銅イオン、亜鉛イオン、及びガリウムイオンが好ましい。本実施形態の電解質膜110では、金属イオンとして亜鉛イオンを用いている。
The metal ion contained in the proton conductor is not particularly limited, but is a high-period transition metal ion or a typical one from the viewpoint of easiness of forming a coordinate bond with an oxoanion and / or a proton-coordinating molecule. Metal ions are preferred. Of these, cobalt ions, copper ions, zinc ions, and gallium ions are preferable. In the
プロトン伝導体に含まれるオキソアニオンとしては、例えば、リン酸イオン、硫酸イオン等が挙げられるが、水素に対する化学的安定性からリン酸イオンが好ましい。本実施形態の電解質膜110では、オキソアニオンとしてリン酸イオンを用いている。
Examples of the oxo anion contained in the proton conductor include phosphate ion, sulfate ion and the like, but phosphate ion is preferable from the viewpoint of chemical stability to hydrogen. In the
プロトン伝導体に含まれるプロトン配位性分子は、分子内にプロトンを配位するための配位点を好ましくは2つ以上持った分子である。イオン伝導性の観点から、プロトンの配位と放出とのバランスに優れた配位点を持ったイミダゾール、トリアゾール、ベンズイミダゾール、ベンズトリアゾール、及びこれらの誘導体が好ましい。本実施形態の電解質膜110では、プロトン配位性分子としてトリアゾールを用いている。
The proton-coordinating molecule contained in the proton conductor is preferably a molecule having two or more coordination points for coordinating protons in the molecule. From the viewpoint of ion conductivity, imidazole, triazole, benzimidazole, benztriazole, and derivatives thereof having an excellent coordination point in the balance between proton coordination and release are preferable. In the
アノード極120は、電解質膜110のアノード側の面に密着して配置されたアノード側触媒層121と、アノード側触媒層121の外側に配置されたアノード側拡散層122とを備えている。カソード極130は、電解質膜110のカソード側の面に密着して配置されたカソード側触媒層131と、カソード側触媒層131の外側に配置されたカソード側拡散層132とを備えている。
The
図2に示すように、触媒層121、131は、触媒担持カーボン121a、131aと、触媒担持カーボン121a、131aを被覆するアイオノマ121b、131bを含んでいる。触媒担持カーボン121a、131aは、カーボン担体200と、カーボン担体200に担持されたPt粒子201からなる。カーボン担体200は触媒担体であり、カーボンブラックと呼ばれる炭素微粉末を用いている。Pt粒子201は、電気化学反応を促進する触媒であり、カーボン担体200の表面に担持されている。アイオノマ121b、131bは、プロトン伝導体であり、バインダとしてのポリマーと、プロトン伝導物質であるプロトンキャリアを含んでいる。拡散層122、132は、カーボンクロス等で形成されている。
As shown in FIG. 2, the
ここで、電極120、130の製造方法を説明する。まず、エタノール等の溶媒に、粒子状の触媒担持カーボン121a、131aと、アイオノマ121b、131b(ポリマー、プロトンキャリア)とを混合し、インク化する。これを拡散層122、132を構成するカーボンクロス上に塗布し、乾燥させる。これにより、電極120、130を構成する触媒層121、131および拡散層122、132を得ることができる。
Here, a method for manufacturing the
アノード側アイオノマ121bに含まれるプロトンキャリアとしては、H3PO4を用いることができる。また、アノード側アイオノマ121bに含まれるポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、パーフルオロスルホン酸等を用いることができる。
H 3 PO 4 can be used as the proton carrier contained in the anode-
本実施形態では、カソード側アイオノマ131bに含まれるプロトンキャリアとして、H4PO4
+を用いている。カソード側触媒層131を形成する工程で、溶媒中にH3PO4とH3PO4よりも酸性度が高い強酸とを共存させることで、H3PO4が強酸からH+を受け取ってH4PO4
+が生成する。H4PO4
+の生成率をできるだけ高くするために、強酸に対するリン酸のモル比を1以下とすることが望ましい。
In this embodiment, H 4 PO 4 + is used as the proton carrier contained in the
ここで、本明細書におけるリン酸には、主として、H3PO4と、H3PO4にH+が結合したH4PO4
+とが含まれている。つまり、カソード側触媒層131を形成する工程では、強酸に対するH3PO4のモル比が1以上となっていればよく、カソード側触媒層131が形成された後(つまり、H4PO4
+が生成した後)では、強酸に対するH4PO4
+とH3PO4を合計したモル比が1以上となっていればよい。また、強酸のモル数には、H+を放出した強酸のイオンも含まれている。
