JP7307977B2 - MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL USING THE SAME - Google Patents
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Description
本願は、膜-電極接合体及びその膜-電極接合体を用いた燃料電池に関する。 The present application relates to a membrane-electrode assembly and a fuel cell using the membrane-electrode assembly.
固体高分子形燃料電池(PEFC)は、クリーンで高発電効率な発電システムであるため、燃料電池自動車や家庭用燃料電池などに応用され普及が始まっている。 A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is a clean and highly efficient power generation system, so it is being applied to fuel cell vehicles, household fuel cells, and the like, and is beginning to spread.
従来から、固体高分子形燃料電池において燃料ガスの供給を停止した際、燃料ガス流路内に残存していた燃料ガスが、燃料ガス流路から漏出したり、高分子電解質膜を通過したりして逸散すると、それに代わり燃料ガス流路に空気が流入する。このような状態で燃料電池を再起動させると、アノードで酸素還元反応が生じ、それに伴いカソードに用いた触媒が劣化してしまう。このような劣化を回避するために、燃料電池の再起動時に、燃料ガス流路に残留している空気を不活性ガスで追い出してから、燃料ガス流路に燃料ガスを供給している。 Conventionally, when the supply of fuel gas is stopped in polymer electrolyte fuel cells, the fuel gas remaining in the fuel gas flow path leaks from the fuel gas flow path or passes through the polymer electrolyte membrane. As a result, air flows into the fuel gas flow path instead. If the fuel cell is restarted in such a state, an oxygen reduction reaction occurs at the anode, which causes deterioration of the catalyst used for the cathode. In order to avoid such deterioration, when the fuel cell is restarted, the air remaining in the fuel gas flow path is purged with an inert gas before the fuel gas is supplied to the fuel gas flow path.
しかし、この方法では、不活性ガスを貯留しておくタンク及び供給を制御する装置などが必要になり、装置の大型化及びコストアップの原因となる。このため、不活性ガスを使用しない方法として、酸素雰囲気下におけるアノードの電気抵抗を水素雰囲気下におけるアノードの電気抵抗より大きくする技術が、特許文献1で提案されている。
However, this method requires a tank for storing the inert gas and a device for controlling the supply, which causes an increase in size and cost of the device. Therefore, as a method that does not use an inert gas,
また、本願の炭化水素系高分子電解質に関する技術として特許文献2及び3がある。 In addition, there are Patent Documents 2 and 3 as technologies related to the hydrocarbon-based polymer electrolyte of the present application.
しかしながら、特許文献1が提案する技術では、アノード触媒層に白金/タンタルドープ酸化チタンという特殊な触媒担持体を使用する必要があり、従来から汎用されてきた触媒担持体である白金/カーボンを用いないため、従来の燃料電池で用いられてきた触媒材料の大幅な変更となる。このため、特許文献1が提案する技術は、従来の燃料電池の製造方法との親和性が低いという問題があった。
However, in the technique proposed in
本願は、従来の燃料電池の触媒材料を大幅に変更することなく、燃料電池の起動時のアノードでの酸素還元反応を抑制することができる膜-電極接合体及びそれを用いた燃料電池を提供する。 The present application provides a membrane-electrode assembly capable of suppressing the oxygen reduction reaction at the anode during startup of the fuel cell, and a fuel cell using the same, without significantly changing the catalyst material of conventional fuel cells. do.
本願で開示する膜-電極接合体は、高分子電解質膜と、アノードと、カソードとを含む膜-電極接合体であって、前記アノードは、アノード触媒層を含み、前記カソードは、カソード触媒層を含み、前記アノード触媒層は、前記高分子電解質膜の第1主面に配置され、前記カソード触媒層は、前記高分子電解質膜の第2主面に配置され、前記アノード触媒層は、触媒材料と、導電性材料と、炭化水素系高分子電解質とを含み、前記炭化水素系高分子電解質は、親水性セグメントと、疎水性セグメントとを含み、前記親水性セグメントは、スルホン酸基を有し、主鎖が主に芳香環からなり、前記疎水性セグメントは、芳香環を含む。 The membrane-electrode assembly disclosed in the present application is a membrane-electrode assembly comprising a polymer electrolyte membrane, an anode, and a cathode, wherein the anode comprises an anode catalyst layer, and the cathode comprises a cathode catalyst layer. wherein the anode catalyst layer is disposed on the first major surface of the polymer electrolyte membrane, the cathode catalyst layer is disposed on the second major surface of the polymer electrolyte membrane, and the anode catalyst layer comprises a catalyst material, a conductive material, and a hydrocarbon-based polymer electrolyte, wherein the hydrocarbon-based polymer electrolyte includes a hydrophilic segment and a hydrophobic segment, and the hydrophilic segment has a sulfonic acid group. and the main chain is mainly composed of aromatic rings, and the hydrophobic segment contains the aromatic rings.
また、本願で開示する燃料電池は、本願で開示した膜-電極接合体を含む燃料電池である。 Further, the fuel cell disclosed in the present application is a fuel cell including the membrane-electrode assembly disclosed in the present application.
本願によれば、燃料電池の起動時におけるアノードでの酸素還元反応を抑制することができ、それによりカソードに用いた触媒の劣化を防止でき、その結果、燃料電池の耐久性を向上できる。 According to the present application, it is possible to suppress the oxygen reduction reaction at the anode when starting the fuel cell, thereby preventing deterioration of the catalyst used in the cathode, and as a result, improving the durability of the fuel cell.
(膜-電極接合体)
本願で開示する膜-電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)の実施形態について説明する。本実施形態の膜-電極接合体は、高分子電解質膜と、アノードと、カソードとを備え、上記アノードは、アノード触媒層を含み、上記カソードは、カソード触媒層を含み、上記アノード触媒層は、上記高分子電解質膜の第1主面に配置され、上記カソード触媒層は、上記高分子電解質膜の第2主面に配置され、上記アノード触媒層は、触媒材料と、導電性材料と、炭化水素系高分子電解質とを含んでいる。また、上記炭化水素系高分子電解質は、親水性セグメントと、疎水性セグメントとを含み、上記親水性セグメントは、スルホン酸基を有し、主鎖が主に芳香環からなり、上記疎水性セグメントは、芳香環を含んでいる。(Membrane-electrode assembly)
An embodiment of a membrane electrode assembly (MEA) disclosed in the present application will be described. The membrane-electrode assembly of this embodiment comprises a polymer electrolyte membrane, an anode, and a cathode, the anode comprising an anode catalyst layer, the cathode comprising a cathode catalyst layer, the anode catalyst layer comprising , the cathode catalyst layer is disposed on a first major surface of the polymer electrolyte membrane, the anode catalyst layer is disposed on a second major surface of the polymer electrolyte membrane, the anode catalyst layer comprises a catalyst material, a conductive material, and a hydrocarbon-based polymer electrolyte. Further, the hydrocarbon-based polymer electrolyte includes a hydrophilic segment and a hydrophobic segment, the hydrophilic segment has a sulfonic acid group, the main chain is mainly composed of an aromatic ring, and the hydrophobic segment contains an aromatic ring.
