JP2006120620A - Electrolyte material, electrolyte membrane, catalyst paste, membrane electrode assembly, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】耐酸化性に優れ且つ高い性能を発揮できる炭化水素系電解質材料の提供。
【解決手段】イオン交換容量が0.5meq/g以上2.1meq/g以下である炭化水素系電解質材料と、前記炭化水素系電解質材料を基準として10質量%以上300質量%未満の量のヘテロポリ酸とを含有することを特徴とする。炭化水素系電解質材料の耐酸化性はイオン交換容量が比較的小さい範囲で向上することを発見した。そして、イオン交換容量を低い範囲内に制御した炭化水素系電解質材料に対し、プロトン伝導性助剤としてヘテロポリ酸を混合することで耐酸化性(耐酸化性が高いほど質量保持率が高い)とプロトン伝導性とを両立させることに成功した。また、耐一酸化炭素特性を向上させることにも成功した。
【選択図】図1
Provided is a hydrocarbon-based electrolyte material that has excellent oxidation resistance and can exhibit high performance.
SOLUTION: A hydrocarbon electrolyte material having an ion exchange capacity of 0.5 meq / g or more and 2.1 meq / g or less, and a heteropolyester in an amount of 10 mass% or more and less than 300 mass% based on the hydrocarbon electrolyte material. It contains an acid. It has been discovered that the oxidation resistance of hydrocarbon-based electrolyte materials is improved within a relatively small range of ion exchange capacity. And with respect to the hydrocarbon-based electrolyte material whose ion exchange capacity is controlled within a low range, by mixing a heteropoly acid as a proton conductive auxiliary agent, oxidation resistance (the higher the oxidation resistance, the higher the mass retention rate) and We succeeded in achieving both proton conductivity. We have also succeeded in improving the carbon monoxide resistance.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、電解質材料並びにその電解質材料を採用した電解質膜、触媒ペースト、膜電極接合体及び燃料電池に関する。 The present invention relates to an electrolyte material and an electrolyte membrane, a catalyst paste, a membrane electrode assembly, and a fuel cell that employ the electrolyte material.
燃料電池に適用できる電解質材料としてはパーフルオロ系電解質材料及び炭化水素系電解質材料(本明細書においては、フッ素による置換が完全にはされていない電解質材料も「炭化水素系電解質材料」に含ませる)がある。 As electrolyte materials applicable to fuel cells, perfluoro-based electrolyte materials and hydrocarbon-based electrolyte materials (in this specification, electrolyte materials that are not completely substituted by fluorine are included in the “hydrocarbon-based electrolyte materials”) )
パーフルオロ系電解質材料はナフィオン(商標)に代表され、燃料電池に一般的に採用される材料であり、耐酸化性に優れる材料である。燃料電池はその電極反応過程において、アノードで生成したプロトンが電解質膜を通してカソードに達したときに、カソード側に供給される酸素により酸化されて水を生成しているが、副反応としてヒドロキシラジカルを生成することが考えられ、そのヒドロキシラジカルは拡散して燃料電池の構成要素を分解するおそれがある。 The perfluoro-based electrolyte material is represented by Nafion (trademark), and is a material generally employed in fuel cells, and is a material excellent in oxidation resistance. In the fuel cell, when protons produced at the anode reach the cathode through the electrolyte membrane during the electrode reaction process, they are oxidized by oxygen supplied to the cathode to produce water. The hydroxyl radicals may diffuse and decompose fuel cell components.
また、その樹脂骨格の性質上、撥水性構造をもつセグメントと親水性構造をもつセグメントとが混在しており撥水層と親水層とが相分離構造を採っている。このために、保水性及びガスの拡散性の機能をバランスよくもつ構造になっている。 Further, due to the nature of the resin skeleton, a segment having a water repellent structure and a segment having a hydrophilic structure are mixed, and the water repellent layer and the hydrophilic layer have a phase separation structure. For this reason, the structure has a well-balanced function of water retention and gas diffusibility.
しかしながら、パーフルオロ系電解質材料は燃料電池に適用した場合の性能は高いものの、複雑なプロセスを経て合成される材料であること及びフッ素含有量が高いことから非常にコストが高くなっており、燃料電池普及の障害になっている。 However, although perfluoro-based electrolyte material has high performance when applied to a fuel cell, it is a material synthesized through a complicated process and has a high fluorine content, so the cost is very high. It is an obstacle to the spread of batteries.
一方、炭化水素系電解質材料は、一般に低コスト化が可能であるが、パーフルオロ系の電解質材料と比較して充分な性能が発揮できない傾向があった。その理由として、炭化水素系電解質材料は、親水性構造の部分が優勢で撥水性構造が充分でない場合が多く、プロトン伝導性の低下を招いていることが考えられる。 On the other hand, hydrocarbon electrolyte materials can generally be reduced in cost, but there is a tendency that sufficient performance cannot be exhibited as compared with perfluoro electrolyte materials. The reason for this is that hydrocarbon-based electrolyte materials often have a predominant hydrophilic structure and a water-repellent structure that is not sufficient, leading to a decrease in proton conductivity.
また、炭化水素系電解質材料の耐酸化性はパーフルオロ系電解質材料よりも充分でないものが多いことが知られている。すなわち、炭素−水素間の結合エネルギーは炭素−フッ素間の結合エネルギーより小さいので、耐酸化性が充分でないものと考えられる。これは後述するフェントン試験のような耐酸化性評価試験によっても確認できる。
本発明は上記実状に鑑み為されたものであり、耐酸化性に優れると共に、高い性能を発揮できる炭化水素系電解質材料を主体とした電解質材料を提供することを解決すべき課題とする。また、その電解質材料を採用した電解質膜、触媒ペースト、膜電極接合体及び燃料電池を提供することも解決すべき課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object to be solved is to provide an electrolyte material mainly composed of a hydrocarbon-based electrolyte material that has excellent oxidation resistance and can exhibit high performance. Another object to be solved is to provide an electrolyte membrane, a catalyst paste, a membrane electrode assembly, and a fuel cell that employ the electrolyte material.
本発明者らは上記課題を解決する目的で鋭意検討を行った結果、以下の知見を得た。すなわち、炭化水素系電解質材料について耐酸化性を評価したところ、イオン交換容量が比較的小さい0.5meq/g以上から2.1meq/g以下の範囲であれば、高い耐酸化性を示すことを発見した。これはヒドロキシラジカルなどによる反応点として作用しうるイオン交換基を減少させたことで耐酸化性が向上したものと考えられる。なお、イオン交換基を減少させることによる耐酸化性向上効果はパーフルオロ系電解質材料にも妥当することが推測できる。 As a result of intensive studies aimed at solving the above problems, the present inventors have obtained the following knowledge. That is, when the oxidation resistance of the hydrocarbon-based electrolyte material is evaluated, the ion-exchange capacity is relatively small, and if it is in the range of 0.5 meq / g to 2.1 meq / g, high oxidation resistance is exhibited. discovered. This is considered that the oxidation resistance was improved by reducing the number of ion exchange groups that can act as reaction sites due to hydroxy radicals and the like. It can be presumed that the effect of improving oxidation resistance by reducing the number of ion exchange groups is also valid for perfluoro-based electrolyte materials.