Here, the phosphoric acid in the present specification mainly contains H 3 PO 4 and H 4 PO 4 + in which H + is bound to H 3 PO 4 . That is, in the step of forming the cathode
カソード側アイオノマ131bに含まれるポリマーとしては、強酸性ポリマーを用いることができる。強酸性ポリマーは、バインダとしてのポリマーであり、かつ、H4PO4
+を生成するための強酸である。強酸性ポリマーとしては、スルホン基を有するポリマーを好適に用いることができる。スルホン基を有するポリマーとしては、例えばパーフルオロスルホン酸ポリマー、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、あるいはスルホン化されたアセチレン骨格を持つポリマーを挙げることができる。
As the polymer contained in the
また、強酸性ポリマーに代えて、強酸として硫酸、塩酸、硝酸、過塩素酸、トリフルオロメタンスルホン酸および1,1,1-トリフルオロ-N-[(トリフルオロメチル)スルホニル]メタンスルホンアミドのうち1種以上の酸と、ポリマーを組み合わせて用いることができる。この場合、1種類の強酸を単独で用いてもよく、複数種類の強酸を組み合わせて用いてもよい。また、強酸と組み合わせて用いるポリマーは、強酸性である必要はない。 In addition, instead of the strongly acidic polymer, among the strong acids such as sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, perchloric acid, trifluoromethanesulfonic acid and 1,1,1-trifluoro-N-[(trifluoromethyl) sulfonyl] methanesulfonic acid. One or more acids and a polymer can be used in combination. In this case, one type of strong acid may be used alone, or a plurality of types of strong acids may be used in combination. Also, the polymer used in combination with a strong acid does not have to be a strong acid.
カソード側アイオノマ131bに含まれるH4PO4
+は、Pt触媒へのプロトン供給性が高い。また、H4PO4
+は、燃料電池セル100の作動範囲のカソード電位においては、Pt上に吸着しにくいため、Pt触媒の活性点が減少することを抑制できる。
H 4 PO 4 + contained in the
また、スルホン基を有する強酸性ポリマーを用いた場合には、H4PO4
+と強酸性ポリマーのスルホン基がイオン結合によって強固に結合する。このため、燃料電池セル100を長期間使用しても、カソード極130からH4PO4
+が溶出しにくいという利点がある。
When a strongly acidic polymer having a sulfone group is used, H 4 PO 4+ and the sulfone group of the strongly acidic polymer are strongly bonded by ionic bonds . Therefore, even if the
次に、本実施形態のカソード極130の酸化還元効率を実施例1、2および比較例1~3を用いて説明する。酸素還元反応活性の評価は、回転ディスク電極を用いて行った。回転ディスク電極では、作用極としてPt板(電極面積:0.196cm2)を用い、対極としてPt線を用い、参照極として標準水素電極(SHE)を用いた。電解液は、1-ブチル-1-メチルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(1-Butyl-1-methylpyrrolidinium Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide)を用いた。電極回転数は400rpmとし、セル温度は100℃とした。
Next, the redox efficiency of the
図3に示すように、実施例1、2および比較例1~3では、電解液に添加するプロトンキャリアの種類や添加量を異ならせている。実施例1、2はプロトンキャリアとしてH4PO4 +を用い、比較例1、2はプロトンキャリアとしてH3PO4を用い、比較例3はプロトンキャリアとしてH2Oを用いた。実施例1、2では、電解液中にH3PO4と強酸を共存させることでH4PO4 +を生成させた。強酸はトリフルオロメタンスルホン酸(CF3SO3H)を用いた。 As shown in FIG. 3, in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3, the types and amounts of proton carriers added to the electrolytic solution are different. Examples 1 and 2 used H 4 PO 4 + as the proton carrier, Comparative Examples 1 and 2 used H 3 PO 4 as the proton carrier, and Comparative Example 3 used H 2 O as the proton carrier. In Examples 1 and 2, H 4 PO 4 + was generated by coexisting H 3 PO 4 and a strong acid in the electrolytic solution. Trifluoromethanesulfonic acid (CF 3 SO 3 H) was used as the strong acid.
