JP5110835B2 - Catalyst electrode for fuel cell, membrane / electrode assembly using the same, and fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、車載用、家庭据え置き用、あるいは携帯機器用のバッテリーとして有用な、燃料電池用触媒電極、それを用いた膜・電極接合体、及び燃料電池に関する。 The present invention relates to a catalyst electrode for a fuel cell, a membrane / electrode assembly using the catalyst electrode, and a fuel cell, which are useful as a battery for in-vehicle use, household use or portable equipment.
水素と酸素を使用する燃料電池は、その反応生成物が原理的に水のみであり、環境への悪影響がほとんどない発電システムとして注目されている。近年、燃料電池のなかでも、水素イオン伝導性を有するイオン交換膜を電解質として使用する固体高分子型燃料電池は、作動温度が低く、出力密度が高く、かつ、小型化が容易に可能なため、車載用電源や家庭据置用電源などへの使用が有望視されている。 A fuel cell using hydrogen and oxygen has been attracting attention as a power generation system in which the reaction product is in principle only water and has almost no adverse effects on the environment. In recent years, a polymer electrolyte fuel cell using an ion exchange membrane having hydrogen ion conductivity as an electrolyte among fuel cells has a low operating temperature, a high output density, and can be easily downsized. It is expected to be used for in-vehicle power sources and household stationary power sources.
図7は固体高分子型燃料電池の単セルの構成例を示す分解斜視図である。固体高分子型燃料電池は、単セル60が多数積層されて構成されている。単セル60は、アノード側のセパレータ61、アノード側触媒電極62、水素イオンを伝導する固体高分子電解質膜63、カソード側の触媒電極64、及びカソード側のセパレータ65を、この順に積層して構成されている。アノード側の触媒電極62は、電極基材62aと、電極基材62aの表面に積層された触媒層62bとで構成されており、カソード側の触媒電極64は電極基材64aと、電極基材64aの表面に積層された触媒層64bとで構成されている。アノード側電極基材62aとカソード側電極基材64aとは、いずれも、ガス拡散能力と、電子導電性と、機械的強度とを有する部材から構成されており、例えば、カーボンペーパーあるいはカーボンクロス等が利用されている。また、アノード側触媒層62bとカソード側触媒層64bは、白金族触媒を担持したカーボン微粒子や多孔質活性炭で構成されており、水素イオンを伝導する固体高分子電解質膜63の上下面にそれぞれ接続されている。
アノード側のセパレータ61には反応ガス流路61aが設けられており水素ガスを供給する。他方、カソード側のセパレータ65には反応ガス流路65aが設けられており酸素ガスを供給する。水素ガスはアノード側触媒層62bの白金族触媒の触媒作用により水素イオンと電子に分解し(アノード電極反応)、水素イオンは固体高分子電解質膜63を伝導して、また、電子は負荷回路を含む外部電気回路を伝導してカソード側触媒層64bに到る。カソード側電極触媒層64bの白金族触媒の触媒作用により酸素と水素イオンと電子とが反応して水を生じ(カソード電極反応)、この際、アノード側触媒電極62とカソード側の触媒電極64間に流れる電子流によって電力が生成される。
FIG. 7 is an exploded perspective view showing a configuration example of a single cell of the polymer electrolyte fuel cell. The polymer electrolyte fuel cell is configured by stacking a large number of
The anode-side separator 61 is provided with a reaction gas channel 61a to supply hydrogen gas. On the other hand, the cathode-side separator 65 is provided with a reaction gas channel 65a for supplying oxygen gas. The hydrogen gas is decomposed into hydrogen ions and electrons by the catalytic action of the platinum group catalyst of the anode side catalyst layer 62b (anode electrode reaction), the hydrogen ions are conducted through the solid
アノードに供給する水素ガスとしては、メタンやメタノール等を水蒸気改質して得られる改質ガスを使用することも可能である。例えば、メタノールを使用する場合、250〜300℃の温度でCu-Zn系等の触媒を使用して、下記(1)、(2)式のようにメタノールを段階的に反応させる。
CH3OH=2H2+CO-90kJ/mol (1)
CO+H2O=H2+CO2+40kJ/mol (2)
すなわち、改質装置でメタノールを水素と一酸化炭素(CO)に分解すると共に、生成したCOを水蒸気と反応させて、水素ガスと二酸化炭素(CO2)からなる改質ガスを生成し、この改質ガスをアノードに燃料ガスとして供給する。
As the hydrogen gas supplied to the anode, it is also possible to use a reformed gas obtained by steam reforming methane, methanol or the like. For example, when methanol is used, methanol is reacted stepwise as shown in the following formulas (1) and (2) using a catalyst such as a Cu—Zn system at a temperature of 250 to 300 ° C.
CH 3 OH = 2H 2 + CO-90 kJ / mol (1)
CO + H 2 O = H 2 + CO 2 +40 kJ / mol (2)
That is, methanol is decomposed into hydrogen and carbon monoxide (CO) in a reformer, and the produced CO is reacted with water vapor to produce a reformed gas composed of hydrogen gas and carbon dioxide (CO 2 ). The reformed gas is supplied to the anode as a fuel gas.