そして、イオン交換容量を低い範囲内に制御した炭化水素系電解質材料に対し、プロトン伝導性助剤としてヘテロポリ酸を混合することで耐酸化性とプロトン伝導性とを両立させることに成功した。 And it succeeded in making oxidation resistance and proton conductivity compatible by mixing heteropoly acid as a proton-conductive auxiliary agent with respect to the hydrocarbon-type electrolyte material which controlled the ion exchange capacity in the low range.
本発明は以上の知見に基づき完成されたものであり、本発明の電解質材料は、イオン交換容量が0.5meq/g以上2.1meq/g以下である炭化水素系電解質材料と、前記炭化水素系電解質材料を基準として10質量%以上300質量%未満の量のヘテロポリ酸とを含有することを特徴とする。なお、上述の混合割合を決定するにあたりヘテロポリ酸の質量は無水物に換算して算出した値を用いる。 The present invention has been completed based on the above findings, and the electrolyte material of the present invention includes a hydrocarbon-based electrolyte material having an ion exchange capacity of 0.5 meq / g to 2.1 meq / g, and the hydrocarbon The heteropolyacid is contained in an amount of 10% by mass or more and less than 300% by mass based on the system electrolyte material. In addition, in determining the above-mentioned mixing ratio, the value calculated in terms of the anhydride is used as the mass of the heteropolyacid.
つまり、イオン交換容量を比較的低い範囲内に制御することで耐酸化性を向上できた炭化水素系電解質材料に対して、プロトン伝導性を向上できるヘテロポリ酸を混合することで、高い性能をもつ電解質材料を提供することができる。 In other words, high performance is achieved by mixing a heteropoly acid that can improve proton conductivity with a hydrocarbon-based electrolyte material that has improved oxidation resistance by controlling the ion exchange capacity within a relatively low range. An electrolyte material can be provided.
また、ヘテロポリ酸は、炭化水素系電解質材料に混合することで、単独よりも高い性能を示すことが判っている。例えば、ヘテロポリ酸は炭化水素系電解質材料に混合されることで電解質としての安定性(形態安定性、水への溶解性など)が向上できる。 Further, it has been found that the heteropolyacid exhibits higher performance than that of a single substance when mixed with a hydrocarbon electrolyte material. For example, the heteropolyacid can be mixed with a hydrocarbon-based electrolyte material to improve the stability (morphological stability, solubility in water, etc.) as an electrolyte.
ヘテロポリ酸は、2種以上のオキソ酸が縮合した多核構造のポリ酸である。プロトンを除いた骨格はヘテロポリ酸イオン(ヘテロポリアニオン)といい、骨格をつくる酸の縮合構造の中に少数個の異種原子(ヘテロ原子という)の酸素酸を含む構造になっている。その他の骨格酸の中心原子はポリ原子と称される。 The heteropolyacid is a polyacid having a polynuclear structure in which two or more oxo acids are condensed. The skeleton excluding protons is called a heteropolyacid ion (heteropolyanion), and has a structure containing a small number of heteroatoms (referred to as heteroatoms) oxygen acid in the acid condensation structure forming the skeleton. The central atom of the other skeletal acid is called a poly atom.
ヘテロ原子としては、P、Si、As、Geが例示される。ポリ原子は遷移金属から選択され、W、Mo、Nb、V、Taが例示できる。そして、一部が異なる遷移金属と置換することも可能である。また、ポリ原子の一部が欠損した構造も存在する。好ましいヘテロポリ酸はケイタングステン酸である。 Examples of the hetero atom include P, Si, As, and Ge. The poly atom is selected from transition metals, and examples thereof include W, Mo, Nb, V, and Ta. And it is also possible to substitute a partly different transition metal. There are also structures in which some of the poly atoms are missing. A preferred heteropolyacid is silicotungstic acid.
そして、上記課題を解決する本発明の電解質膜は前述した本発明の電解質材料と、その電解質材料を含浸する多孔質膜とを有することを特徴とする。前述の電解質材料は多孔質膜中に含浸されることで充分な機械的強度が与えられる。多孔質膜としてはポリイミドから構成されることが好ましい。また、上記課題を解決する本発明の触媒ペーストは前述した本発明の電解質材料と、触媒とを有することを特徴とする。 And the electrolyte membrane of this invention which solves the said subject has the electrolyte material of this invention mentioned above, and the porous membrane which impregnates the electrolyte material, It is characterized by the above-mentioned. Sufficient mechanical strength is given by impregnating the above-mentioned electrolyte material in the porous membrane. The porous membrane is preferably composed of polyimide. Moreover, the catalyst paste of the present invention that solves the above-described problems includes the above-described electrolyte material of the present invention and a catalyst.
更に、上記課題を解決する本発明の膜電極接合体は、電解質膜と、該電解質膜の両面に積層される触媒層と、該触媒層の該電解質膜の反対側に積層される拡散層とを有する燃料電池用の膜電極接合体であって、前記電解質膜が前述した本発明の電解質膜であること及び/又は前記触媒層が前述した本発明の触媒ペーストから形成される層であることを特徴とする。そして、上記課題を解決する本発明の燃料電池は、この本発明の膜電極接合体を有することを特徴とする。 Furthermore, the membrane electrode assembly of the present invention that solves the above problems includes an electrolyte membrane, a catalyst layer laminated on both sides of the electrolyte membrane, and a diffusion layer laminated on the opposite side of the catalyst layer to the electrolyte membrane. A membrane electrode assembly for a fuel cell, wherein the electrolyte membrane is the electrolyte membrane of the present invention described above and / or the catalyst layer is a layer formed from the catalyst paste of the present invention described above. It is characterized by. And the fuel cell of this invention which solves the said subject has this membrane electrode assembly of this invention, It is characterized by the above-mentioned.
本発明の電解質材料及び触媒ペーストは、耐酸化性とプロトン伝導性とを両立することができる。本発明の電解質膜及び膜電極接合体は、耐酸化性とプロトン伝導性とを両立できると共に充分な強度を付与することができる。本発明の燃料電池は高い耐久性と性能とを両立できる。 The electrolyte material and catalyst paste of the present invention can achieve both oxidation resistance and proton conductivity. The electrolyte membrane and membrane electrode assembly of the present invention can achieve both oxidation resistance and proton conductivity and can provide sufficient strength. The fuel cell of the present invention can achieve both high durability and performance.