本実施形態の膜-電極接合体は、そのアノード触媒層に上記炭化水素系高分子電解質を含んでいるので、燃料電池の起動時におけるアノードでの酸素還元反応を抑制すことができ、これによりカソードに用いた触媒の劣化を防止することができ、その結果、燃料電池の耐久性を向上できる。 Since the membrane-electrode assembly of the present embodiment contains the hydrocarbon-based polymer electrolyte in its anode catalyst layer, it is possible to suppress the oxygen reduction reaction at the anode during startup of the fuel cell. Deterioration of the catalyst used for the cathode can be prevented, and as a result, durability of the fuel cell can be improved.
ここで、「主鎖が主に芳香環からなり」とは、親水性セグメントにおける主鎖の連結基(エーテル基、チオエーテル基、スルホン基、ケトン基、スルフィド基等)以外の部分の分子量を100%とした場合、その70%以上が芳香環からなることを意味する。 Here, "the main chain is mainly composed of aromatic rings" means that the molecular weight of the portion other than the connecting groups (ether group, thioether group, sulfone group, ketone group, sulfide group, etc.) of the main chain in the hydrophilic segment is 100. % means that 70% or more thereof is composed of aromatic rings.
また、上記炭化水素系高分子電解質は、耐熱性及び化学的耐久性を向上させるために、下記の特徴の少なくとも一つを備えることが好ましい。
(1)上記親水性セグメントと上記疎水性セグメントとが、芳香環の直接結合で連結されていること。
(2)上記疎水性セグメントが、実質的にスルホン酸基を有さないこと。
ここで、「実質的にスルホン酸基を有さない」とは、疎水性セグメントがスルホン酸基を全く有さないか、疎水性セグメントにおける繰り返し単位あたりのスルホン酸基の数が、親水性セグメントにおける繰り返し単位あたりのスルホン酸基の数の1/10以下であることを意味する。
(3)上記疎水性セグメントを構成する複数の芳香環は、上記疎水性セグメントを構成する芳香環の直接結合で連結されていること。Moreover, the hydrocarbon-based polymer electrolyte preferably has at least one of the following characteristics in order to improve heat resistance and chemical durability.
(1) The hydrophilic segment and the hydrophobic segment are linked by a direct bond of an aromatic ring.
(2) The hydrophobic segment has substantially no sulfonic acid groups.
Here, "substantially no sulfonic acid group" means that the hydrophobic segment has no sulfonic acid group at all, or the number of sulfonic acid groups per repeating unit in the hydrophobic segment is less than the hydrophilic segment It means that the number of sulfonic acid groups per repeating unit in is 1/10 or less.
(3) The plurality of aromatic rings forming the hydrophobic segment are linked by direct bonds of the aromatic rings forming the hydrophobic segment.
また、上記炭化水素系高分子電解質は、耐熱性及び化学的耐久性を更に向上させるために、主鎖にヘテロ元素を含まないことが好ましい。即ち、上記炭化水素系高分子電解質は、ヘテロ元素を含む連結基(エーテル基、チオエーテル基、スルホン基、ケトン基、スルフィド基等)を含まないことが好ましい。 Moreover, the hydrocarbon-based polymer electrolyte preferably does not contain a hetero element in the main chain in order to further improve heat resistance and chemical durability. That is, the hydrocarbon-based polymer electrolyte preferably does not contain a linking group containing a hetero element (ether group, thioether group, sulfone group, ketone group, sulfide group, etc.).
ここで、上記炭化水素系高分子電解質をアノード触媒層に含めることによりカソードの触媒の劣化を防止できる理由について説明するが、先ず、図面に基づきカソードの触媒の劣化メカニズムについて説明する。 Here, the reason why deterioration of the cathode catalyst can be prevented by including the hydrocarbon-based polymer electrolyte in the anode catalyst layer will be described. First, the deterioration mechanism of the cathode catalyst will be described with reference to the drawings.
<カソードの触媒の劣化メカニズム>
図1は、本実施形態の膜-電極接合体の模式図である。図1において、膜-電極接合体10は、高分子電解質膜11と、高分子電解質膜11の一方の主面に配置されたアノード12と、高分子電解質膜11の他方の主面に配置されたカソード13とを備えている。<Degradation Mechanism of Cathode Catalyst>
FIG. 1 is a schematic diagram of the membrane-electrode assembly of this embodiment. In FIG. 1, the membrane-
アノード12は、高分子電解質膜11側からアノード触媒層14及びアノードガス拡散層15を備えている。また、アノード12の外側にはアノードガス流路16が配置されている。
The
カソード13は、高分子電解質膜11側からカソード触媒層17及びカソードガス拡散層18を備えている。また、カソード13の外側にはカソードガス流路19が配置されている。
The
図1において、燃料電池の停止時には、アノードガス流路16内には、通常、空気が混入している。この状態で、アノードガス流路16に燃料ガス(水素ガス)を供給すると、アノードガス流路16の上流側から燃料ガスが充填されるため、アノードガス流路16の下流部では空気が残ることになる。このような状態で燃料電池を起動すれば、燃料ガスが満たされている上流部では、発電反応が生じる。この発電反応は、アノード12では、H2→2H++2e-の水素酸化反応が起こり、プロトンH+及び電子e-が生じる。このプロトンH+が高分子電解質膜11を介してカソード13へ移動し、電子e-が下流部に移動する。カソード13では、アノード12からのプロトンH+及びカソード13の下流部からの電子e-により、O2+4H++4e-→2H2Oの酸素還元反応が起こる。In FIG. 1, air is usually mixed in the anode
一方、空気が残留したアノードガス流路16の下流部では、カソード触媒層17の触媒の腐食反応が生じる。即ち、カソード13では、C+2H2O→CO2+4H++4e-の腐食反応が起こり、プロトンH+及び電子e-が生じる。このプロトンH+が高分子電解質膜11を介してアノード12へ移動し、電子e-が上流部に移動する。アノード12では、カソード13からのプロトンH+及び上流部からの電子e-により、O2+4H++4e-→2H2Oの酸素還元反応が起こり、水が生成する。このような反応が進行することにより、カソード13の触媒であるPt/カーボンが腐食により劣化する。On the other hand, a corrosion reaction of the catalyst of the cathode catalyst layer 17 occurs in the downstream portion of the
<カソードの触媒の劣化を防止できる理由>
これに対し、アノード触媒層14に本願で開示する炭化水素系高分子電解質を含めると、空気が残留したアノードガス流路16の下流部において、カソード触媒層17の触媒の腐食反応を抑制できると考えられる。即ち、空気が残留したアノードガス流路16の下流部は高電位領域となり、一方、燃料ガスが充填された上流部は低電位領域となり、その高電位領域のアノード触媒層14において、図2に示すように、上記炭化水素系高分子電解質(HCPE)がアノード触媒に吸着し、アノード12でのO2+4H++4e-→2H2Oの酸素還元反応が抑制されると考えられる。これにより、下流部におけるプロトンH+の移動、及び、カソード13におけるC+2H2O→CO2+4H++4e-の腐食反応が抑制され、下流部におけるカソード13の触媒(Pt/カーボン)の腐食が抑制されて、触媒の劣化を防止できると考えられる。<Reasons for preventing deterioration of the cathode catalyst>
On the other hand, if the
その後、アノードガス流路16の全流域に燃料ガスが充填されると、アノード12の全体が低電位領域となり、アノード触媒に吸着していた上記炭化水素系高分子電解質が、アノード触媒から脱離し、アノード触媒が本来の触媒機能を発揮できるようになり、前述の発電反応のみが起こることとなり、安定して燃料電池を稼動させることができるようになると考えられる。
After that, when the entire flow area of the
以下、本実施形態の膜-電極接合体の各構成部材について説明する。 Each constituent member of the membrane-electrode assembly of this embodiment will be described below.