実施例1では、電解液に10mMのH3PO4と10mMの強酸を添加して、H4PO4 +を生成させた。実施例2では、電解液に100mMのH3PO4と100mMの強酸を添加して、H4PO4 +を生成させた。比較例1では、電解液に10mMのH3PO4を添加した。比較例2では、電解液に100mMのH3PO4を添加した。比較例3では、電解液に100mMのH2Oを添加した。 In Example 1, 10 mM H 3 PO 4 and 10 mM strong acid were added to the electrolytic solution to generate H 4 PO 4 + . In Example 2, 100 mM H 3 PO 4 and 100 mM strong acid were added to the electrolytic solution to generate H 4 PO 4 + . In Comparative Example 1, 10 mM H 3 PO 4 was added to the electrolytic solution. In Comparative Example 2, 100 mM H 3 PO 4 was added to the electrolytic solution. In Comparative Example 3, 100 mM H 2 O was added to the electrolytic solution.
ここで、実施例1のH4PO4 +の生成率を図4を用いて説明する。実施例1では電解液中にH4PO4 +とH3PO4が存在しており、比較例1では電解液中にH3PO4のみが存在している。図4に示すように、H3PO4に対応する比較例1のNMRスペクトルに対し、実施例1のNMRスペクトルは、ケミカルシフトのピークが左の低磁場側へシフトしている。このことは、H3PO4と強酸を混在させた実施例1で、H4PO4 +が生成していることを示している。 Here, the production rate of H 4 PO 4 + of Example 1 will be described with reference to FIG. In Example 1, H 4 PO 4 + and H 3 PO 4 are present in the electrolyte, and in Comparative Example 1, only H 3 PO 4 is present in the electrolyte. As shown in FIG. 4, in the NMR spectrum of Example 1, the peak of the chemical shift is shifted to the left low magnetic field side with respect to the NMR spectrum of Comparative Example 1 corresponding to H 3 PO 4 . This indicates that H 4 PO 4 + is produced in Example 1 in which H 3 PO 4 and a strong acid are mixed.
次に、実施例1、2及び比較例1~3の酸素還元反応活性の評価を行った結果を図5~図7を用いて説明する。図5~図7は、電気化学測定装置により、電位を1.12V(vs.SHE)から0V(vs.SHE)まで10mV/sec.の速さで掃引し、そのとき流れた電流値の変化を示している。 Next, the results of evaluating the oxygen reduction reaction activities of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 will be described with reference to FIGS. 5 to 7. 5 to 7 show that the potential is 10 mV / sec. From 1.12 V (vs. SHE) to 0 V (vs. SHE) by the electrochemical measuring device. It is swept at the speed of, and the change of the current value that flowed at that time is shown.