更に、ヘテロポリ酸を含有させることによる付随的な効果として、燃料ガス中などに含まれる一酸化炭素による影響を低減できることを発見している。すなわち、燃料電池の燃料としては、純水素を用いる場合のほか、炭化水素を改質して燃料ガスを製造することがあるが、その場合に一酸化炭素が混入することがある。一酸化炭素が混入すると、燃料電池の発電能力が落ちるが、本発明の電解質材料及び触媒ペーストを採用すると、一酸化炭素が燃料ガス中に混入しても電池性能の落ち込みを小さくできる。これはヘテロポリ酸が水和物であるので、それを含む電解質材料の保水性能が向上したことによると考えられる。 Furthermore, it has been discovered that the effect of carbon monoxide contained in the fuel gas or the like can be reduced as an incidental effect due to the inclusion of the heteropolyacid. That is, as fuel for the fuel cell, in addition to the case of using pure hydrogen, there are cases where fuel gas is produced by reforming hydrocarbons, and in that case, carbon monoxide may be mixed. When carbon monoxide is mixed, the power generation capability of the fuel cell is lowered. However, when the electrolyte material and catalyst paste of the present invention are employed, the drop in cell performance can be reduced even if carbon monoxide is mixed in the fuel gas. This is probably because the water retention performance of the electrolyte material containing the heteropolyacid is improved because the heteropolyacid is a hydrate.
(電解質材料)
本実施形態の電解質材料は炭化水素系電解質材料とヘテロポリ酸とその他必要に応じて混合される材料とを含有することを特徴とする。炭化水素系電解質材料及びヘテロポリ酸は単純に混合させることで電解質材料を形成することができる。また、後述するように炭化水素系電解質材料をモノマーの重合体から形成する場合には、ヘテロポリ酸を混合した状態でモノマーを重合することもできる。
(Electrolyte material)
The electrolyte material of the present embodiment is characterized by containing a hydrocarbon-based electrolyte material, a heteropolyacid, and other materials mixed as necessary. The electrolyte material can be formed by simply mixing the hydrocarbon-based electrolyte material and the heteropolyacid. As will be described later, when the hydrocarbon-based electrolyte material is formed from a monomer polymer, the monomer can be polymerized in a state where the heteropolyacid is mixed.
炭化水素系電解質材料としてはイオン交換容量が0.5meq/g以上2.1meq/g以下であること以外は特に限定しない。例えば、炭化水素系の化合物からなる基材(骨格)と、その基材に導入されたスルホ基、リン酸基、カルボン酸基などのイオン伝導性基とからなる材料が例示される。基材としては、燃料電池に適用した場合の安定性(水分に対する安定性も含む)や機械的強度などの観点から、重合体を採用することが好ましく、高分子を採用することがより好ましい。重合体などある程度以上の分子量の材料を採用することで、耐水性などの諸性能が向上して燃料電池内での安定性が向上する。また、基材部分の分子量を調節することで最終的な電解質材料の形態を液状から固体状にまで自在に制御することができる。なお、電解質材料の形態は固体状であることが好ましい。 The hydrocarbon electrolyte material is not particularly limited except that the ion exchange capacity is not less than 0.5 meq / g and not more than 2.1 meq / g. For example, a material composed of a base material (skeleton) made of a hydrocarbon-based compound and an ion conductive group such as a sulfo group, a phosphate group, or a carboxylic acid group introduced into the base material is exemplified. As the base material, it is preferable to employ a polymer, more preferably a polymer, from the viewpoints of stability (including stability against moisture) when applied to a fuel cell and mechanical strength. By adopting a material having a molecular weight of a certain level or more such as a polymer, various performances such as water resistance are improved, and stability in the fuel cell is improved. In addition, by adjusting the molecular weight of the base material portion, the final form of the electrolyte material can be freely controlled from a liquid state to a solid state. The form of the electrolyte material is preferably solid.
基材に採用できる具体的な材料の例としては、モノマー(スチレンなど)の重合体が挙げられる。重合体は線状構造の他、適正な架橋剤を加えることで、はしご状、3次元網目状などの構造を採ることができる。また、フッ素原子を一部に含むETFEなどを採用することもできる。イオン交換容量は、プロトン伝導性基の導入量を調節することで、適正範囲に制御することができる。 Examples of specific materials that can be used for the substrate include polymers of monomers (such as styrene). In addition to a linear structure, the polymer can have a ladder-like structure, a three-dimensional network-like structure, etc. by adding an appropriate crosslinking agent. Moreover, ETFE containing a fluorine atom in part can also be employed. The ion exchange capacity can be controlled within an appropriate range by adjusting the amount of proton conductive group introduced.
更に、炭化水素系電解質材料のイオン交換容量の上限は2.1meq/g以下の他、2.01meq/g以下、2.01meq/g未満、1.75meq/g以下、1.5meq/g以下及び1.1meq/g以下の各値を任意に採用することができる。また、イオン交換容量の下限は0.5meq/g以上の他、0.75meq/g以上及び1.0meq/g以上の各値を任意に採用することができる。イオン交換容量の上限及び下限は、それぞれ独立して選択可能であり任意に組み合わせることが可能である。また、耐酸化性向上の観点からは上限のみを採用することもできる。 Furthermore, the upper limit of the ion exchange capacity of the hydrocarbon-based electrolyte material is 2.1 meq / g or less, 2.01 meq / g or less, less than 2.01 meq / g, 1.75 meq / g or less, 1.5 meq / g or less. And each value below 1.1 meq / g can be arbitrarily adopted. Moreover, the lower limit of the ion exchange capacity can be arbitrarily selected from values of 0.75 meq / g or more and 1.0 meq / g or more in addition to 0.5 meq / g or more. The upper and lower limits of the ion exchange capacity can be independently selected and can be arbitrarily combined. Further, only the upper limit can be adopted from the viewpoint of improving the oxidation resistance.
イオン交換容量の測定は、炭化水素系電解質材料の試験試料についてイオン交換基をH型に置換した後、溶解後の質量を基準として、乾燥したH型に置換後の試験試料の質量が0.3%の濃度になるようにエタノールに溶解させ、指示薬としてフェノールフタレインを用い、溶液の赤色への変色が数秒間保持される点を終点として、0.05mol/L水酸化ナトリウム水溶液にて滴定した値に基づき下式に従い算出した値である。 The ion exchange capacity was measured by substituting the ion exchange group for the test sample of the hydrocarbon-based electrolyte material with the H type, and then the mass of the test sample after the replacement with the dry H type based on the mass after dissolution. Dissolve in ethanol to a concentration of 3%, use phenolphthalein as an indicator, and titrate with 0.05 mol / L sodium hydroxide aqueous solution at the point where the color change of the solution is kept for several seconds. It is a value calculated according to the following formula based on the obtained value.