<炭化水素系高分子電解質>
本実施形態の膜-電極接合体のアノード触媒層に含まれる炭化水素系高分子電解質は、親水性セグメント(以下、親水部とも言う。)と、疎水性セグメント(以下、疎水部とも言う。)とを含み、上記親水性セグメントは、スルホン酸基を有し、主鎖が主に芳香環からなり、上記疎水性セグメントは、芳香環を含んでいる。<Hydrocarbon polymer electrolyte>
The hydrocarbon-based polymer electrolyte contained in the anode catalyst layer of the membrane-electrode assembly of the present embodiment has a hydrophilic segment (hereinafter also referred to as a hydrophilic portion) and a hydrophobic segment (hereinafter also referred to as a hydrophobic portion). wherein the hydrophilic segment has a sulfonic acid group, the main chain is mainly composed of an aromatic ring, and the hydrophobic segment contains an aromatic ring.
上記炭化水素系高分子電解質は、上記構造を有するため、前述のように、アノード触媒層に含めることにより、燃料電池の起動時において、上記炭化水素系高分子電解質がアノード触媒に吸着して、アノードでの酸素還元反応が抑制されるため、カソードにおける腐食反応が抑制され、カソード触媒の劣化を防止できる。 Since the hydrocarbon-based polymer electrolyte has the structure described above, by including it in the anode catalyst layer as described above, the hydrocarbon-based polymer electrolyte adsorbs to the anode catalyst at the time of starting the fuel cell, Since the oxygen reduction reaction at the anode is suppressed, the corrosion reaction at the cathode is suppressed and deterioration of the cathode catalyst can be prevented.
上記炭化水素系高分子電解質は、上記構造を有していればよく、例えば、特許文献2(特開2017-179345号公報)に詳細に開示されている。また、上記炭化水素系高分子電解質の製造方法についても、特許文献3(特開2018-65945号公報)に詳細に開示されている。 The hydrocarbon-based polymer electrolyte should have the structure described above, and is disclosed in detail in, for example, Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-179345). A method for producing the hydrocarbon-based polymer electrolyte is also disclosed in detail in Patent Document 3 (JP-A-2018-65945).
上記炭化水素系高分子電解質の中でも、特に好ましいのは、下記一般式(1)及び(2)で表される構造を有するものである。 Among the above hydrocarbon-based polymer electrolytes, those having structures represented by the following general formulas (1) and (2) are particularly preferred.
上記式中、xは、1~2000の整数、yは、1~1500の整数を表す。 In the above formula, x is an integer of 1-2000, and y is an integer of 1-1500.
上記式中、xは、1~2000の整数、yは、1~2000の整数、zは、1~1500の整数を表す。 In the above formula, x is an integer of 1-2000, y is an integer of 1-2000, and z is an integer of 1-1500.
上記一般式(1)及び(2)で表される炭化水素系高分子電解質では、親水性セグメントと、疎水性セグメントとを含み、上記親水性セグメントは、主鎖がスルホン酸基を有する芳香環からなり、上記疎水性セグメントは、主鎖がスルホン酸基を有さない芳香環からなる。また、上記親水性セグメントと上記疎水性セグメントとは、芳香環の直接結合で連結され、上記疎水性セグメントを構成する複数の芳香環は、上記疎水性セグメントを構成する芳香環の直接結合で連結されている。 The hydrocarbon-based polymer electrolyte represented by the general formulas (1) and (2) includes a hydrophilic segment and a hydrophobic segment, and the hydrophilic segment has an aromatic ring having a sulfonic acid group in the main chain. The hydrophobic segment consists of an aromatic ring whose main chain does not have a sulfonic acid group. In addition, the hydrophilic segment and the hydrophobic segment are linked by direct bonds of aromatic rings, and the plurality of aromatic rings constituting the hydrophobic segment are linked by direct bonds of the aromatic rings that constitute the hydrophobic segment. It is
上記一般式(1)で表される炭化水素系高分子電解質は、スルホン酸化ポリフェニレン(親水部)とキンケフェニル(疎水部)とのランダム共重合体であり、以下略してSPP-QPとも言う。また、上記一般式(2)で表される炭化水素系高分子電解質は、スルホン酸化ポリフェニレン(親水部)とビフェニル(疎水部)とのランダム共重合体であり、以下略してSPP-BPとも言う。 The hydrocarbon-based polymer electrolyte represented by the above general formula (1) is a random copolymer of sulfonated polyphenylene (hydrophilic portion) and kinkephenyl (hydrophobic portion), and is also abbreviated as SPP-QP hereinafter. Further, the hydrocarbon-based polymer electrolyte represented by the above general formula (2) is a random copolymer of sulfonated polyphenylene (hydrophilic portion) and biphenyl (hydrophobic portion), and hereinafter abbreviated as SPP-BP. .
上記炭化水素系高分子電解質としては、燃料電池の使用条件によっては、下記一般式(3)で表される構造を有するものも使用することができる。上記燃料電池の使用条件については後述する。 As the hydrocarbon-based polymer electrolyte, one having a structure represented by the following general formula (3) can also be used depending on the usage conditions of the fuel cell. Conditions for using the fuel cell will be described later.
上記式中、xは、1~2000の整数、yは、1~1500の整数を表す。 In the above formula, x is an integer of 1-2000, and y is an integer of 1-1500.
上記一般式(3)で表される炭化水素系高分子電解質では、親水性セグメントと、疎水性セグメントとを含み、上記親水性セグメントは、主鎖がスルホン酸基を有する芳香環からなり、上記疎水性セグメントは、スルホン酸基を有さない芳香環を含み、その芳香環はフッ素を含む連結基で連結されている。また、上記親水性セグメントと上記疎水性セグメントとは、芳香環の直接結合で連結されている。 The hydrocarbon-based polymer electrolyte represented by the general formula (3) includes a hydrophilic segment and a hydrophobic segment, the hydrophilic segment is composed of an aromatic ring having a sulfonic acid group in the main chain, and the above The hydrophobic segment contains an aromatic ring that does not have a sulfonic acid group, and the aromatic rings are linked by a fluorine-containing linking group. Moreover, the hydrophilic segment and the hydrophobic segment are linked by a direct bond of the aromatic ring.
上記一般式(3)で表される炭化水素系高分子電解質は、スルホン酸化ポリフェニレン(親水部)と2,2-ビス(フェニル)ヘキサフルオロプロパン(疎水部)とのランダム共重合体であり、以下略してSBAFとも言う。 The hydrocarbon-based polymer electrolyte represented by the general formula (3) is a random copolymer of sulfonated polyphenylene (hydrophilic portion) and 2,2-bis(phenyl)hexafluoropropane (hydrophobic portion), It is also abbreviated as SBAF below.
上記炭化水素系高分子電解質としては、下記一般式(4)又は(5)で表される構造を有するものも使用することができる。 As the hydrocarbon-based polymer electrolyte, those having a structure represented by the following general formula (4) or (5) can also be used.
上記式中、mは、1~2000の整数、nは、1~1500の整数、oは、1~1500の整数を表す。 In the above formula, m is an integer of 1-2000, n is an integer of 1-1500, and o is an integer of 1-1500.