図5に示すように、実施例1(100mMのH4PO4 +)では、比較例1(100mMのH3PO4)よりも早く電流が流れ始めている。このことから、実施例1は比較例1よりも、酸化反応(つまりカソード極130におけるH2Oの生成反応)が促進されており、Pt触媒へのプロトン供給性が高いことがわかる。 As shown in FIG. 5, in Example 1 (100 mM H 4 PO 4 + ), the current starts to flow earlier than in Comparative Example 1 (100 mM H 3 PO 4 ). From this, it can be seen that in Example 1, the oxidation reaction (that is, the reaction for producing H 2 O at the cathode electrode 130) is promoted as compared with Comparative Example 1, and the proton supply property to the Pt catalyst is high.
図6に示すように、実施例2(10mMのH4PO4 +)では、比較例2(10mMのH3PO4)よりも早く電流が流れ始めている。このことから、実施例2は比較例2よりも、酸化反応が促進されており、Pt触媒へのプロトン供給性が高いことがわかる。 As shown in FIG. 6, in Example 2 (10 mM H 4 PO 4 + ), the current starts to flow earlier than in Comparative Example 2 (10 mM H 3 PO 4 ). From this, it can be seen that in Example 2, the oxidation reaction is promoted as compared with Comparative Example 2, and the proton supply to the Pt catalyst is high.
図7に示すように、実施例1(100mMのH4PO4 +)では、比較例3(100mMのH2O)よりも早く電流が流れ始めている。このことから、実施例1は比較例3よりも、酸化反応が促進されており、Pt触媒へのプロトン供給性が高いことがわかる。 As shown in FIG. 7, in Example 1 (100 mM H 4 PO 4 + ), the current starts to flow earlier than in Comparative Example 3 (100 mM H 2 O). From this, it can be seen that in Example 1, the oxidation reaction is promoted as compared with Comparative Example 3, and the proton supply to the Pt catalyst is high.
次に、実施例1、2及び比較例1~3の酸素還元反応活性の評価を行った結果を図8を用いて説明する。図8に示すターフェルスロープおよび交換電流密度は、図5~図7で示した各実施例および各比較例の0.6Vにおける電流密度から算出した。 Next, the results of evaluation of the oxygen reduction reaction activity of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 will be described with reference to FIG. The Tafel slope and exchange current density shown in FIG. 8 were calculated from the current densities at 0.6 V of each of the Examples and Comparative Examples shown in FIGS. 5 to 7.
交換電流密度は、カソード極130で起こる化学反応が平衡状態にあるときの電流である。交換電流密度が高いほど電流が流れやすく、酸化還元性能が高いといえる。
The exchange current density is the current when the chemical reaction occurring at the
図8に示すように、実施例1(100mMのH4PO4 +)は比較例1(100mMのH3PO4)よりも交換電流密度が高くなっている。また、実施例1はプロトンキャリアとしてH2Oを用いた比較例3と同等の交換電流密度が得られている。また、実施例2(10mMのH4PO4 +)は比較例2(10mMのH3PO4)よりも交換電流密度が高くなっている。つまり、プロトンキャリアとしてH4PO4 +を用いた場合には、プロトンキャリアとしてH3PO4を用いた場合よりも、酸化還元性能が向上している。 As shown in FIG. 8, Example 1 (100 mM H 4 PO 4 + ) has a higher exchange current density than Comparative Example 1 (100 mM H 3 PO 4 ). Further, in Example 1, the exchange current density equivalent to that of Comparative Example 3 in which H 2 O is used as the proton carrier is obtained. Further, Example 2 (10 mM H 4 PO 4 + ) has a higher exchange current density than Comparative Example 2 (10 mM H 3 PO 4 ). That is, when H 4 PO 4 + is used as the proton carrier, the redox performance is improved as compared with the case where H 3 PO 4 is used as the proton carrier.