(イオン交換容量)(meq/g)=(0.05×滴定量(ml))/(溶解させた試験試料の乾燥質量(g))
ヘテロポリ酸は、前述の炭化水素系電解質材料を基準として、10質量%以上300質量%未満の量を含有される。ヘテロポリ酸のポリ原子は遷移金属原子から選択されるが、特にW、Mo、Nb、V及びTaが好ましい例として挙げられる。特にタングステンが好ましい。これらのポリ原子はヘテロポリ酸中において、W6+、Mo6+、Nb5+、V5+、Ta5+などの形態で存在するものと考えられる。ヘテロ原子としてはP、Si、As、Ge、Bが例示される。特にケイ素が好ましい。ポリ原子としてタングステン、ヘテロ原子としてケイ素を採用した好ましいヘテロポリ酸としては、ケイタングステン酸:H4〔SiW12O40〕・nH2Oが例示される。その他にも本実施形態に適用できるヘテロポリ酸としては、リンタングステン酸:H3〔PW12O40〕・nH2O、リンモリブデン酸:H3〔PMo12O40〕・nH2O、リンモリブデン酸ナトリウム:Na3〔PMo12O40〕・nH2O、リンタングストモリブデン酸:H3〔PW12-XMoXO40〕・nH2O(0<x<12)、リンバナドモリブデン酸:H15-X〔PV12-XMoXO40〕・nH2O(6<x<12)、ケイモリブデン酸:H4〔SiMo12O40〕・nH2Oが例示できる。なお、以上に示したヘテロポリ酸における水和物の量を示すnの値はすべて30程度(n≒30)である。ヘテロ原子とポリ原子との間の原子数の比(ヘテロ原子/ポリ原子)は特に限定しないが、1/6、1/9、1/12、2/18などの原子数比が頻出する。
(Ion exchange capacity) (meq / g) = (0.05 × Titration volume (ml)) / (Dry mass of dissolved test sample (g))
The heteropolyacid is contained in an amount of 10% by mass or more and less than 300% by mass based on the aforementioned hydrocarbon electrolyte material. The poly atom of the heteropolyacid is selected from transition metal atoms, and W, Mo, Nb, V and Ta are particularly preferable examples. Tungsten is particularly preferable. These polyatoms are considered to exist in the form of W 6+ , Mo 6+ , Nb 5+ , V 5+ , Ta 5+, etc. in the heteropolyacid. Examples of the hetero atom include P, Si, As, Ge, and B. Silicon is particularly preferable. As a preferred heteropolyacid employing tungsten as a polyatom and silicon as a heteroatom, silicotungstic acid: H 4 [SiW 12 O 40 ] · nH 2 O is exemplified. Other heteropolyacids applicable to this embodiment include phosphotungstic acid: H 3 [PW 12 O 40 ] · nH 2 O, phosphomolybdic acid: H 3 [PMo 12 O 40 ] · nH 2 O, phosphomolybdenum. Sodium acid: Na 3 [PMo 12 O 40 ] · nH 2 O, Lintungsto molybdic acid: H 3 [PW 12-X Mo x O 40 ] · nH 2 O (0 <x <12), phosphovanadomolybdic acid: Examples thereof include H 15-X [PV 12-X Mo X O 40 ] · nH 2 O (6 <x <12), silicomolybdic acid: H 4 [SiMo 12 O 40 ] · nH 2 O. In addition, the value of n which shows the quantity of the hydrate in the heteropoly acid shown above is all about 30 (n≈30). The ratio of the number of atoms between the heteroatom and the polyatom (heteroatom / polyatom) is not particularly limited, but the number ratio of 1/6, 1/9, 1/12, 2/18, etc. frequently appears.
ヘテロポリ酸の含有量の上限は、炭化水素系電解質材料を基準として、300質量%未満の他、200質量%以下、150質量%以下及び100質量%以下の各値を任意に採用することができる。ヘテロポリ酸の含有量の下限は、炭化水素系電解質材料を基準として、10質量%以上の他、33質量%以上、33質量%超、50質量%以上及び75質量%以上の各値を任意に採用することができる。ヘテロポリ酸の含有量の上限及び下限は、それぞれ独立して選択可能であり任意に組み合わせることが可能である。 The upper limit of the content of the heteropolyacid may be arbitrarily selected from values of less than 300% by mass, 200% by mass or less, 150% by mass or less, and 100% by mass or less based on the hydrocarbon electrolyte material. . The lower limit of the content of the heteropolyacid is arbitrarily selected from 10 mass% or more, 33 mass% or more, more than 33 mass%, 50 mass% or more, and 75 mass% or more based on the hydrocarbon electrolyte material. Can be adopted. The upper limit and the lower limit of the content of the heteropolyacid can be independently selected and can be arbitrarily combined.
(電解質膜)
本実施形態の電解質膜は電解質材料と多孔質膜とを有する。電解質材料は前述した本実施形態の電解質材料をそのまま採用できるので、ここでの更なる説明は省略する。
(Electrolyte membrane)
The electrolyte membrane of this embodiment has an electrolyte material and a porous membrane. Since the electrolyte material of the present embodiment described above can be employed as it is as the electrolyte material, further explanation is omitted here.
多孔質膜は膜の表裏面を連通する多数の孔をもつ薄膜である。この孔内に電解質材料が含浸されている。多孔質膜の空孔率はプロトン伝導性の観点からは高いことが好ましい。また、膜の強度の観点からはある程度以下の値に制限することが好ましい。例えば、多孔質膜の空孔率は90%〜20%程度にすることが好ましく、70%〜40%程度にすることがより好ましい。 The porous film is a thin film having a large number of pores communicating with the front and back surfaces of the film. The pores are impregnated with an electrolyte material. The porosity of the porous membrane is preferably high from the viewpoint of proton conductivity. Further, from the viewpoint of the strength of the film, it is preferable to limit it to a value below to some extent. For example, the porosity of the porous membrane is preferably about 90% to 20%, and more preferably about 70% to 40%.