燃料電池の発電能力を高くするには、触媒層の単位表面積当たりの電極反応速度を大きくすることが必要である。すなわち、触媒層は、十分なガスが拡散できること、ガスに接触する触媒表面積が大きく、触媒反応速度が大きいことが必要である。また、触媒層は、電子が伝導できること、及び、生成した水素イオンが容易に高分子電解質膜に取り込まれるために、あるいは、固体高分子電解質膜中の水素イオンを容易に取り込めるために、厚さが一定値以下であることが必要である。
また、白金族元素の埋蔵量は限られており、燃料電池を低コストで供給するためには、白金族触媒にかわる低コストの触媒を用いることが好ましい。
In order to increase the power generation capacity of the fuel cell, it is necessary to increase the electrode reaction rate per unit surface area of the catalyst layer. That is, the catalyst layer needs to be able to diffuse a sufficient gas, have a large catalyst surface area in contact with the gas, and have a high catalyst reaction rate. In addition, the catalyst layer has a thickness that allows electrons to conduct, and that the generated hydrogen ions are easily taken into the polymer electrolyte membrane, or that the hydrogen ions in the solid polymer electrolyte membrane can be easily taken in. Must be below a certain value.
In addition, the reserves of platinum group elements are limited, and in order to supply fuel cells at low cost, it is preferable to use a low-cost catalyst instead of the platinum group catalyst.
従来、燃料電池の触媒層として、カーボンブラック等の導電性球状のカーボン粒子を触媒担体とするものがある。この触媒層は、蒸着法、含浸法、無電界メッキ法、あるいはアルコール還元法等により白金族元素をカーボン粒子の表面に担持させ、このカーボン粒子を積層して触媒層としている。積層したカーボン粒子間の空隙を介してガスが拡散し、このガスがカーボン粒子の表面に担持された白金族触媒に接触して触媒反応が生じる。
また、従来、上記のカーボン粒子の替わりに活性炭を使用した触媒層がある。活性炭は微細な細孔を有しているので、これらの細孔を介してガスを拡散させることができる。
Conventionally, as a catalyst layer of a fuel cell, there is a layer using conductive spherical carbon particles such as carbon black as a catalyst carrier. In this catalyst layer, a platinum group element is supported on the surface of carbon particles by vapor deposition, impregnation, electroless plating, alcohol reduction, or the like, and the carbon particles are laminated to form a catalyst layer. Gas diffuses through voids between the laminated carbon particles, and this gas comes into contact with the platinum group catalyst supported on the surface of the carbon particles to cause a catalytic reaction.
Conventionally, there is a catalyst layer using activated carbon instead of the carbon particles. Since activated carbon has fine pores, gas can be diffused through these pores.
また、近年、アーク放電法や化学気相成長法でカーボンナノチューブ粉末を合成し、この粉末に白金族触媒を担持し、この粉末を電極基体に積層する燃料電池用触媒層(特許文献1参照)が知られている。カーボンナノチューブは電子導電性を有しており、また、ナノサイズの細長い形状を有するので、比表面積が極めて大きく、触媒担体として用いれば、触媒層の触媒表面積を大きくでき、また、カーボンナノチューブに担持した白金族触媒の粒径はカーボンナノチューブの径に比例したナノサイズになるので白金族触媒の単位量あたりの触媒反応速度も大きくなり、白金族触媒の使用量を低減できる。
しかしながら、上記の燃料電池用触媒層はいずれも、高コストな白金族触媒を用いるので、燃料電池のコストが高いという課題がある。
本発明者らは、ダイヤモンド微粒子と、このダイヤモンド微粒子に一端が固定された複数のナノ炭素材料とからなるナノ炭素複合材料が、水素を水素イオンと電子に分解する触媒作用(アノード電極反応)、及び、酸素と水素イオンと電子とが反応して水を生じる触媒作用(カソード電極反応)を有すること見出し、本発明に到った。
However, since all of the above fuel cell catalyst layers use a high-cost platinum group catalyst, there is a problem that the cost of the fuel cell is high.
The inventors have a catalytic action (anode electrode reaction) in which a nanocarbon composite material composed of diamond fine particles and a plurality of nanocarbon materials having one end fixed to the diamond fine particles decomposes hydrogen into hydrogen ions and electrons, And it discovered that it had a catalytic action (cathode electrode reaction) which oxygen, a hydrogen ion, and an electron react and produce water, and it came to this invention.
上記課題に鑑み本発明は、白金族触媒を用いない、燃料電池用触媒電極、それを用いた膜・電極接合体、及び燃料電池を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a catalyst electrode for a fuel cell that does not use a platinum group catalyst, a membrane / electrode assembly using the catalyst electrode, and a fuel cell.
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池用触媒電極は、電極基材と電極基材面に積層した触媒層とからなる燃料電池用触媒電極において、ダイヤモンド微粒子と、このダイヤモンド微粒子に一端が固定された複数のナノ炭素材料とからなるナノ炭素複合材料を触媒として用いることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a catalyst electrode for a fuel cell according to the present invention is a catalyst electrode for a fuel cell comprising an electrode substrate and a catalyst layer laminated on the electrode substrate surface. A nanocarbon composite material comprising a plurality of nanocarbon materials to which is fixed is used as a catalyst.