次に、強酸に対するH3PO4のモル比を変更してカソード電極130を形成した場合のH4PO4
+の生成率について、実施例3~6および比較例4を用いて説明する。実施例3~6および比較例4では、強酸としてパーフルオロスルホン酸ポリマーであるナフィオン(デュポン社の登録商標)を用いた。
Next, the production rate of H 4 PO 4 + when the
実施例3~6および比較例4では、ナフィオンに対するH3PO4のモル比(つまり、強酸に対するリン酸のモル比)をそれぞれ異ならせている。ナフィオンに対するH3PO4のモル比を、実施例3は0.5、実施例4は1.0、実施例5は2.0、実施例6は3.2、比較例4は3.5としている。 In Examples 3 to 6 and Comparative Example 4, the molar ratio of H 3 PO 4 to nafion (that is, the molar ratio of phosphoric acid to strong acid) is different from each other. The molar ratio of H 3 PO 4 to Nafion was 0.5 for Example 3, 1.0 for Example 4, 2.0 for Example 5, 3.2 for Example 6, and 3.5 for Comparative Example 4. It is supposed to be.
実施例3では、Pt(46.5wt%)/C粉末を0.2g、5%ナフィオン溶液を1.22ml、エタノールを8.56ml、水を0.96ml、85%H3PO4を8.07ml秤量し、超音波ホモジェナイザ―で分散混合して電極インクを作製した。実施例4~6および比較例4では、実施例3に対してH3PO4の量を異ならせることで、上述したナフィオンに対するH3PO4のモル比となるように調製した。 In Example 3, 0.2 g of Pt (46.5 wt%) / C powder, 1.22 ml of 5% Nafion solution, 8.56 ml of ethanol, 0.96 ml of water, and 8. of 85% H 3 PO 4 . 07 ml was weighed and dispersed and mixed with an ultrasonic homogenizer to prepare an electrode ink. In Examples 4 to 6 and Comparative Example 4, the amount of H 3 PO 4 was different from that of Example 3 so that the molar ratio of H 3 PO 4 to Nafion described above was adjusted.
上記組成で作製した実施例3~6および比較例4の電極インクをスプレー法にてカーボンクロス等にPt担持量が0.3mg/cm2になるように塗布し、塗布した電極を採取して、31P-NMR(リン31核磁気共鳴分光法)で31Pの分析を行った。NMR測定の試料は、電極粉末に対しKBrが5wt%になるように加え、サンプル管に封入した。NMR測定では、85%H3PO4の0ppmを基準とした。 The electrode inks of Examples 3 to 6 and Comparative Example 4 prepared with the above composition were applied to a carbon cloth or the like by a spray method so that the amount of Pt carried was 0.3 mg / cm 2 , and the applied electrodes were collected. , 31 P-NMR (phosphorus 31 nuclear magnetic resonance spectroscopy) was used to analyze 31 P. The NMR measurement sample was added so that KBr was 5 wt% with respect to the electrode powder, and the sample was sealed in a sample tube. In the NMR measurement, 0 ppm of 85% H 3 PO 4 was used as a reference.
図9は、横軸がナフィオンに対するH3PO4のモル比であり、縦軸が31P-NMRで測定したケミカルシフトδである。図9では、白抜きの丸は実施例3~6を示し、白抜きの三角形は比較例4を示し、白抜きの四角形はH4PO4 +の存在割合が100%の点を示している。 In FIG. 9, the horizontal axis is the molar ratio of H 3 PO 4 to Nafion, and the vertical axis is the chemical shift δ measured by 31 P-NMR. In FIG. 9, the white circles indicate Examples 3 to 6, the white triangles indicate Comparative Example 4, and the white squares indicate the points where the abundance ratio of H 4 PO 4 + is 100%. ..
図9に示すように、31P-NMRのケミカルシフトδの値は、実施例3では3.2ppm、実施例4では3.0ppm、実施例5では1.7ppm、実施例6では0.5ppm、比較例4では0.3ppmとなっている。つまり、31P-NMRのケミカルシフトδの値は、ナフィオンに対するH3PO4のモル比に反比例している。 As shown in FIG. 9, the value of the chemical shift δ of 31 P-NMR is 3.2 ppm in Example 3, 3.0 ppm in Example 4, 1.7 ppm in Example 5, and 0.5 ppm in Example 6. In Comparative Example 4, it is 0.3 ppm. That is, the value of the chemical shift δ of 31 P-NMR is inversely proportional to the molar ratio of H 3 PO 4 to Nafion.