多孔質膜は有機、無機を問わず高分子材料から構成されることが好ましい。高分子材料としては燃料電池内の環境下で化学的及び物理的安定性の高い材料が望ましい。例えばエンジニアリングプラスチック(ポリイミド、フッ素樹脂など)、ポリオレフィン(ポリエチレン、ポリプロピレンなど)などの有機高分子材料、炭素材料(カーボンペーパー、多孔質カーボンなど)、セラミクス材料(ガラス、アルミナなど)を採用することができる。特に膜の強度に優れ且つ可撓性の高い有機高分子材料(ポリイミドなど)を採用することが好ましい。 The porous membrane is preferably composed of a polymer material regardless of organic or inorganic. As the polymer material, a material having high chemical and physical stability under the environment in the fuel cell is desirable. For example, organic polymer materials such as engineering plastics (polyimide, fluororesin, etc.), polyolefins (polyethylene, polypropylene, etc.), carbon materials (carbon paper, porous carbon, etc.), ceramic materials (glass, alumina, etc.) may be adopted. it can. In particular, it is preferable to employ an organic polymer material (such as polyimide) having excellent film strength and high flexibility.
これらの材料に孔を形成する方法としては常法が採用できる。例えば、孔のない膜を延伸する方法(高分子材料など)、繊維状にした後に不織布若しくは織布にする方法(高分子材料、炭素材料、セラミクス材料など)、溶解除去できる微粉末を混練などして分散させた後に製膜し微粉末を溶解除去する方法(高分子材料、炭素材料、セラミクス材料など)、機械的方法などが例示できる。 As a method for forming holes in these materials, conventional methods can be employed. For example, a method of stretching a film without pores (polymer material, etc.), a method of forming a non-woven fabric or woven fabric after making it into a fiber (polymer material, carbon material, ceramic material, etc.), kneading fine powder that can be dissolved and removed, etc. Examples thereof include a method of forming a film after dispersion and dissolving and removing fine powder (polymer material, carbon material, ceramic material, etc.), a mechanical method, and the like.
電解質材料は固体状の材料を採用することが好ましい。固体状の電解質材料を加熱により溶融した状態乃至は溶媒により溶解した状態にて多孔質膜中に浸透乃至は圧入することで孔内に含浸させ、その後、液状にした電解質材料は冷却乃至は乾燥により固体状に戻すことで安定した膜が形成できる。 The electrolyte material is preferably a solid material. The solid electrolyte material is impregnated into the pores by permeating or press-fitting into the porous membrane in a state melted by heating or dissolved in a solvent, and then the liquid electrolyte material is cooled or dried. Thus, a stable film can be formed by returning to a solid state.
(触媒ペースト及び膜電極接合体)
本実施形態の触媒ペーストは電解質材料と触媒とを有する。触媒ペーストは適正な溶媒などを含有させることが好ましい。本触媒ペーストを電解質膜や拡散層に塗布することで触媒層を形成できる。電解質材料は前述した本実施形態の電解質材料をそのまま採用できるので、ここでの更なる説明は省略する。触媒は、一般的に担持粉末に触媒を担持させた触媒担持粉末として使用される。触媒としては白金や白金に他の元素(ルテニウム、パラジウムなど)を合金化させた貴金属触媒などが使用される。担持粉末としてはカーボン粉末などが使用される。担持粉末としてカーボン粉末、触媒として白金を使用した白金担持カーボンが汎用される。白金担持カーボンの白金は他の元素と合金化されていても良く、また、他の元素と混合して用いることもできる。触媒は、担持粉末を使用せずに、触媒自身を粉末として使用しても良い。
(Catalyst paste and membrane electrode assembly)
The catalyst paste of this embodiment has an electrolyte material and a catalyst. The catalyst paste preferably contains an appropriate solvent. A catalyst layer can be formed by applying this catalyst paste to an electrolyte membrane or a diffusion layer. Since the electrolyte material of the present embodiment described above can be employed as it is as the electrolyte material, further explanation is omitted here. The catalyst is generally used as a catalyst-supported powder in which a catalyst is supported on a supported powder. As the catalyst, platinum or a noble metal catalyst obtained by alloying platinum with another element (ruthenium, palladium, etc.) is used. Carbon powder or the like is used as the support powder. Platinum-supported carbon using carbon powder as the support powder and platinum as the catalyst is widely used. Platinum of the platinum-supporting carbon may be alloyed with other elements, or may be used by mixing with other elements. The catalyst itself may be used as a powder without using the supported powder.
本実施形態の膜電極接合体は電解質膜と触媒層と拡散層とを有する。ここで、電解質膜は主に膜厚方向でのプロトン伝導性を示す部材であり、触媒層は酸化還元反応を触媒する部材であり、そして拡散層は燃料ガスや空気などの気体及び水分の透過性に優れ、電気及び熱の伝導性をも発揮できる部材である。拡散層は表面処理したカーボンペーパーなどから構成されるものが知られている。触媒層は電解質膜及び/又は拡散層の表面に触媒ペーストを塗布することで形成することができる。本膜電極接合体は、電解質膜に対して本実施形態の電解質膜を採用するか、及び/又は触媒層として本実施形態の触媒ペーストから形成される層を採用している。 The membrane electrode assembly of this embodiment has an electrolyte membrane, a catalyst layer, and a diffusion layer. Here, the electrolyte membrane is a member that mainly exhibits proton conductivity in the film thickness direction, the catalyst layer is a member that catalyzes the oxidation-reduction reaction, and the diffusion layer is permeable to gases such as fuel gas and air and moisture. It is a member that has excellent properties and can also exhibit electrical and thermal conductivity. The diffusion layer is known to be composed of surface-treated carbon paper or the like. The catalyst layer can be formed by applying a catalyst paste on the surface of the electrolyte membrane and / or the diffusion layer. The membrane electrode assembly employs the electrolyte membrane of the present embodiment relative to the electrolyte membrane and / or employs a layer formed from the catalyst paste of the present embodiment as the catalyst layer.
(燃料電池)
本実施形態の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池である。本実施形態の燃料電池としては燃料電池セルを単独で用いているか又は複数積層したスタックを形成しているものである。燃料電池セルは、前述の本実施形態の膜電極接合体を有し、その膜電極接合体をセパレータで狭持している。
(Fuel cell)
The fuel cell of this embodiment is a solid polymer electrolyte fuel cell. As the fuel cell of this embodiment, a fuel cell is used alone or a stack in which a plurality of layers are stacked is formed. The fuel cell has the membrane electrode assembly of the present embodiment described above, and the membrane electrode assembly is sandwiched between separators.
セパレータは一般的に使用されている材質、形態のものが使用できる。セパレータには燃料ガス又は酸化剤ガスが流れる流路が形成され、ガス供給装置が接続される。 The separator can be of a generally used material and form. A flow path through which the fuel gas or oxidant gas flows is formed in the separator, and a gas supply device is connected to the separator.