上記一般式(4)又は(5)で表される炭化水素系高分子電解質では、親水性セグメントと、疎水性セグメントとを含み、上記親水性セグメントは、主鎖がスルホン酸基を有する芳香環からなり、上記疎水性セグメントは、芳香環を含み、その芳香環はフッ素を含む連結基で連結されている。また、上記親水性セグメントと上記疎水性セグメントとは、芳香環の直接結合で連結されている。 The hydrocarbon-based polymer electrolyte represented by the general formula (4) or (5) includes a hydrophilic segment and a hydrophobic segment, and the hydrophilic segment has an aromatic ring having a sulfonic acid group in the main chain. wherein the hydrophobic segment contains an aromatic ring, and the aromatic ring is linked by a fluorine-containing linking group. Moreover, the hydrophilic segment and the hydrophobic segment are linked by a direct bond of the aromatic ring.
上記一般式(4)で表される炭化水素系高分子電解質は、スルホン酸化ポリフェニレン(親水部)と1,8-ビス(スルホン酸化フェニル)パーフルオロオクタン(疎水部)とのランダム共重合体であり、上記一般式(5)で表される炭化水素系高分子電解質は、スルホン酸化ポリフェニレン(親水部)と1,8-ビス(フェニル)パーフルオロオクタン(疎水部)とのランダム共重合体であり、いずれも以下略してSPAFとも言う。 The hydrocarbon-based polymer electrolyte represented by the above general formula (4) is a random copolymer of sulfonated polyphenylene (hydrophilic portion) and 1,8-bis(sulfonated phenyl) perfluorooctane (hydrophobic portion). and the hydrocarbon-based polymer electrolyte represented by the general formula (5) is a random copolymer of sulfonated polyphenylene (hydrophilic portion) and 1,8-bis(phenyl)perfluorooctane (hydrophobic portion). Both are abbreviated as SPAF.
<高分子電解質膜>
本実施形態の膜-電極接合体を構成する高分子電解質膜は、湿潤状態で良好なイオン(プロトン)伝導性を示す材料で形成されており、例えば、フッ素系樹脂により形成されたイオン(プロトン)伝導性のイオン交換膜が用いられる。上記フッ素系樹脂としては、例えば、下記式(6)で表されるデュポン社製の“Nafion”(登録商標)が挙げられる。<Polymer electrolyte membrane>
The polymer electrolyte membrane that constitutes the membrane-electrode assembly of the present embodiment is made of a material that exhibits good ion (proton) conductivity in a wet state. ) A conductive ion exchange membrane is used. Examples of the fluororesin include "Nafion" (registered trademark) manufactured by DuPont and represented by the following formula (6).
また、前述のアノード触媒層に用いる炭化水素系高分子電解質は、イオン伝導性を有するため、上記高分子電解質膜は、上記炭化水素系高分子電解質を用いて形成することもできる。 In addition, since the hydrocarbon-based polymer electrolyte used in the anode catalyst layer described above has ion conductivity, the polymer electrolyte membrane can also be formed using the above-described hydrocarbon-based polymer electrolyte.
<アノード触媒層>
本実施形態の膜-電極接合体を構成するアノード触媒層は、上記高分子電解質膜の第1主面に配置され、上記アノード触媒層は、触媒材料と、導電性材料と、前述の炭化水素系高分子電解質とを含んでいる。<Anode catalyst layer>
The anode catalyst layer constituting the membrane-electrode assembly of the present embodiment is arranged on the first main surface of the polymer electrolyte membrane, and the anode catalyst layer comprises a catalyst material, a conductive material, and the above-described hydrocarbon system polyelectrolyte.
前述のように、燃料電池の起動時において、上記炭化水素系高分子電解質がアノード触媒に吸着して、アノードでの酸素還元反応が抑制されるため、カソードにおける腐食反応が抑制され、カソード触媒の劣化を防止できる。また、上記炭化水素系高分子電解質は、アノード触媒層でバインダーとしても機能する。更に、上記炭化水素系高分子電解質は、イオン伝導性を有するため、アノード触媒層中のイオン(プロトン)の伝導が良好となり、触媒を有効に利用することができる。 As described above, when the fuel cell is started, the hydrocarbon-based polymer electrolyte is adsorbed on the anode catalyst, and the oxygen reduction reaction at the anode is suppressed. Deterioration can be prevented. The hydrocarbon-based polymer electrolyte also functions as a binder in the anode catalyst layer. Furthermore, since the hydrocarbon-based polymer electrolyte has ionic conductivity, ions (protons) in the anode catalyst layer are well conducted, and the catalyst can be effectively used.
上記触媒材料としては、発電反応における水素酸化反応に対して活性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、白金(Pt)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)など又はこれらの合金が使用できる。中でも、燃料の酸化能、及び、触媒の耐久性を考慮すると、白金又は白金合金が好ましい。 The catalyst material is not particularly limited as long as it is a material that has activity against the hydrogen oxidation reaction in the power generation reaction. can. Among them, platinum or a platinum alloy is preferable in consideration of the oxidizing ability of the fuel and the durability of the catalyst.
上記導電性材料としては特に限定されないが、触媒担持能、電子伝導性、電気化学的安定性などを考慮すると、カーボンブラック、ケッチェンブラック、活性炭、カーボンナノホーン、カーボンナノチューブなどの高表面積のカーボンが好ましい。 The conductive material is not particularly limited, but in consideration of catalyst carrying capacity, electronic conductivity, electrochemical stability, etc., high surface area carbon such as carbon black, ketjen black, activated carbon, carbon nanohorn, and carbon nanotube is used. preferable.
また、上記触媒材料は、上記導電性材料の表面に担持されていることが好ましい。上記触媒材料の電子伝導性が向上するからである。 Moreover, it is preferable that the catalyst material is supported on the surface of the conductive material. This is because the electron conductivity of the catalyst material is improved.
上記アノード触媒層は、上記触媒材料が上記導電性材料に担持された担持体と、上記炭化水素系高分子電解質と、溶媒とを含む触媒インクを作製し、この触媒インクを上記高分子電解質膜に塗布した後、溶媒を除去することにより形成することができる。 The anode catalyst layer is formed by preparing a catalyst ink containing a support in which the catalyst material is supported on the conductive material, the hydrocarbon-based polymer electrolyte, and a solvent, and applying the catalyst ink to the polymer electrolyte membrane. It can be formed by removing the solvent after coating on the surface.
<カソード触媒層>
本実施形態の膜-電極接合体を構成するカソード触媒層は、上記高分子電解質膜の第2主面に配置され、上記カソード触媒層は、触媒材料と、導電性材料と、バインダーとから形成できる。上記触媒材料及び上記導電性材料としては、前述のアノード触媒層に用いた触媒材料及び導電性材料と同じ材料を用いることがでる。上記バインダーとしては、イオン伝導性バインダーが好ましく、イオン伝導性のフッ素系樹脂からなるバインダーが好ましい。上記イオン伝導性のフッ素系樹脂としては、例えば、前述のデュポン社製の“Nafion”(登録商標)が挙げられる。<Cathode catalyst layer>
The cathode catalyst layer constituting the membrane-electrode assembly of the present embodiment is arranged on the second main surface of the polymer electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer is formed from a catalyst material, a conductive material, and a binder. can. As the catalyst material and the conductive material, the same materials as the catalyst material and the conductive material used for the anode catalyst layer can be used. As the binder, an ion-conductive binder is preferable, and a binder composed of an ion-conductive fluorine-based resin is preferable. Examples of the ion-conducting fluororesin include the aforementioned "Nafion" (registered trademark) manufactured by DuPont.