この構成によれば、ダイヤモンド微粒子と、このダイヤモンド微粒子に一端が固定された複数のナノ炭素材料とからなるナノ炭素複合材料が、水素を水素イオンと電子に分解する触媒作用、及び、酸素と水素イオンと電子とが反応して水を生じる触媒作用とを有するので、燃料電池用触媒電極として用いることができる。 According to this configuration, a nanocarbon composite material composed of diamond fine particles and a plurality of nanocarbon materials fixed at one end to the diamond fine particles has a catalytic action for decomposing hydrogen into hydrogen ions and electrons, and oxygen and hydrogen. Since it has a catalytic action in which ions and electrons react to generate water, it can be used as a fuel cell catalyst electrode.
また、上記のナノ炭素材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノフィラメント、カーボンナノファイバー、又は、カーボンナノコイルのいずれでもよく、また、それらの組み合わせでもよい。 The nanocarbon material may be any one of carbon nanotubes, carbon nanofilaments, carbon nanofibers, or carbon nanocoils, or a combination thereof.
また、上記ナノ炭素複合材料は、複数のナノ炭素材料がダイヤモンド微粒子を核として球状に固定されたマリモ状カーボンであれば好ましい。この構成によれば、多数のナノ炭素材料が三次元方向に均一に存在しているので、マリモ状カーボンを用いた触媒層は、触媒層全体にわたって、ガス拡散能力及び触媒反応速度が均一であり、従って発電能力をさらに向上できる。 The nanocarbon composite material is preferably marimo-like carbon in which a plurality of nanocarbon materials are fixed in a spherical shape with diamond fine particles as nuclei. According to this configuration, since a large number of nanocarbon materials exist uniformly in the three-dimensional direction, the catalyst layer using marimo-like carbon has a uniform gas diffusion capacity and catalytic reaction rate throughout the catalyst layer. Therefore, the power generation capacity can be further improved.
また、上記のナノ炭素複合材料は、遷移金属微粒子を担持したダイヤモンド微粒子を、炭化水素ガス中で加熱して合成すれば好ましい。
また上記のナノ炭素複合材料であるマリモ状カーボンは、遷移金属微粒子を担持したダイヤモンド微粒子を、炭化水素ガス中で浮遊且つ攪拌すると共に加熱して合成すれば好ましい。
The nanocarbon composite material is preferably synthesized by heating diamond fine particles carrying transition metal fine particles in a hydrocarbon gas.
The marimo-like carbon, which is the above-mentioned nanocarbon composite material, is preferably synthesized by suspending and stirring diamond fine particles carrying transition metal fine particles in a hydrocarbon gas and heating them.
また、本発明の燃料電池用膜・電極接合体は、上記の燃料電池用触媒電極と、燃料電池用触媒電極に接合した水素イオン導電性高分子電解質膜とからなることを特徴とする。
この構成の燃料電池用膜・電極接合体を、アノード側電極、カソード側電極、又はその両方に用いることによって、低コストな燃料電池を実現できる。
The fuel cell membrane / electrode assembly of the present invention comprises the above fuel cell catalyst electrode and a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane joined to the fuel cell catalyst electrode.
By using the fuel cell membrane / electrode assembly having this configuration for the anode side electrode, the cathode side electrode, or both, a low-cost fuel cell can be realized.
また、本発明の燃料電池は、上記の燃料電池用触媒電極をアノード側電極に、カソード側電極に、又はその両方に用いたことを特徴としており、低コストな燃料電池である。 The fuel cell of the present invention is a low-cost fuel cell characterized in that the above-described fuel cell catalyst electrode is used for the anode side electrode, the cathode side electrode, or both.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図を用いて詳細に説明する。尚、同一の部材には同一の符号を用いて説明する。
初めに、本発明の燃料電池用触媒電極を説明する。
図1は、本発明の燃料電池用触媒電極の構成を示す図であり、(a)図は燃料電池用触媒電極の模式断面図であり、(b)図はナノ炭素複合材料を模式的に示す図である。
(a)図に示すように、本発明の燃料電池用触媒電極1は、電極基材2と電極基材2の表面に積層した触媒層3とからなる。触媒層3は、ナノ炭素複合材料4が積層されて構成される。電極基材2は、ガス拡散性と、電子導電性と、機械的強度とを有する部材であればよく、例えば、カーボンペーパーあるいはカーボンクロスである。
(b)図に示すように、ナノ炭素複合材料4は、ダイヤモンド微粒子6から複数のナノ炭素材料7が一端を固定されて成長した構成である。ナノ炭素材料7の種類は、カーボンナノチューブ、カーボンナノフィラメント、カーボンナノファイバー、又は、カーボンナノコイルのいずれでもよく、また、その組み合わせでもよい。下記に説明するようにナノ炭素複合材料4を合成する際の触媒の種類によって選択できる。尚、図では表示を省略しているが、ナノ炭素複合材料4を互いに結合しておくための少量のバインダーが存在していてもよい。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same member is demonstrated using the same code | symbol.