(試験例1)
(炭化水素系電解質材料の製造)
炭化水素系電解質材料の基材としてスチレン重合体を選択した。スチレン重合体の合成は、窒素雰囲気下、90℃に加熱したキシレン200mLに、過酸化ベンゾイル0.2gを溶解させたスチレン200mLを撹拌しながら3時間かけて滴下した後、90℃で1時間保持することで行った。その後、室温まで冷却した反応溶液を大量のメタノール中に滴下して生成したスチレン重合体を沈殿させた。沈殿物をろ取し、110℃で3時間乾燥させた。得られたスチレン重合体の分子量をGPCにて測定したところMwが124000であった。
(Test Example 1)
(Manufacture of hydrocarbon electrolyte materials)
A styrene polymer was selected as the base material for the hydrocarbon electrolyte material. The synthesis of the styrene polymer was carried out by adding dropwise 200 mL of styrene in which 0.2 g of benzoyl peroxide was dissolved in 200 mL of xylene heated to 90 ° C. in a nitrogen atmosphere over 3 hours, and then holding at 90 ° C. for 1 hour. It was done by doing. Thereafter, the reaction solution cooled to room temperature was dropped into a large amount of methanol to precipitate a produced styrene polymer. The precipitate was collected by filtration and dried at 110 ° C. for 3 hours. When the molecular weight of the obtained styrene polymer was measured by GPC, Mw was 124,000.
得られたスチレン重合体150gを1,2−ジクロロエタン500mL中に溶解した。この溶液を60℃に加熱し撹拌しながら表1の合成例1〜3に示す量のクロロスルホン酸を滴下して60℃で1時間保持した。ここで得られた合成例1〜3のクロロスルホン化スチレン重合体を1,2−ジクロロエタン、イオン交換水の順で洗浄後、イオン交換水中で1時間室温で放置することでイオン交換基を水素化した。その後、真空乾燥させて粉末状のスルホン化スチレン重合体(炭化水素系電解質材料に相当)を得た。得られた合成例1〜3のスルホン化スチレン重合体のイオン交換容量を表1に併せて示す。イオン交換容量は前述した実施形態の欄で説明した方法にて行った。 150 g of the obtained styrene polymer was dissolved in 500 mL of 1,2-dichloroethane. While the solution was heated to 60 ° C. and stirred, the amount of chlorosulfonic acid shown in Synthesis Examples 1 to 3 in Table 1 was added dropwise and held at 60 ° C. for 1 hour. The obtained chlorosulfonated styrene polymers of Synthesis Examples 1 to 3 were washed with 1,2-dichloroethane and then ion-exchanged water in that order, and then left in ion-exchanged water at room temperature for 1 hour to hydrogenate ion-exchange groups. Turned into. Thereafter, it was vacuum dried to obtain a powdered sulfonated styrene polymer (corresponding to a hydrocarbon electrolyte material). Table 1 also shows the ion exchange capacity of the sulfonated styrene polymers of Synthesis Examples 1 to 3 obtained. The ion exchange capacity was performed by the method described in the section of the embodiment described above.
(電解質膜の製造)
合成例1〜3の炭化水素系電解質材料を10質量%の濃度で溶解した水/エタノール(1/1)溶液に対して、表2に示す割合になるようにケイタングステン酸を添加し撹拌混合して実施例1〜4及び比較例1〜5の電解質材料を含む溶液を得た。各実施例及び比較例の電解質材料を含む溶液を膜厚40μm、空孔率60%の多孔質ポリイミド膜に含浸させた後、90℃で1時間乾燥させた。更に真空乾燥を行い各実施例及び比較例の電解質膜を得た。得られた電解質膜の性状を表2に併せて示す。プロトン伝導性は交流インピーダンス法にて測定した。
(Manufacture of electrolyte membrane)
To the water / ethanol (1/1) solution in which the hydrocarbon-based electrolyte materials of Synthesis Examples 1 to 3 are dissolved at a concentration of 10% by mass, silicotungstic acid is added to the ratio shown in Table 2 and stirred and mixed. And the solution containing the electrolyte material of Examples 1-4 and Comparative Examples 1-5 was obtained. After impregnating a porous polyimide film having a film thickness of 40 μm and a porosity of 60% with a solution containing the electrolyte material of each Example and Comparative Example, it was dried at 90 ° C. for 1 hour. Furthermore, it vacuum-dried and obtained the electrolyte membrane of each Example and the comparative example. The properties of the obtained electrolyte membrane are also shown in Table 2. Proton conductivity was measured by the AC impedance method.
(耐酸化性の評価)
実施例1〜4及び比較例1〜5の電解質膜について、フェントン試験により耐酸化性を評価した。フェントン試験は、2ppmのFe2+及び3%の過酸化水素を含む水溶液を60℃に保持し、その中に電解質膜を浸漬した場合の質量変化を測定することで行った。ここで、耐酸化性が高い材料ほど、フェントン試験における質量変化が小さくなる。
(Evaluation of oxidation resistance)
About the electrolyte membrane of Examples 1-4 and Comparative Examples 1-5, oxidation resistance was evaluated by the Fenton test. The Fenton test was carried out by maintaining an aqueous solution containing 2 ppm of Fe 2+ and 3% hydrogen peroxide at 60 ° C., and measuring the mass change when the electrolyte membrane was immersed therein. Here, the higher the oxidation resistance, the smaller the mass change in the Fenton test.
結果を図1(合成例2:イオン交換容量2.01meq/g)、図2(合成例3:イオン交換容量1.09meq/g)及び図3(合成例1〜3の炭化水素系電解質材料単独)に示す。図1及び2より明らかなように、ヘテロポリ酸(ケイタングステン酸)の添加量には適正範囲があることが明らかになった。つまり、炭化水素系電解質材料基準にして、ヘテロポリ酸の添加量を33.3質量%以上、300質量%以下の範囲内にすることで得られた電解質膜の耐酸化性及びプロトン伝導性を高くすることができた。特に添加量が100質量%近傍(50〜140質量%)で好ましい性状を示した。また、図3より明らかなように、炭化水素系電解質材料は、イオン交換容量が小さくなるにつれて耐酸化性が向上することが判った。 The results are shown in FIG. 1 (Synthesis Example 2: ion exchange capacity 2.01 meq / g), FIG. 2 (Synthesis Example 3: ion exchange capacity 1.09 meq / g), and FIG. 3 (hydrocarbon electrolyte materials of Synthesis Examples 1 to 3). Independently). As is clear from FIGS. 1 and 2, it was found that there is an appropriate range for the addition amount of heteropolyacid (silicotungstic acid). That is, the oxidation resistance and proton conductivity of the electrolyte membrane obtained by setting the addition amount of the heteropolyacid within the range of 33.3 mass% or more and 300 mass% or less based on the hydrocarbon-based electrolyte material is high. We were able to. In particular, preferable properties were exhibited when the addition amount was around 100% by mass (50 to 140% by mass). Further, as is clear from FIG. 3, it was found that the hydrocarbon-based electrolyte material improved in oxidation resistance as the ion exchange capacity was reduced.