ここで、ナフィオンに対するH3PO4のモル比と、H4PO4 +の存在割合について説明する。「Yoshitaka Hisazumi, et. al., “Determination of the association constants of H4PO4 +HSO4 - 31P NMR and cation-exchange methods”, J. inorg. Nucl. Chem., vol.39, pp1615-1619 (1977).」によれば、H4PO4 +の存在割合が100%の場合における31P-NMRのケミカルシフト量は3.8ppmである。また、H4PO4 +の存在割合が0%の場合における31P-NMRのケミカルシフト量は0ppmである。つまり、ケミカルシフトδの値が大きいほどH4PO4 +の存在割合が高くなる。 Here, the molar ratio of H 3 PO 4 to Nafion and the abundance ratio of H 4 PO 4 + will be described. "Yoshitaka Hisazumi, et. Al.," Determination of the association constants of H 4 PO 4 + HSO 4 --31 P NMR and cation-exchange methods ", J. inorg . Nucl. Chem., Vol.39, pp1615-1619 According to "(1977).", The chemical shift amount of 31 P-NMR is 3.8 ppm when the abundance ratio of H 4 PO 4 + is 100%. Further, when the abundance ratio of H 4 PO 4 + is 0%, the chemical shift amount of 31 P-NMR is 0 ppm. That is, the larger the value of the chemical shift δ, the higher the abundance ratio of H 4 PO 4 + .
図9に示すように、ナフィオンに対するH3PO4のモル比が低くなるほど、1次関数的にH4PO4 +の存在割合が増加している。ナフィオンに対するH3PO4のモル比が3.5の比較例4では、ケミカルシフトσの値が0.3ppmであり、H4PO4 +の存在割合が7%程度であると推測される。 As shown in FIG. 9, as the molar ratio of H 3 PO 4 to nafion decreases, the abundance ratio of H 4 PO 4 + increases linearly. In Comparative Example 4 in which the molar ratio of H 3 PO 4 to Nafion is 3.5, it is estimated that the value of the chemical shift σ is 0.3 ppm and the abundance ratio of H 4 PO 4 + is about 7%.
これに対し、ナフィオンに対するH3PO4のモル比が3.2以下である実施例3~6では、31Pのケミカルシフトσの値が0.5ppm以上であり、H4PO4 +の存在割合が15%以上であると推測される。特にナフィオンに対するH3PO4のモル比が1.0以下である実施例3、4では、31Pのケミカルシフトσの値が3.0ppm以上であり、H4PO4 +の存在割合が75%以上であると推測される。このため、31Pのケミカルシフトσの値が0.5ppm以上であることが望ましく、ナフィオンに対するH3PO4のモル比を3.2以下とすることが望ましい。また、31Pのケミカルシフトσの値が3.0ppm以上であることがより望ましく、ナフィオンに対するH3PO4のモル比を1.0以下とすることがより望ましい。 On the other hand, in Examples 3 to 6 in which the molar ratio of H 3 PO 4 to Nafion is 3.2 or less, the value of the chemical shift σ of 31 P is 0.5 ppm or more, and the presence of H 4 PO 4 + is present. It is estimated that the ratio is 15% or more. In particular, in Examples 3 and 4 in which the molar ratio of H 3 PO 4 to Nafion is 1.0 or less, the value of the chemical shift σ of 31 P is 3.0 ppm or more, and the abundance ratio of H 4 PO 4 + is 75. It is estimated to be more than%. Therefore, it is desirable that the value of the chemical shift σ of 31 P is 0.5 ppm or more, and it is desirable that the molar ratio of H 3 PO 4 to Nafion is 3.2 or less. Further, it is more desirable that the value of the chemical shift σ of 31 P is 3.0 ppm or more, and it is more desirable that the molar ratio of H 3 PO 4 to Nafion is 1.0 or less.