First, the catalyst electrode for a fuel cell of the present invention will be described.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell catalyst electrode of the present invention, (a) a schematic cross-sectional view of a fuel cell catalyst electrode, and (b) a schematic view of a nanocarbon composite material. FIG.
(A) As shown to a figure, the
(B) As shown in the figure, the
図2は、本発明の燃料電池用触媒電極の他の構成を示す図であり、(a)図は燃料電池用触媒電極の模式断面図であり、(b)図はナノ炭素複合材料の一つであるマリモ状カーボンを模式的に示す図である。
(a)図に示すように、本発明の燃料電池用触媒電極8は、電極基材2と電極基材2の表面に積層した触媒層9とからなる。触媒層9は、マリモ状カーボン10が積層されて構成される。尚、マリモ状カーボンとはナノ炭素複合材料の一種類であり、複数のナノ炭素材料がダイヤモンド微粒子を核として球状に成長しており、植物の毬藻と類似した構造を有していることからこのように呼ぶ(特許文献2参照)。電極基材2は、ガス拡散性と、電子導電性と、機械的強度とを有する部材であればよく、例えば、カーボンペーパーあるいはカーボンクロスである。
(b)図に示すように、マリモ状カーボン10は、ダイヤモンド微粒子6から、複数のナノ炭素材料7がダイヤモンド微粒子を核として球状に成長した構成である。ナノ炭素材料7の種類は、カーボンナノチューブ、カーボンナノフィラメント、カーボンナノファイバー、又は、カーボンナノコイルのいずれでもよく、また、その組み合わせでもよい。下記に説明するようにマリモ状カーボンを合成する際の触媒の種類によって選択できる。尚、図では表示を省略しているが、マリモ状カーボン10を互いに結合しておくための少量のバインダーが存在していてもよい。マリモ状カーボン10を用いた触媒層9は、触媒層9全体にわたって、ガス拡散能力及び触媒反応速度が均一であり、発電能力をさらに向上できる。
FIG. 2 is a view showing another configuration of the catalyst electrode for a fuel cell of the present invention, (a) is a schematic cross-sectional view of the catalyst electrode for fuel cell, and (b) is one of the nanocarbon composite materials. It is a figure which shows the marimo-like carbon which is one.
(A) As shown to a figure, the
(B) As shown in the figure, the marimo-
次に、本発明の燃料電池用膜・電極接合体を説明する。
図3は、本発明の燃料電池用膜・電極接合体の構成を示す模式断面図である。尚、図においては、触媒層のナノ炭素複合材料が図2に示したマリモ状カーボンである場合を示しているが、図1に示したナノ炭素複合材料についても同様である。
(a)図に示すように、本発明の燃料電池用膜・電極接合体21は、図2に示した本発明の燃料電池用触媒電極8と、燃料電池用触媒電極8に接合した水素イオン伝導性固体電解質膜22とからなる。水素イオン伝導性固体電解質膜22は例えば、ナフィオン膜(デュポン社製、登録商標)であれば好ましい。燃料電池用膜・電極接合体21はアノード側のみに用いてもよく、また、カソード側のみに用いてもよく、また、(b)図に示すように、水素イオン伝導性固体電解質膜22の両面にそれぞれ、触媒層9を接合し、それぞれの触媒層9にそれぞれ、電極基材2を接合し、アノード側及びカソード側の両方に用いる構成の燃料電池用膜・電極接合体23であってもよい。
Next, the membrane / electrode assembly for a fuel cell of the present invention will be described.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the fuel cell membrane-electrode assembly of the present invention. In the drawing, the nanocarbon composite material of the catalyst layer is the marimo-like carbon shown in FIG. 2, but the same applies to the nanocarbon composite material shown in FIG.
(A) As shown in the figure, the fuel cell membrane /
次に、本発明の燃料電池用触媒電極を用いた燃料電池を説明する。
図4は、本発明の燃料電池の単セルの構成を示す模式断面図であり、(a)図は本発明の燃料電池用触媒電極8をアノード側に用いた本発明の燃料電池の単セル31、(b)図は本発明の燃料電池用触媒電極8をカソード側に用いた本発明の燃料電池の単セル32、及び、(c)図は本発明の燃料電池用触媒電極8をアノード側及びカソード側に用いた本発明の燃料電池の単セル33を示す。
本発明の燃料電池の単セル31、32、及び33は、図7に示した従来技術の燃料電池と比べて、燃料電池用触媒電極に、図1、又は2に示した本発明の燃料電池用触媒電極を用いることのみ異なり、他の構成は同じであるので、説明を省略する。
Next, a fuel cell using the fuel cell catalyst electrode of the present invention will be described.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a single cell of the fuel cell of the present invention. FIG. 4A is a single cell of the fuel cell of the present invention using the fuel
Compared with the prior art fuel cell shown in FIG. 7, the single cells 31, 32, and 33 of the fuel cell of the present invention have a catalyst electrode for a fuel cell and the fuel cell of the present invention shown in FIG. The only difference is the use of the catalyst electrode, and the rest of the configuration is the same, so the description is omitted.