また、上記カソード触媒層においても、上記触媒材料は上記導電性材料の表面に担持されていることが好ましい。また、上記カソード触媒層は、前述のアノード触媒層と同様にして形成できる。 Also in the cathode catalyst layer, the catalyst material is preferably supported on the surface of the conductive material. Also, the cathode catalyst layer can be formed in the same manner as the anode catalyst layer described above.
(燃料電池)
本願で開示する燃料電池の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池は、前述の実施形態の膜-電極接合体を備えている。このため、前述のように、燃料電池の起動時におけるアノードでの酸素還元反応を抑制すことができ、それによりカソードに用いた触媒の劣化を防止でき、その結果、燃料電池の耐久性を向上できる。(Fuel cell)
Embodiments of the fuel cell disclosed in the present application will be described. The fuel cell of this embodiment includes the membrane-electrode assembly of the above embodiment. Therefore, as described above, it is possible to suppress the oxygen reduction reaction at the anode when the fuel cell is started, thereby preventing deterioration of the catalyst used in the cathode, and as a result, improving the durability of the fuel cell. can.
本実施形態の燃料電池で用いるガス拡散層、ガス流路及びその他の構成部材については、特に制限されるものではなく、例えば、特許文献1(特許第6150265号公報)に開示のものを使用することができる。 The gas diffusion layer, gas channel and other components used in the fuel cell of this embodiment are not particularly limited, and for example, those disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent No. 6150265) are used. be able to.
以下、本願で開示する膜-電極接合体を用いた燃料電池の実施例を説明するが、本願で開示する燃料電池は、下記の実施例により限定されるものではない。 Examples of the fuel cell using the membrane-electrode assembly disclosed in the present application will be described below, but the fuel cell disclosed in the present application is not limited to the following examples.
(実施例1)
<アノード触媒インクの作製>
前記一般式(2)で表される炭化水素系高分子電解質SPP-BPを合成した。合成したSPP-BPの重量平均分子量をGCP法により測定したところ、136400であった。次に、SPP-BPをN,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)に溶解してバインダー溶液を作製した。(Example 1)
<Preparation of anode catalyst ink>
A hydrocarbon-based polymer electrolyte SPP-BP represented by the general formula (2) was synthesized. The weight average molecular weight of the synthesized SPP-BP was measured by the GCP method and found to be 136,400. Next, SPP-BP was dissolved in N,N-dimethylacetamide (DMAc) to prepare a binder solution.
次に、上記バインダー溶液に、Pt/CB触媒(田中貴金属工業社製“TEC10E50E”、Pt担持量:0.50mg/cm2)、脱イオン水、DMAcを加えて、ボールミルを用いて30分混合し、アノード触媒インクを得た。このアノード触媒インクでは、SPP-BPバインダーとカーボン担体との質量比は、0.7に調整した。Next, a Pt/CB catalyst (“TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., Pt loading: 0.50 mg/cm 2 ), deionized water, and DMAc are added to the binder solution and mixed for 30 minutes using a ball mill. to obtain an anode catalyst ink. In this anode catalyst ink, the mass ratio between the SPP-BP binder and the carbon carrier was adjusted to 0.7.
<カソード触媒インクの作製>
Pt/CB触媒(田中貴金属工業社製“TEC10E50E”、Pt担持量:0.50mg/cm2)、フッ素樹脂系バインダー(デュポン社製の“Nafion”/登録商標)、脱イオン水、エタノールを、ボールミルを用いて30分混合し、カソード触媒インクを得た。このカソード触媒インクでは、Nafionバインダーとカーボン担体との質量比は、0.7に調整した。<Preparation of Cathode Catalyst Ink>
Pt/CB catalyst (“TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., Pt loading: 0.50 mg/cm 2 ), fluororesin binder (“Nafion”/registered trademark manufactured by DuPont), deionized water, ethanol, Mixed for 30 minutes using a ball mill to obtain a cathode catalyst ink. In this cathode catalyst ink, the mass ratio between the Nafion binder and the carbon carrier was adjusted to 0.7.
<燃料電池セルの作製>
高分子電解質膜として、デュポン社製のNafion(登録商標)膜(膜厚:25μm)を用い、このNafion膜の一方の主面にアノード触媒インクをスプレー塗布し、このNafion膜の他方の主面にカソード触媒インクをスプレー塗布した。その後、60℃で12時間乾燥させ、更に140℃、10kgfの条件で3分間ホットプレスして触媒塗布電解質膜(CCM)とした。<Production of fuel cell>
As the polymer electrolyte membrane, a DuPont Nafion (registered trademark) membrane (thickness: 25 μm) was used, one main surface of the Nafion membrane was spray-coated with an anode catalyst ink, and the other main surface of the Nafion membrane was coated with an anode catalyst ink by spraying. was sprayed with a cathode catalyst ink. After that, it was dried at 60° C. for 12 hours, and hot-pressed for 3 minutes at 140° C. and 10 kgf to obtain a catalyst-coated electrolyte membrane (CCM).
次に、このCCMをガス拡散層(SGLカーボン社製“29BC”)で挟み、アノード、カソード両極ともサーペンタイン型ガス流路を有するカーボンセパレーターを備えたセルに組み込んで、実施例1の燃料電池セルを作製した。 Next, this CCM was sandwiched between gas diffusion layers (“29BC” manufactured by SGL Carbon Co., Ltd.), and incorporated into a cell equipped with a carbon separator having a serpentine gas flow path for both the anode and cathode electrodes of the fuel cell of Example 1. was made.
(実施例2)
前記一般式(1)で表される炭化水素系高分子電解質SPP-QPを合成した。合成したSPP-QPの重量平均分子量をGCP法により測定したところ、120400であった。(Example 2)
A hydrocarbon-based polymer electrolyte SPP-QP represented by the general formula (1) was synthesized. The weight average molecular weight of the synthesized SPP-QP was measured by GCP method and found to be 120,400.
炭化水素系高分子電解質SPP-BPに代えて、上記炭化水素系高分子電解質SPP-QPを用いた以外は、実施例1と同様にしてアノード触媒インクを作製し、このアノード触媒インクを用いた以外は、実施例1と同様にして、実施例2の燃料電池セルを作製した。 An anode catalyst ink was prepared in the same manner as in Example 1 except that the hydrocarbon-based polymer electrolyte SPP-QP was used instead of the hydrocarbon-based polymer electrolyte SPP-BP, and this anode catalyst ink was used. A fuel cell of Example 2 was produced in the same manner as in Example 1 except for the above.
(実施例3)
前記一般式(4)で表される炭化水素系高分子電解質SPAFを合成した。合成したSPAFの重量平均分子量をGCP法により測定したところ、856000であった。(Example 3)
A hydrocarbon-based polymer electrolyte SPAF represented by the general formula (4) was synthesized. The weight average molecular weight of the synthesized SPAF was measured by GCP method and found to be 856,000.
炭化水素系高分子電解質SPP-BPに代えて、上記炭化水素系高分子電解質SPAFを用いた以外は、実施例1と同様にしてアノード触媒インクを作製し、このアノード触媒インクを用いた以外は、実施例1と同様にして、実施例3の燃料電池セルを作製した。 An anode catalyst ink was prepared in the same manner as in Example 1, except that the hydrocarbon-based polymer electrolyte SPAF was used instead of the hydrocarbon-based polymer electrolyte SPP-BP, and this anode catalyst ink was used. A fuel cell of Example 3 was produced in the same manner as in Example 1.