次に、実施例3~6および比較例4の電極を電解質膜に貼り付けて電解質電極接合体(MEA)を作製し、MEAの交換電流密度を導出した。 Next, the electrodes of Examples 3 to 6 and Comparative Example 4 were attached to the electrolyte membrane to prepare an electrolyte electrode junction (MEA), and the exchange current density of the MEA was derived.
15mm角の親水化テフロン(登録商標)メンブレンフィルター(メルクミリポア製)をテフロン(登録商標)板上に載せて四方の角をテープで固定し、メンブレンフィルターに配位高分子粉末50mgを3mlの水に分散させた電解質膜原料溶液を塗布して電解質膜を作製した。電解質膜原料溶液の塗布は、スプレー塗布によって配位高分子粉末の担持量が1mg/2.25cm2となるまで行った。得られた電解質膜の両面に、実施例3~6および比較例4で作製した電極を貼り付け、MEAを作製した。 Place a 15 mm square hydrophilized Teflon (registered trademark) membrane filter (manufactured by Merck Millipore) on a Teflon (registered trademark) plate, fix the four corners with tape, and add 50 mg of coordination polymer powder to the membrane filter in 3 ml of water. An electrolyte membrane was prepared by applying the electrolyte membrane raw material solution dispersed in the above. The electrolyte membrane raw material solution was applied until the supported amount of the coordination polymer powder became 1 mg / 2.25 cm 2 by spray application. The electrodes prepared in Examples 3 to 6 and Comparative Example 4 were attached to both sides of the obtained electrolyte membrane to prepare MEA.
次に、MEAの一方の電極に3.8%水素、他方の電極に乾燥空気を60mL/分の流量で供給しながら120℃に加熱し、温度が安定してから開回路電圧から0.6Vまで0.2mV/secの速さで掃引し、電池性能評価を行った。得られたサイクリックボルタモグラムを、バトラーボルマー式を使い、交換電流密度とターフェルの傾きを変数としてフィッティングさせ、酸素還元反応活性の指標である交換電流密度を導出した。 Next, heat to 120 ° C. while supplying 3.8% hydrogen to one electrode of MEA and dry air to the other electrode at a flow rate of 60 mL / min, and after the temperature stabilizes, 0.6 V from the open circuit voltage. The battery performance was evaluated by sweeping up to 0.2 mV / sec. The obtained cyclic voltamogram was fitted using the Butler-Volmer equation with the exchange current density and the Tafel slope as variables, and the exchange current density, which is an index of the oxygen reduction reaction activity, was derived.
図10に示すように、ナフィオンに対するH3PO4のモル比が小さいほど、交換電流密度が高くなっている。つまり、ナフィオンに対するH3PO4のモル比が小さいほど、H4PO4 +の存在割合が高くなり、この結果として酸化還元性能が高くなっていると考えられる。 As shown in FIG. 10, the smaller the molar ratio of H 3 PO 4 to Nafion, the higher the exchange current density. That is, it is considered that the smaller the molar ratio of H 3 PO 4 to Nafion, the higher the abundance ratio of H 4 PO 4 + , and as a result, the higher the redox performance.