次に、本発明の燃料電池用触媒電極の製造方法を説明する。
はじめに、ナノ炭素複合材料を以下の方法で合成する(特許文献3参照)。
核にするダイヤモンド微粒子は、工業的に研磨用として市販されているものが使用でき、粒径が1μm以下のものが好ましい。市販のダイヤモンド微粒子の表面は不均一に酸化されているので、ダイヤモンド微粒子を酸化雰囲気中で加熱して表面を均一化してから用いることが好ましい。
次に、ダイヤモンド微粒子にナノ炭素材料成長用の遷移金属触媒微粒子を担持して、ダイヤモンド触媒微粒子を作製する。例えば、遷移金属塩の水溶液にダイヤモンド微粒子を浸漬して一昼夜放置し、過剰な水を蒸発させ、乾燥後400〜500℃の空気中で焼成し、金属塩の分解と酸化を起こして金属塩を酸化物に転換し、還元雰囲気中で還元すれば、ダイヤモンド触媒微粒子を作製できる(特許文献3参照)。この際、ダイヤモンド微粒子の径と遷移金属塩の濃度等を選択することによって、遷移金属触媒微粒子の径、及び、遷移金属触媒微粒子間の間隔を選択できる。または、ナノ炭素材料に遷移金属薄膜を蒸着し、還元雰囲気中で加熱して、遷移金属の液体微粒子をダイヤモンド微粒子上に島状に分布させて、遷移金属触媒微粒子を担持してもよく、その際、ダイヤモンド微粒子の径と遷移金属薄膜の膜厚を選択することによって、遷移金属触媒微粒子の径、及び、遷移金属触媒微粒子間の間隔を選択できる。ダイヤモンド微粒子に担持する遷移金属触媒微粒子の径、及び、遷移金属触媒微粒子間の間隔を選択することによって、ナノ炭素複合材料のナノ炭素材料間の空隙を選択できる。また、遷移金属触媒の種類を選択することによって、ナノ炭素材料の種類を選択できる。例えば、Ni、又はCoを選択すれば、ナノ炭素材料はカーボンナノチューブになり、Pdを選択すれば、ナノ炭素材料はカーボンナノグラファイト(カーボンナノファイバーの一種)になる(特許文献2参照)。
Next, the manufacturing method of the catalyst electrode for fuel cells of this invention is demonstrated.
First, a nanocarbon composite material is synthesized by the following method (see Patent Document 3).
As the diamond fine particles used as a nucleus, those commercially available for polishing can be used, and those having a particle size of 1 μm or less are preferable. Since the surface of commercially available diamond fine particles is oxidized unevenly, it is preferable to use the diamond fine particles after heating the diamond fine particles in an oxidizing atmosphere to make the surface uniform.
Next, the transition metal catalyst fine particles for growing the nanocarbon material are supported on the diamond fine particles to produce the diamond catalyst fine particles. For example, diamond fine particles are immersed in an aqueous solution of a transition metal salt and allowed to stand overnight, the excess water is evaporated, dried, and fired in air at 400 to 500 ° C. to cause decomposition and oxidation of the metal salt to form the metal salt. If converted into an oxide and reduced in a reducing atmosphere, diamond catalyst fine particles can be produced (see Patent Document 3). At this time, the diameter of the transition metal catalyst fine particles and the interval between the transition metal catalyst fine particles can be selected by selecting the diameter of the diamond fine particles and the concentration of the transition metal salt. Alternatively, a transition metal thin film may be deposited on the nanocarbon material, heated in a reducing atmosphere, and the transition metal liquid fine particles may be distributed in an island shape on the diamond fine particles to carry the transition metal catalyst fine particles. At this time, the diameter of the transition metal catalyst fine particles and the interval between the transition metal catalyst fine particles can be selected by selecting the diameter of the diamond fine particles and the thickness of the transition metal thin film. By selecting the diameter of the transition metal catalyst fine particles supported on the diamond fine particles and the interval between the transition metal catalyst fine particles, the voids between the nanocarbon materials of the nanocarbon composite material can be selected. Moreover, the kind of nanocarbon material can be selected by selecting the kind of transition metal catalyst. For example, if Ni or Co is selected, the nanocarbon material becomes a carbon nanotube, and if Pd is selected, the nanocarbon material becomes carbon nanographite (a kind of carbon nanofiber) (see Patent Document 2).
次に、このダイヤモンド触媒微粒子を、炭化水素ガス中で加熱することによって、遷移金属触微粒子の触媒作用により炭化水素が分解し、遷移金属触微粒子を核として遷移金属触微粒子の径に比例したナノ炭素材料が成長する。また、遷移金属触媒微粒子の担体がダイヤモンドであるので、炭化水素が分解する高温においても、遷移金属触媒微粒子が互いに結合して大きな径の遷移金属触媒微粒子となる粒成長が生じることが無く、径の小さいナノ炭素材料を成長できる。ナノ炭素材料の長さは炭化水素ガス中で加熱する時間に比例する。上記の方法によれば、ダイヤモンド微粒子と、ダイヤモンド微粒子に一端が固定された複数のナノ炭素材料とからなるナノ炭素複合材料を合成できる。 Next, by heating the diamond catalyst fine particles in a hydrocarbon gas, the hydrocarbon is decomposed by the catalytic action of the transition metal catalytic fine particles, and the nano particles proportional to the diameter of the transition metal catalytic fine particles are obtained using the transition metal catalytic fine particles as nuclei. Carbon material grows. Further, since the carrier of the transition metal catalyst fine particles is diamond, even at a high temperature at which the hydrocarbon is decomposed, the transition metal catalyst fine particles are not bonded to each other to form a large diameter transition metal catalyst fine particle. Nanocarbon materials with small size can be grown. The length of the nanocarbon material is proportional to the heating time in the hydrocarbon gas. According to the above method, a nanocarbon composite material composed of diamond fine particles and a plurality of nanocarbon materials having one ends fixed to the diamond fine particles can be synthesized.