(実施例4)
前記一般式(3)で表される炭化水素系高分子電解質SBAFを合成した。合成したSBAFの重量平均分子量をGCP法により測定したところ、180000であった。(Example 4)
A hydrocarbon-based polymer electrolyte SBAF represented by the general formula (3) was synthesized. When the weight average molecular weight of the synthesized SBAF was measured by GCP method, it was 180,000.
炭化水素系高分子電解質SPP-BPに代えて、上記炭化水素系高分子電解質SBAFを用いた以外は、実施例1と同様にしてアノード触媒インクを作製し、このアノード触媒インクを用いた以外は、実施例1と同様にして、実施例4の燃料電池セルを作製した。 An anode catalyst ink was prepared in the same manner as in Example 1 except that the hydrocarbon-based polymer electrolyte SBAF was used instead of the hydrocarbon-based polymer electrolyte SPP-BP, and this anode catalyst ink was used. A fuel cell of Example 4 was produced in the same manner as in Example 1.
(比較例1)
<触媒インクの作製>
Pt/CB触媒(田中貴金属工業社製“TEC10E50E”、Pt担持量:0.50mg/cm2)、フッ素樹脂系バインダー(デュポン社製の“Nafion”/登録商標)、脱イオン水、エタノールを、ボールミルを用いて30分混合し、触媒インクを得た。この触媒インクでは、Nafionバインダーとカーボン担体との質量比は、0.7に調整した。(Comparative example 1)
<Production of catalyst ink>
Pt/CB catalyst (“TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., Pt loading: 0.50 mg/cm 2 ), fluororesin binder (“Nafion”/registered trademark manufactured by DuPont), deionized water, ethanol, A ball mill was used to mix for 30 minutes to obtain a catalyst ink. In this catalyst ink, the mass ratio of the Nafion binder to the carbon carrier was adjusted to 0.7.
<燃料電池セルの作製>
高分子電解質膜として、デュポン社製のNafion(登録商標)膜(膜厚:25μm)を用い、このNafion膜の両面に上記触媒インクをスプレー塗布した。その後、60℃で12時間乾燥させ、更に140℃、10kgfの条件で3分間ホットプレスして触媒塗布電解質膜(CCM)とした。<Production of fuel cell>
As the polymer electrolyte membrane, a DuPont Nafion (registered trademark) membrane (thickness: 25 μm) was used, and both surfaces of the Nafion membrane were spray-coated with the catalyst ink. After that, it was dried at 60° C. for 12 hours, and hot-pressed for 3 minutes at 140° C. and 10 kgf to obtain a catalyst-coated electrolyte membrane (CCM).
上記CCMを用いた以外は、実施例1と同様にして、比較例1の燃料電池セルを作製した。 A fuel cell of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1, except that the above CCM was used.
<アノードの反応性評価>
実施例1~4及び比較例1の燃料電池セルを用いて、80℃、相対湿度100%の高温高湿度条件下で、サイクリックボルタンメトリーによりアノード用触媒層のサイクリックボルタモグラム(CV)を求めた。測定条件は、カソード用触媒層側のガスとしては流量100mL/minの水素ガスを用い、アノード用触媒層側のガスとしては流量0mL/minの窒素ガスを用いた。<Anode reactivity evaluation>
Using the fuel cells of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1, the cyclic voltammogram (CV) of the anode catalyst layer was obtained by cyclic voltammetry under high temperature and high humidity conditions of 80° C. and 100% relative humidity. . As for the measurement conditions, hydrogen gas with a flow rate of 100 mL/min was used as the gas on the cathode catalyst layer side, and nitrogen gas with a flow rate of 0 mL/min was used as the gas on the anode catalyst layer side.
次に、このアノード用触媒層のCVから、低電位(0.2V)での水素吸着脱離反応から計算される電気化学的反応面積(ECA)及び高電位(0.8V)でのPt酸化電気量(QPT)を求めた。その結果を図3に示す。Next, from the CV of this anode catalyst layer, the electrochemical reaction area (ECA) calculated from the hydrogen adsorption-desorption reaction at low potential (0.2 V) and Pt oxidation at high potential (0.8 V) The quantity of electricity (Q PT ) was determined. The results are shown in FIG.
図3から、低電位領域(水素ガス雰囲気)における水素酸化反応(通常のアノードにおける発電反応)の反応性を示すECAは、実施例1~4と比較例1とでほぼ同等の値を示すことが分かる。この結果から、高温高湿度条件下で、実施例1~4で用いた炭化水素系高分子電解質バインダーは、通常の発電反応において、比較例1で用いたフッ素樹脂系バインダーと同等の機能を発揮できることが分かる。 From FIG. 3, the ECA, which indicates the reactivity of the hydrogen oxidation reaction (normal power generation reaction at the anode) in the low potential region (hydrogen gas atmosphere), shows almost the same value in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1. I understand. From these results, under high-temperature and high-humidity conditions, the hydrocarbon-based polymer electrolyte binders used in Examples 1 to 4 exhibit functions equivalent to those of the fluororesin-based binder used in Comparative Example 1 in normal power generation reactions. I know you can.
一方、図3から、高電位領域(酸素又は空気雰囲気)におけるPt酸化反応(起動時のアノードにおける酸素還元反応に相当)の反応性を示すQPTは、実施例4を除き実施例1~3では、比較例1と比べて著しく低下することが分かる。この結果から、高温高湿度条件下で、実施例1~3で用いた炭化水素系高分子電解質バインダーは、起動時のアノードにおけるPt酸化反応を、比較例1で用いたフッ素樹脂系バインダーに比べて、著しく抑制できることが分かる。これは、実施例1~3で用いた炭化水素系高分子電解質バインダーが、高電位領域において、アノード触媒に吸着し、Pt酸化反応(酸素還元反応)を抑制するためと考えられる。これにより、カソードの触媒腐食反応が抑制され、カソード触媒の劣化を防止することができる。On the other hand, from FIG. 3, Q PT indicating the reactivity of the Pt oxidation reaction (corresponding to the oxygen reduction reaction at the anode during start-up) in the high potential region (oxygen or air atmosphere) , it can be seen that compared with Comparative Example 1, it is significantly lower. From these results, under high-temperature and high-humidity conditions, the hydrocarbon-based polymer electrolyte binders used in Examples 1 to 3 showed better Pt oxidation reaction at the anode during startup than the fluororesin-based binder used in Comparative Example 1. It can be seen that it is possible to remarkably suppress This is probably because the hydrocarbon-based polymer electrolyte binder used in Examples 1 to 3 adsorbs to the anode catalyst in the high potential region and suppresses the Pt oxidation reaction (oxygen reduction reaction). As a result, the catalyst corrosion reaction of the cathode is suppressed, and deterioration of the cathode catalyst can be prevented.
続いて、実施例1~4及び比較例1の燃料電池セルを用いて、80℃、相対湿度53%の高温低湿度条件下で、サイクリックボルタンメトリーによりアノード用触媒層のサイクリックボルタモグラム(CV)を求めた。測定条件は、カソード用触媒層側のガスとしては流量100mL/minの水素ガスを用い、アノード用触媒層側のガスとしては流量0mL/minの窒素ガスを用いた。 Subsequently, using the fuel cells of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1, the cyclic voltammogram (CV) of the anode catalyst layer was obtained by cyclic voltammetry under high temperature and low humidity conditions of 80° C. and a relative humidity of 53%. asked for As for the measurement conditions, hydrogen gas with a flow rate of 100 mL/min was used as the gas on the cathode catalyst layer side, and nitrogen gas with a flow rate of 0 mL/min was used as the gas on the anode catalyst layer side.