(触媒ペーストの製造)
合成例1〜3の炭化水素系電解質材料を10質量%の濃度で溶解した水/エタノール(1/1)溶液に対して、表2に示す割合になるようにヘテロポリ酸を混合した溶液50gに対して触媒としての白金を含む白金担持カーボン(白金担持量50質量%)20gを加えてスラリー状にする。その後、イオン交換水60g及びエタノール60gを加えて白金担持カーボンの粒径が1.0μm以下になるまで混合分散する。最終的な混合分散は高速ホモジナイザーにて行い、各実施例及び比較例の触媒ペーストを得た。
(Manufacture of catalyst paste)
50 g of a solution in which a heteropoly acid is mixed so as to have a ratio shown in Table 2 with respect to a water / ethanol (1/1) solution in which the hydrocarbon-based electrolyte materials of Synthesis Examples 1 to 3 are dissolved at a concentration of 10% by mass. On the other hand, 20 g of platinum-supported carbon containing platinum as a catalyst (platinum supported
(膜電極接合体の製造)
各実施例及び比較例の触媒ペーストを、ガス拡散基材(拡散層)になる撥水処理したカーボンペーパー(厚み180μm、気孔率65%)に白金担持量が1mg/cm2になるようにバーコータにより塗工した。塗工後、80℃で30分間加熱乾燥を行い触媒層を形成した電極を得た。対応する各実施例及び比較例の電解質膜を触媒層側で接する向きにそれぞれ配した2枚の電極にて挟持した後、170℃、8MPaで3分間ホットプレスして接合し、各実施例及び比較例の膜電極接合体を得た。
(Manufacture of membrane electrode assembly)
A bar coater so that the amount of platinum supported is 1 mg / cm 2 on carbon paper (thickness 180 μm, porosity 65%) subjected to water repellent treatment as a gas diffusion base material (diffusion layer) from the catalyst paste of each example and comparative example. It was coated by. After coating, heating and drying were performed at 80 ° C. for 30 minutes to obtain an electrode having a catalyst layer formed thereon. After sandwiching the electrolyte membranes of the corresponding examples and comparative examples by two electrodes respectively arranged in the direction of contact on the catalyst layer side, they were hot-pressed at 170 ° C. and 8 MPa for 3 minutes to be joined. A membrane electrode assembly of a comparative example was obtained.
(電池性能の評価)
実施例1〜4及び比較例1〜5の膜電極接合体を燃料電池評価用単セルに組み込んで評価した。評価は電流密度変化させた場合の出力電圧の変化を測定した。燃料電池評価用単セルの評価(運転)条件は電極面積9cm2、セル内温度75℃、供給するガスは、アノード側が90%の利用率に相当する純水素、カソード側が40%の利用率に相当する空気とした。ガスに対する加湿量はそれぞれのガス1モルに対するモル比で0.2molの水を用いた。
(Evaluation of battery performance)
The membrane electrode assemblies of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 5 were incorporated into a single cell for fuel cell evaluation and evaluated. Evaluation was made by measuring the change in output voltage when the current density was changed. The evaluation (operation) conditions of the single cell for fuel cell evaluation are electrode area 9 cm 2 , cell internal temperature 75 ° C., supplied gas is pure hydrogen corresponding to 90% utilization on the anode side, and 40% utilization on the cathode side. The corresponding air. As the humidification amount for the gas, 0.2 mol of water was used in a molar ratio with respect to 1 mol of each gas.
結果を図4(合成例2:イオン交換容量2.01meq/g)及び図5(合成例3:イオン交換容量1.09meq/g)に示す。図4及び5より明らかなように、ケイタングステン酸の添加量には適正範囲があることが明らかになった。つまり、炭化水素系電解質材料基準にして、ヘテロポリ酸の添加量を33.3質量%以上、300質量%未満の範囲内にすることで得られた燃料電池の電池特性を向上することができた。特に添加量が100質量%近傍(50〜140質量%)で好ましい性状を示した。 The results are shown in FIG. 4 (Synthesis Example 2: ion exchange capacity 2.01 meq / g) and FIG. 5 (Synthesis Example 3: ion exchange capacity 1.09 meq / g). As is clear from FIGS. 4 and 5, it was revealed that there is an appropriate range for the addition amount of silicotungstic acid. That is, the cell characteristics of the fuel cell obtained by adding the amount of the heteropolyacid within the range of 33.3 mass% or more and less than 300 mass% based on the hydrocarbon electrolyte material could be improved. . In particular, preferable properties were exhibited when the addition amount was around 100% by mass (50 to 140% by mass).
(試験例2)
(炭化水素電解質溶液の製造)
試験例1で示した、合成例2の炭化水素系電解質材料を10質量%の濃度で溶解した水/エタノール(1/1)溶液について、比較例6の電解質溶液とした。
(Test Example 2)
(Manufacture of hydrocarbon electrolyte solution)
The water / ethanol (1/1) solution in which the hydrocarbon-based electrolyte material of Synthesis Example 2 shown in Test Example 1 was dissolved at a concentration of 10% by mass was used as the electrolyte solution of Comparative Example 6.
この比較例6の電解質溶液50gに20w/w%でケイタングステン酸を含有する溶液(水/エタノール=1/1)を25g混合撹拌し、実施例5の電解質溶液を得た。 25 g of a solution containing 20 g / w% of silicotungstic acid (water / ethanol = 1/1) was mixed and stirred in 50 g of the electrolyte solution of Comparative Example 6 to obtain the electrolyte solution of Example 5.
また、比較例6の電解質溶液50gに20w/w%でリンモリブデン酸を含有する溶液(水/エタノール=1/1)を25g混合撹拌し、実施例6の電解質溶液を得た。 Further, 25 g of a solution (water / ethanol = 1/1) containing phosphomolybdic acid at 20 w / w% was mixed and stirred in 50 g of the electrolyte solution of Comparative Example 6 to obtain the electrolyte solution of Example 6.