ところで、上記の合成は、固定床流通式合成装置を用いて、反応管中にダイヤモンド触媒微粒子を容器に入れて配置し、反応管に炭化水素ガスを流しながら、炭化水素ガスの分解温度に加熱して行う。しかしながら、ダイヤモンド触媒微粒子を配置している容器に近い側のダイヤモンド触媒微粒子の表面と、遠い側の表面とでは、供給される炭化水素ガスの流量に差が生じるので、ダイヤモンド微粒子を核として三次元方向に均一にナノ炭素材料が成長しない。
一方、複数のナノ炭素材料7がダイヤモンド微粒子を核として球状に成長したナノ炭素複合材料であるマリモ状カーボンは以下のようにして合成できる。
図5は、マリモ状カーボンを製造するための流動気相合成装置の構成を示す図である。
図において、流動気相合成製造装置41は、ダイヤモンド触媒微粒子42を包含する、垂直に配設された反応槽43と、反応槽43の下部及び上部にそれぞれ設けられた炭化水素からなるガス44を導入する導入口45と、ガス45を排出する排出口46と、反応層43を取り囲んで配設される加熱装置47と、ダイヤモンド触媒微粒子42は通過させず、ガス42は通過させるフィルター48とから構成されている。また、炭化水素からなるガス44に、反応補助ガスや希釈ガス49を混合するための混合装置50を有している。
流動気相合成装置41を用いて、マリモ状カーボンを以下のように合成する(特許文献2参照)。すなわち、ダイヤモンド触媒微粒子42を、フィルター48上に配置する。炭化水素からなるガス44を導入口45から所定の流量で導入すると共に、排出口46から排出する。ガス46の所定の流量は、ダイヤモンド触媒微粒子42が反応槽43中で浮遊し且つ撹拌される状態となる流量であり、反応槽43が溶融石英製であれば肉眼でその状態を確認することにより流量を設定する。例えば、ダイヤモンド触媒微粒子42が、反応槽43中で浮遊し且つ撹拌されることにより、排出口46より飛び出さない程度の流量であれば好ましい。
この方法によれば、ダイヤモンド触媒微粒子42が反応槽43中で浮遊し且つ撹拌されるので、ダイヤモンド触媒微粒子の全表面に亘って触媒反応が均等に起こり、その結果、複数のナノ炭素材料がダイヤモンド微粒子を核として球状に成長したマリモ状カーボンが合成できる。また、所定の温度で浮遊させ且つ撹拌させる時間に比例してナノ炭素材料の長さが長くなり、生成するマリモ状カーボンの径が大きくなるので、所定の温度で浮遊させ且つ撹拌させる時間を選択することにより、所望の径のマリモ状カーボンを合成できる。
By the way, the above synthesis is performed by using a fixed bed flow type synthesizer, placing diamond catalyst fine particles in a reaction tube in a container, and heating the hydrocarbon gas to the decomposition temperature while flowing the hydrocarbon gas through the reaction tube. And do it. However, there is a difference in the flow rate of the supplied hydrocarbon gas between the surface of the diamond catalyst fine particle on the side close to the container where the diamond catalyst fine particles are arranged and the surface on the far side, so that the three-dimensional Nanocarbon material does not grow uniformly in the direction.
On the other hand, marimo-like carbon, which is a nanocarbon composite material in which a plurality of
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a fluidized gas phase synthesis apparatus for producing marimo-like carbon.
In the figure, a fluidized gas phase synthesis production apparatus 41 includes a vertically disposed reaction tank 43 containing diamond catalyst fine particles 42 and a
Using the fluidized gas phase synthesizer 41, marimo-like carbon is synthesized as follows (see Patent Document 2). That is, the diamond catalyst fine particles 42 are disposed on the
According to this method, since the diamond catalyst fine particles 42 float and are stirred in the reaction tank 43, the catalytic reaction occurs evenly over the entire surface of the diamond catalyst fine particles. As a result, a plurality of nanocarbon materials are converted into diamond. Marimo-like carbon grown spherically with fine particles as nuclei can be synthesized. In addition, the length of the nanocarbon material is increased in proportion to the time to float and stir at a predetermined temperature, and the diameter of the produced marimo-like carbon increases, so the time to float and stir at the predetermined temperature is selected. By doing so, marimo-like carbon having a desired diameter can be synthesized.
次に、ナノ炭素複合材料を溶媒に分散させてペースト状とし、これをカーボンペーパーやカーボンクロス等の多孔質電極基材に塗布し、焼成することによって、本発明の燃料電池用触媒電極を製造する。 Next, the nanocarbon composite material is dispersed in a solvent to form a paste, which is applied to a porous electrode substrate such as carbon paper or carbon cloth, and fired to produce the fuel cell catalyst electrode of the present invention. To do.