次に、このアノード用触媒層のCVから低電位(0.2V)での水素吸着脱離反応から計算される電気化学的反応面積(ECA)及び高電位(0.8V)でのPt酸化電気量(QPT)を求めた。その結果を図4に示す。Next, the electrochemical reaction area (ECA) calculated from the hydrogen adsorption/desorption reaction at a low potential (0.2 V) from the CV of this anode catalyst layer and the Pt oxidation electricity at a high potential (0.8 V) A quantity (Q PT ) was determined. The results are shown in FIG.
図4から、低電位領域(水素ガス雰囲気)における水素酸化反応(通常のアノードにおける発電反応)の反応性を示すECAは、実施例1~4と比較例1とでほぼ同等の値を示すことが分かる。この結果から、高温低湿度条件下で、実施例1~4で用いた炭化水素系高分子電解質バインダーは、通常の発電反応において、比較例1で用いたフッ素樹脂系バインダーと同等の機能を発揮できることが分かる。 From FIG. 4, the ECA, which indicates the reactivity of the hydrogen oxidation reaction (normal power generation reaction at the anode) in the low potential region (hydrogen gas atmosphere), shows almost the same value in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1. I understand. From these results, under high-temperature and low-humidity conditions, the hydrocarbon-based polymer electrolyte binders used in Examples 1 to 4 exhibit functions equivalent to those of the fluororesin-based binder used in Comparative Example 1 in normal power generation reactions. I know you can.
一方、図4から、高電位領域(酸素又は空気雰囲気)におけるPt酸化反応(起動時のアノードにおける酸素還元反応に相当)の反応性を示すQPTは、実施例1~4では、比較例1と比べて著しく低下することが分かる。この結果から、高温低湿度条件下で、実施例1~4で用いた炭化水素系高分子電解質バインダーは、起動時のアノードにおけるPt酸化反応を、比較例1で用いたフッ素樹脂系バインダーに比べて、著しく抑制できることが分かる。これは、実施例1~4で用いた炭化水素系高分子電解質バインダーが、高電位領域において、アノード触媒に吸着し、Pt酸化反応を抑制するためと考えられる。これにより、カソードの触媒腐食反応が抑制され、カソード触媒の劣化を防止することができる。On the other hand, from FIG. 4, Q PT indicating the reactivity of the Pt oxidation reaction (corresponding to the oxygen reduction reaction at the anode during start-up) in the high potential region (oxygen or air atmosphere) is It can be seen that the . From these results, under high-temperature and low-humidity conditions, the hydrocarbon-based polymer electrolyte binders used in Examples 1 to 4 showed better Pt oxidation reaction at the anode during startup than the fluororesin-based binder used in Comparative Example 1. It can be seen that it is possible to remarkably suppress This is probably because the hydrocarbon-based polymer electrolyte binder used in Examples 1 to 4 adsorbs to the anode catalyst in the high potential region and suppresses the Pt oxidation reaction. As a result, the catalyst corrosion reaction of the cathode is suppressed, and deterioration of the cathode catalyst can be prevented.
以上より、実施例1で用いたSPP-BP、実施例2で用いたSPP-QP、及び実施例3で用いたSPAFは、高湿度条件下においても、低湿度条件下でも、カソード触媒の劣化を防止することができることが分かる。 As described above, the SPP-BP used in Example 1, the SPP-QP used in Example 2, and the SPAF used in Example 3 were all affected by deterioration of the cathode catalyst under both high and low humidity conditions. can be prevented.
これに対し、比較例1で用いたNafionは、高湿度条件下においても、低湿度条件下でも、カソード触媒の劣化を防止することができないことが分かる。 In contrast, Nafion used in Comparative Example 1 cannot prevent deterioration of the cathode catalyst under both high and low humidity conditions.
一方、実施例4で用いたSBAFは、高湿度条件下においては、比較例1で用いたNafionと同様にカソード触媒の劣化を防止することができないが、低湿度条件下においては、カソード触媒の劣化を防止することができ、比較例1で用いたNafionに比べて、低湿度条件下において一定の効果が認められることが分かる。なお、SBAFはインク化の溶媒としてエタノールなどのアルコール系溶媒にも可溶であり、従来のNafionと同様のアルコール系溶媒のインク化工程にも適用しやすい利点がある。 On the other hand, under high humidity conditions, SBAF used in Example 4 cannot prevent the deterioration of the cathode catalyst as with Nafion used in Comparative Example 1, but under low humidity conditions, the cathode catalyst It can be seen that deterioration can be prevented, and a certain effect is recognized under low humidity conditions compared to Nafion used in Comparative Example 1. SBAF is also soluble in an alcoholic solvent such as ethanol as a solvent for forming an ink, and has the advantage of being easily applicable to the process of forming an ink using an alcoholic solvent similar to the conventional Nafion.
<アノード触媒層の水素酸化活性評価>
実施例1及び比較例1の燃料電池セルを用いて、80℃、相対湿度100%の条件下で、アノード分極特性を測定した。アノードガス及びカソードガスとしては、流量1L/minの水素ガスを用いた。その結果を図5に示す。図5は、電流密度-セル電圧特性(アノード分極特性)を示す。図5から、SPP-BPを用いた実施例1は、Nafionを用いた比較例1と同等のアノード分極特性を示すことが分かる。<Evaluation of hydrogen oxidation activity of anode catalyst layer>
Using the fuel cells of Example 1 and Comparative Example 1, anode polarization characteristics were measured under conditions of 80° C. and 100% relative humidity. Hydrogen gas with a flow rate of 1 L/min was used as the anode gas and the cathode gas. The results are shown in FIG. FIG. 5 shows current density-cell voltage characteristics (anode polarization characteristics). From FIG. 5, it can be seen that Example 1 using SPP-BP exhibits anode polarization characteristics equivalent to Comparative Example 1 using Nafion.
<発電性能評価>
実施例1及び比較例1の燃料電池セルを用いて、80℃、相対湿度100%の条件下で、発電性能を測定した。燃料電池セルには、アノードガスとして水素ガスを供給し、カソードガスとして酸素ガス又は空気を供給した。その結果を図6に示す。図6は、電流密度-セル電圧特性(セル分極特性)及びオーム抵抗を示す。図6から、SPP-BPを用いた実施例1は、Nafionを用いた比較例1と同等のセル分極特性及びオーム抵抗を示すことが分かる。<Power generation performance evaluation>
Using the fuel cells of Example 1 and Comparative Example 1, power generation performance was measured under conditions of 80° C. and 100% relative humidity. Hydrogen gas was supplied to the fuel cell as the anode gas, and oxygen gas or air was supplied as the cathode gas. The results are shown in FIG. FIG. 6 shows current density-cell voltage characteristics (cell polarization characteristics) and ohmic resistance. From FIG. 6, it can be seen that Example 1 using SPP-BP exhibits the same cell polarization characteristics and ohmic resistance as Comparative Example 1 using Nafion.