以上説明した本実施形態では、燃料電池セル100のカソード極130において、カソード側アイオノマ131bのプロトンキャリアとしてH4PO4
+を用いている。H4PO4
+は、H3PO4に比較してPt触媒へのプロトン供給性が高い。また、H4PO4
+は、燃料電池セル100の作動範囲のカソード電位においては、Pt触媒に吸着しにくいため、触媒活性の低下を抑制できる。このため、本実施形態のカソード極130では、プロトンキャリアとしてH3PO4を用いた場合よりも酸化還元性能を向上させることができる。
In the present embodiment described above, H 4 PO 4+ is used as the proton carrier of the
また、カソード側アイオノマ131bにスルホン基を有する強酸性ポリマーを用いた場合には、H4PO4
+は強酸性ポリマーのスルホン基とイオン結合によって強固に結合する。このため、燃料電池セル100を長期間使用しても、カソード極130からH4PO4
+が溶出しにくい。このことによっても、本実施形態のカソード極130は、酸化還元性能を向上させることができる。
Further, when a strongly acidic polymer having a sulfone group is used for the
(他の実施形態)
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified as follows without departing from the spirit of the present invention. In addition, the means disclosed in each of the above embodiments may be appropriately combined to the extent feasible.
(1)上記実施形態では、本発明の酸化還元反応用電極を燃料電池用電極に適用した例について説明したが、これに限らず、本発明の酸化還元反応用電極はプロトンを伝導させて酸化還元反応を行うための電極であれば適用可能である。 (1) In the above embodiment, an example in which the redox reaction electrode of the present invention is applied to the fuel cell electrode has been described, but the present invention is not limited to this, and the redox reaction electrode of the present invention conducts protons to oxidize. Any electrode for carrying out a reduction reaction can be applied.
(2)上記実施形態では、アイオノマ131bによって触媒担持カーボン131aを被覆するように構成したが、必ずしもアイオノマ131bによって触媒担持カーボン131aを被覆する必要はなく、例えば液体状のアイオノマを用いてもよい。
(2) In the above embodiment, the catalyst-supported
(3)上記実施形態では、電解質膜110として配位高分子を用いた例について説明したが、電解質膜110の種類はこれに限定されるものではなく、異なる種類の電解質膜110を用いることができる。
(3) In the above embodiment, an example in which a coordination polymer is used as the
(4)上記実施形態では、アノード極120をカソード極130と異なる構成としたが、これに限らず、アノード極120をカソード極130と同一構成としてもよい。つまり、本発明の酸化還元反応用電極をアノード極120に適用し、アノード側アイオノマ121bのプロトンキャリアをH4PO4
+としてもよい。
(4) In the above embodiment, the
100 燃料電池セル(燃料電池)
110 電解質膜
120 アノード極
130 カソード極(酸化還元反応用電極)
131 カソード側触媒層
131a 触媒担持カーボン
131b アイオノマ
132 カソード側拡散層
200 カーボン担体(触媒担体)
201 Pt粒子(Pt触媒)
100 fuel cell (fuel cell)
110
131 Cathode
201 Pt particles (Pt catalyst)
Claims (9)
前記アイオノマはH4PO4 +を含んでおり、
31 P-NMRのピークシフトδが0.5ppm以上である酸化還元反応用電極。 It comprises a catalyst carrier (200), a Pt catalyst (201) supported on the catalyst carrier, and an ionomer (131b) having proton conductivity.
The ionomer contains H 4 PO 4 + and
31 An electrode for redox reaction in which the peak shift δ of P-NMR is 0.5 ppm or more .
前記アイオノマはH 4 PO 4 + を含んでおり、
前記アイオノマは、H 3 PO 4 より酸性度が高い強酸を含んでおり、
前記アイオノマにおける前記強酸に対するリン酸のモル比は1以下である酸化還元反応用電極。 It comprises a catalyst carrier (200), a Pt catalyst (201) supported on the catalyst carrier, and an ionomer (131b) having proton conductivity.
The ionomer contains H 4 PO 4 + and
The ionomer contains a strong acid that is more acidic than H 3 PO 4 .
An electrode for a redox reaction in which the molar ratio of phosphoric acid to the strong acid in the ionoma is 1 or less .
前記酸化還元反応用電極と接するように配置されている電解質(110)とを備える燃料電池。 The redox reaction electrode (130) according to any one of claims 1 to 8.
A fuel cell including an electrolyte (110) arranged so as to be in contact with the redox reaction electrode.
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