次に、本発明の燃料電池用膜・電極接合体の製造方法を説明する。
本発明の燃料電池用膜・電極接合体は、図1、又は2に示した本発明の燃料電池用触媒電極と水素イオン伝導性高分子電解質膜とを重ねあわせ、熱プレスして接合し、製造する。
また、図3(b)に示したように、本発明の燃料電池用触媒電極をアノード側触媒電極及びカソード側触媒電極として用いる場合には、水素イオン伝導性固体電解質膜の両面にそれぞれ、本発明の燃料電池用触媒電極の触媒層面を重ねあわせ、熱プレスして接合し、製造する。
Next, the manufacturing method of the membrane-electrode assembly for fuel cells of this invention is demonstrated.
The fuel cell membrane / electrode assembly of the present invention is obtained by overlapping the fuel cell catalyst electrode of the present invention and the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane shown in FIG. To manufacture.
Further, as shown in FIG. 3B, when the fuel cell catalyst electrode of the present invention is used as an anode side catalyst electrode and a cathode side catalyst electrode, the present invention is provided on both sides of the hydrogen ion conductive solid electrolyte membrane, respectively. The catalyst layer surfaces of the catalyst electrode for a fuel cell of the invention are overlapped and joined by hot pressing.
次に、本発明の燃料電池の製造方法を説明する。
図4(a)に示したように、本発明の燃料電池用触媒電極をアノード側触媒電極として用いる場合は、本発明の燃料電池用膜・電極接合体の水素イオン伝導性高分子電解質膜側に従来のカソード側触媒電極を接合し、この接合体の上下面にセパレータを接合して単セルとし、この単セルを複数、直列に接合して本発明の燃料電池を製造する。
また、図4(b)に示したように、本発明の燃料電池用触媒電極をカソード側触媒電極として用いる場合は、本発明の燃料電池用膜・電極接合体の水素イオン伝導性高分子電解質膜に従来構成のアノード側触媒電極を接合し、この接合体の上下面にセパレータを接合して単セルとし、この単セルを複数、直列に接合して本発明の燃料電池を製造する。
また、図4(c)に示したように、本発明の燃料電池用触媒電極をアノード側触媒電極及びカソード側触媒電極として用いる場合は、本発明の燃料電池用膜・電極接合体の上下面にそれぞれ、セパレータを接合して単セルとし、この単セルを複数、直列に接合して本発明の燃料電池を製造する。
Next, the manufacturing method of the fuel cell of this invention is demonstrated.
As shown in FIG. 4A, when the fuel cell catalyst electrode of the present invention is used as an anode side catalyst electrode, the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane side of the fuel cell membrane / electrode assembly of the present invention is used. A conventional cathode-side catalyst electrode is joined to each other, separators are joined to the upper and lower surfaces of the joined body to form a single cell, and a plurality of the single cells are joined in series to produce the fuel cell of the present invention.
In addition, as shown in FIG. 4B, when the fuel cell catalyst electrode of the present invention is used as a cathode side catalyst electrode, the hydrogen ion conductive polymer electrolyte of the fuel cell membrane / electrode assembly of the present invention is used. A conventional anode-side catalyst electrode is joined to the membrane, a separator is joined to the upper and lower surfaces of the joined body to form a single cell, and a plurality of the single cells are joined in series to produce the fuel cell of the present invention.
As shown in FIG. 4C, when the fuel cell catalyst electrode of the present invention is used as an anode side catalyst electrode and a cathode side catalyst electrode, the upper and lower surfaces of the fuel cell membrane / electrode assembly of the present invention are used. Each of the separators is joined to form a single cell, and a plurality of the single cells are joined in series to produce the fuel cell of the present invention.