(触媒ペーストの製造)
実施例5及び6の電解質溶液それぞれ75g、並びに、比較例6の電解質溶液50gに対して、触媒としての白金を含む白金担持カーボン(白金担持量50質量%)20gを加えてスラリー状にした。その後、イオン交換水60g及びエタノール60gを加えて白金担持カーボンの粒径が1.0μm以下になるまで混合分散する。最終的な混合分散は高速ホモジナイザーにて行い、実施例5及び6並びに比較例6の触媒ペーストを得た。
(Manufacture of catalyst paste)
20 g of platinum-supported carbon containing platinum as a catalyst (platinum supported
(膜電極接合体の製造)
実施例5及び6並びに比較例6の触媒ペーストを、ガス拡散基材(拡散層)になる撥水処理したカーボンペーパー(厚み180μm、気孔率65%)に白金担持量が1mg/cm2になるようにバーコータにより塗工した。塗工後、80℃で30分間加熱乾燥を行い触媒層を形成した電極を得た。市販の電解質膜(ナフィオン112:デュポン株式会社製)対応する各実施例及び比較例の電解質膜を触媒層側で接する向きにそれぞれ配した2枚の電極にて挟持した後、140℃、10MPaで3分間ホットプレスして接合し、各実施例及び比較例の膜電極接合体を得た。
(Manufacture of membrane electrode assembly)
The amount of platinum supported on the carbon paste (thickness 180 μm, porosity 65%) treated with the catalyst pastes of Examples 5 and 6 and Comparative Example 6 as a gas diffusion base material (diffusion layer) becomes 1 mg / cm 2 . As shown in FIG. After coating, heating and drying were performed at 80 ° C. for 30 minutes to obtain an electrode having a catalyst layer formed thereon. A commercially available electrolyte membrane (Nafion 112: manufactured by DuPont Co., Ltd.) After sandwiching the electrolyte membranes of the corresponding Examples and Comparative Examples by two electrodes respectively arranged in contact directions on the catalyst layer side, 140 ° C. and 10 MPa The membrane electrode assembly of each Example and the comparative example was obtained by hot-pressing for 3 minutes and joining.
(電池性能の評価)
実施例5及び6並びに比較例6の膜電極接合体を燃料電池評価用単セルに組み込んで評価した。評価は、電流密度が0.26A/cm2で、アノード側に流すガス中に含まれる一酸化炭素濃度を10〜250ppmで変化させた際の単セルの出力電圧の変化を測定した。燃料電池評価用単セルの評価(運転)条件は電極面積9cm2、セル内温度75℃、供給するガスは、アノード側ガスとして、水素76%、窒素4%、二酸化炭素19%及びメタン1%とし、一酸化炭素を10〜250ppmの範囲で添加した組成のガスを用い、水素の利用率が90%に相当する量を流通させた。カソード側のガスは40%の利用率に相当する空気とした。ガスに対する加湿量はそれぞれのガス1モルに対するモル比で0.2molの水を用いた。結果を表3及び図6に示す。
(Evaluation of battery performance)
The membrane electrode assemblies of Examples 5 and 6 and Comparative Example 6 were incorporated into a single cell for fuel cell evaluation and evaluated. In the evaluation, the change in the output voltage of the single cell was measured when the current density was 0.26 A / cm 2 and the concentration of carbon monoxide contained in the gas flowing to the anode side was changed from 10 to 250 ppm. Evaluation (operation) conditions of a single cell for fuel cell evaluation are electrode area 9 cm 2 , cell temperature 75 ° C., supplied gas is 76% hydrogen, 4% nitrogen, 19% carbon dioxide and 1% methane as anode side gas. Then, a gas having a composition in which carbon monoxide was added in the range of 10 to 250 ppm was used, and an amount corresponding to a hydrogen utilization rate of 90% was circulated. The cathode side gas was air corresponding to a utilization rate of 40%. As the humidification amount for the gas, 0.2 mol of water was used in a molar ratio with respect to 1 mol of each gas. The results are shown in Table 3 and FIG.
表3及び図6より明らかなように、ヘテロポリ酸を電解質及び電極触媒に含有する実施例5及び6の燃料電池はヘテロポリ酸を含有しない比較例6の燃料電池よりも一酸化炭素の影響を受けがたいことが明らかになった。例えば、比較例6の燃料電池は、一酸化炭素濃度が増加していき、250ppmに達するところでセルの電圧が0.577Vにまで低下しているが、実施例5及び6の燃料電池では一酸化炭素濃度が250ppmのときでも0.608V(実施例5)、0.579V(実施例6)と電圧低下が小さくなっている。この傾向は一酸化炭素濃度が100ppm以上で顕著である。また、初期電圧の値は実施例5及び6の燃料電池と比較例6の燃料電池とで大差なく、ヘテロポリ酸は燃料電池への悪影響が無いか非常に少ないことが判った。 As is apparent from Table 3 and FIG. 6, the fuel cells of Examples 5 and 6 containing the heteropolyacid in the electrolyte and the electrode catalyst are more affected by carbon monoxide than the fuel cell of Comparative Example 6 containing no heteropolyacid. It became clear that it was difficult. For example, in the fuel cell of Comparative Example 6, the concentration of carbon monoxide increased and the cell voltage decreased to 0.577 V when the concentration reached 250 ppm, but in the fuel cells of Examples 5 and 6, the monoxide was oxidized. Even when the carbon concentration is 250 ppm, the voltage drop is as small as 0.608 V (Example 5) and 0.579 V (Example 6). This tendency is remarkable when the carbon monoxide concentration is 100 ppm or more. In addition, the value of the initial voltage was not significantly different between the fuel cells of Examples 5 and 6 and the fuel cell of Comparative Example 6, and it was found that the heteropolyacid had no adverse effect on the fuel cell or very little.
Claims (7)
前記炭化水素系電解質材料を基準として10質量%以上300質量%未満の量のヘテロポリ酸とを含有することを特徴とする電解質材料。 A hydrocarbon electrolyte material having an ion exchange capacity of 0.5 meq / g or more and 2.1 meq / g or less;
An electrolyte material comprising a heteropolyacid in an amount of 10% by mass or more and less than 300% by mass based on the hydrocarbon electrolyte material.
前記電解質材料を含浸する多孔質膜とを有することを特徴とする電解質膜。 The electrolyte material according to claim 1 or 2,
An electrolyte membrane comprising a porous membrane impregnated with the electrolyte material.
前記電解質膜が請求項3又は4に記載の電解質膜であること及び/又は前記触媒層が請求項5の触媒ペーストから形成される層であることを特徴とする膜電極接合体。 A membrane electrode assembly for a fuel cell, comprising an electrolyte membrane, a catalyst layer laminated on both sides of the electrolyte membrane, and a diffusion layer laminated on the catalyst layer opposite to the electrolyte membrane,
A membrane electrode assembly, wherein the electrolyte membrane is the electrolyte membrane according to claim 3 or 4 and / or the catalyst layer is a layer formed from the catalyst paste according to claim 5.
A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 6.
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