上記アノード触媒層の水素酸化活性評価及び上記発電性能評価の結果から、SPP-BPを用いた実施例1は、燃料電池セルの定常状態において、Nafionを用いた比較例1と同等の分極特性を示すことが分かる。 From the results of the evaluation of the hydrogen oxidation activity of the anode catalyst layer and the evaluation of the power generation performance, Example 1 using SPP-BP has the same polarization characteristics as Comparative Example 1 using Nafion in the steady state of the fuel cell. It can be seen that
<耐久性評価>
実施例1及び比較例1の燃料電池セルを用いて、ガス置換サイクルを用いた耐久性試験を行なった。表1にガス置換サイクル耐久性試験の試験条件を示す。<Durability evaluation>
Using the fuel cells of Example 1 and Comparative Example 1, a durability test using a gas replacement cycle was conducted. Table 1 shows the test conditions for the gas replacement cycle durability test.
先ず、実施例1及び比較例1の燃料電池セルの温度を45℃に保ち、90秒間、各セルのアノードガス流路に乾燥空気を供給し、カソードガス流路に加湿空気を供給して、モード1の処理を実行した。次に、温度45℃で90秒間、各セルのアノードガス流路に加湿水素を供給し、カソードガス流路に加湿空気を供給して、モード2の処理を実行した。続いて、温度45℃で60秒間、各セルのアノードガス流路に乾燥窒素を供給し、カソードガス流路に乾燥窒素を供給して、モード3の処理を実行した。
First, the temperature of the fuel cells of Example 1 and Comparative Example 1 was kept at 45° C., dry air was supplied to the anode gas flow channel of each cell, and humidified air was supplied to the cathode gas flow channel of each cell for 90 seconds,
上記モード1~3の一連の処理を1サイクルとして1000サイクル繰り返した。そして、200サイクル毎にサイクリックボルタンメトリーによりカソードのサイクリックボルタモグラム(CV)を求めた。このカソードのCVから、カソードにおける電気化学的反応面積(ECA)を求めた。その結果を図7に示す。
The series of treatments in
図7から、SPP-BPを用いた実施例1では、1000サイクル時のECAの維持率が66%で高い水準を維持しているのに対し、Nafionを用いた比較例1では、1000サイクル時のECAの維持率が36%まで低下していることが分かる。この結果から、Nafionを用いた比較例1のカソード触媒層の触媒の劣化が、SPP-BPを用いた実施例1に比べて大きいことが分かる。 From FIG. 7, in Example 1 using SPP-BP, the ECA retention rate at 1000 cycles was maintained at a high level of 66%, whereas in Comparative Example 1 using Nafion, at 1000 cycles It can be seen that the ECA retention rate of 1 is lowered to 36%. From this result, it can be seen that deterioration of the catalyst in the cathode catalyst layer of Comparative Example 1 using Nafion is greater than that of Example 1 using SPP-BP.
<耐久性試験前後の発電性能評価>
実施例1及び比較例1の燃料電池セルを用いて、80℃、相対湿度100%の条件下で、耐久性試験前後の発電性能を測定した。燃料電池セルには、アノードガスとして水素ガスを供給し、カソードガスとして酸素ガスを供給した。その結果を図8及び図9に示す。<Evaluation of power generation performance before and after durability test>
Using the fuel cells of Example 1 and Comparative Example 1, power generation performance was measured before and after the durability test under conditions of 80° C. and 100% relative humidity. Hydrogen gas was supplied as the anode gas and oxygen gas was supplied as the cathode gas to the fuel cell. The results are shown in FIGS. 8 and 9. FIG.
図8は、電流密度-セル電圧特性/IR-included(セル分極特性)を示す。図8から、耐久性試験後の分極特性は、試験前と比較して1000サイクル後の0.5Vにおける電流密度としては、SPP-BPを用いた実施例1では約0.8A/cm2であり、Nafionを用いた比較例1では約0.4A/cm2であり、実施例1では比較例1の約2倍の性能を示した。FIG. 8 shows current density-cell voltage characteristics/IR-included (cell polarization characteristics). From FIG. 8, the polarization characteristics after the durability test are compared to before the test, and the current density at 0.5 V after 1000 cycles is about 0.8 A/cm 2 in Example 1 using SPP-BP. Comparative Example 1 using Nafion had a value of about 0.4 A/cm 2 , and Example 1 exhibited about twice the performance of Comparative Example 1.
図9は、電流密度-セル電圧特性及びオーム抵抗/IR-Freeを示す。図9から、耐久性試験後のセル抵抗値は、試験前と比較して、SPP-BPを用いた実施例1のセル抵抗値に一定の増加が見られるものの、Nafionを用いた比較例1に比べてセル抵抗値の増加は小さいことが分かる。一方、比較例1では、実施例1に比べて約1.5倍のセル抵抗値の増加が認められた。 FIG. 9 shows current density-cell voltage characteristics and ohmic resistance/IR-Free. From FIG. 9, the cell resistance value after the durability test shows a certain increase in the cell resistance value of Example 1 using SPP-BP compared to before the test, but Comparative Example 1 using Nafion. It can be seen that the increase in cell resistance value is small compared to . On the other hand, in Comparative Example 1, an increase in cell resistance value of about 1.5 times that in Example 1 was observed.
図8及び図9の結果から、アノードバインダーにSPP-BPを用いることで、燃料電池の耐久性が向上することが分かる。 From the results of FIGS. 8 and 9, it can be seen that the use of SPP-BP as the anode binder improves the durability of the fuel cell.
本願で開示する膜-電極接合体及びそれを用いた燃料電池は、起動時におけるアノードでの酸素還元反応を抑制すことができ、それによりカソードに用いた触媒の劣化を防止でき、その結果、燃料電池の耐久性を向上でき、燃料電池自動車や家庭用燃料電池などに有効に利用できる。 The membrane-electrode assembly disclosed in the present application and the fuel cell using the same can suppress the oxygen reduction reaction at the anode during start-up, thereby preventing deterioration of the catalyst used in the cathode, and as a result, The durability of the fuel cell can be improved, and it can be effectively used for fuel cell vehicles, domestic fuel cells, and the like.
10 膜-電極接合体
11 高分子電解質膜
12 アノード
13 カソード
14 アノード触媒層
15 アノードガス拡散層
16 アノードガス流路
17 カソード触媒層
18 カソードガス拡散層
19 カソードガス流路REFERENCE SIGNS
Claims (5)
前記アノードは、アノード触媒層を含み、
前記カソードは、カソード触媒層を含み、
前記アノード触媒層は、前記高分子電解質膜の第1主面に配置され、
前記カソード触媒層は、前記高分子電解質膜の第2主面に配置され、
前記アノード触媒層は、触媒材料と、導電性材料と、炭化水素系高分子電解質とを含み、
前記炭化水素系高分子電解質が、下記一般式(1)、(2)、(3)、(4)、及び(5)からなる群から選択されるいずれか一つで表される高分子電解質を含む膜-電極接合体。
the anode comprises an anode catalyst layer;
the cathode comprises a cathode catalyst layer;
The anode catalyst layer is arranged on the first main surface of the polymer electrolyte membrane,
The cathode catalyst layer is arranged on the second main surface of the polymer electrolyte membrane,
The anode catalyst layer includes a catalyst material, a conductive material, and a hydrocarbon-based polymer electrolyte,
The hydrocarbon-based polymer electrolyte is a polymer electrolyte represented by any one selected from the group consisting of the following general formulas (1), (2), (3), (4), and (5) A membrane-electrode assembly comprising:
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