(実施例1)
粒径15〜100nmのダイヤモンド微粒子にCoを5wt%担持して、ダイヤモンド触媒微粒子を作製し、このダイヤモンド触媒微粒子を固定床流通式合成装置に配置し、合成温度600℃、メタンガス流量20ml/分、合成時間60分で合成し、ナノ炭素材料がカーボンナノチューブからなるナノ炭素複合材料を得た。
次に、このナノ炭素複合材料4.8g、市販の水素イオン伝導性高分子電解質21wt%ナフィオン溶液(登録商標)11.4g、水6.4g、及び、イソプロパノール10.0gとからなる混合溶媒中で超音波ホモジナイザーを使用して30分間攪拌して触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを触媒ペーストAとする。
また、従来技術による触媒ペーストを次のようにして作製した。すなわち、粒径約10nmのカーボンブラック微粒子に白金触媒を30wt%担持した市販の白金担持カーボン触媒2.0g、市販の水素イオン伝導性高分子電解質21wt%溶液ナフィオン溶液(登録商標)5.0g、水11.0g、及び、イソプロパノール16.0gとからなる混合溶媒中で超音波ホモジナイザーを使用して30分間攪拌して触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを触媒ペーストBとする。
次に、調整した触媒ペーストAをカーボンペーパー(E―Tek社製)上へ厚さ3μmで塗布して焼成し、本発明の燃料電池用触媒電極を作製した。この燃料電池用触媒電極を触媒電極Aとする。また、調整した触媒ペーストBをカーボンペーパー(E―Tek社製)上へ厚さ3μmで塗布して焼成し、従来技術の比較用燃料電池用触媒電極を作製した。この燃料電池用触媒電極を触媒電極Bとする。
次に、触媒電極A、及び、触媒電極Bを同一の面積に切断し、これらの触媒電極をそれぞれ、水素イオン伝導性高分子電解質膜(デュポン社製ナフィオン膜、登録商標)に接合し、燃料電池用膜・電極接合体を作製した。接合には熱プレスを用いて、140℃、50kg/cm2、5分の条件で行った。触媒電極Aを用いた燃料電池用膜・電極接合体を膜・電極接合体A、触媒電極Bを用いた燃料電池用膜・電極接合体を膜・電極接合体Bとする。
次に、膜・電極接合体Aの固体電解質膜側に触媒電極Bを接合し、この接合体の上下面にセパレータを接合し、本発明の燃料電池用触媒電極Aをアノード側に用い、カソード側には従来技術の触媒電極Bを用いた構成の燃料電池を作成した。この燃料電池を燃料電池Aとする。
Example 1
Diamond catalyst fine particles were prepared by supporting 5 wt% of Co on diamond fine particles having a particle diameter of 15 to 100 nm, and the diamond catalyst fine particles were placed in a fixed bed flow type synthesizer. The synthesis temperature was 600 ° C., the methane gas flow rate was 20 ml / min, The synthesis was performed in a synthesis time of 60 minutes to obtain a nanocarbon composite material in which the nanocarbon material is a carbon nanotube.
Next, in a mixed solvent consisting of 4.8 g of this nanocarbon composite material, 11.4 g of a commercially available hydrogen ion
Moreover, the catalyst paste by a prior art was produced as follows. That is, 2.0 g of a commercially available platinum-supported carbon catalyst in which 30 wt% of a platinum catalyst is supported on carbon black fine particles having a particle diameter of about 10 nm, 5.0 g of a commercially available hydrogen ion
Next, the prepared catalyst paste A was applied onto carbon paper (manufactured by E-Tek) at a thickness of 3 μm and fired to produce a fuel cell catalyst electrode of the present invention. This catalyst electrode for a fuel cell is referred to as catalyst electrode A. Further, the prepared catalyst paste B was applied onto carbon paper (manufactured by E-Tek) at a thickness of 3 μm and fired to produce a catalyst electrode for a comparative fuel cell of the prior art. This catalyst electrode for a fuel cell is referred to as catalyst electrode B.
Next, the catalyst electrode A and the catalyst electrode B are cut into the same area, and each of these catalyst electrodes is joined to a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane (Nafion membrane, registered trademark) manufactured by DuPont. A battery membrane / electrode assembly was prepared. The joining was performed using a hot press under conditions of 140 ° C., 50 kg / cm 2 , and 5 minutes. The membrane / electrode assembly for fuel cell using the catalyst electrode A is referred to as membrane / electrode assembly A, and the membrane / electrode assembly for fuel cell using the catalyst electrode B is referred to as membrane / electrode assembly B.
Next, the catalyst electrode B is joined to the solid electrolyte membrane side of the membrane / electrode assembly A, separators are joined to the upper and lower surfaces of the joined body, the fuel cell catalyst electrode A of the present invention is used on the anode side, and the cathode On the side, a fuel cell having a configuration using the catalyst electrode B of the prior art was prepared. This fuel cell is referred to as a fuel cell A.
(実施例2)
膜・電極接合体Bの固体電解質膜側に触媒電極Aを接合し、本発明の燃料電池用触媒電極Aをカソード側に用い、アノード側には従来技術の触媒電極Bを用いたことのみ実施例1と異なる構成の燃料電池を作成した。この燃料電池を燃料電池Bとする。
(Example 2)
Only the catalyst electrode A was joined to the solid electrolyte membrane side of the membrane-electrode assembly B, the catalyst electrode A for the fuel cell of the present invention was used on the cathode side, and the conventional catalyst electrode B was used on the anode side. A fuel cell having a configuration different from that of Example 1 was prepared. This fuel cell is referred to as a fuel cell B.
(実施例3)
膜・電極接合体Aの固体電解質膜側に触媒電極Aを接合し、本発明の燃料電池用触媒電極Aをアノード側及びカソード側の両方に用いたことのみ実施例1と異なる構成の燃料電池を作成した。この燃料電池を燃料電池Cとする。
(Example 3)
A fuel cell having a configuration different from that of Example 1 only in that the catalyst electrode A is joined to the solid electrolyte membrane side of the membrane-electrode assembly A, and the catalyst electrode A for the fuel cell of the present invention is used on both the anode side and the cathode side. It was created. This fuel cell is referred to as a fuel cell C.
次に、上記燃料電池A、B、及び、Cの発電能力を測定した。水素流量が1000ml/分、酸素流量が1000ml/分となるようにして80℃で加湿・加熱した水素ガスと、酸素ガスを供給して反応を行わせて発電能力を測定した。測定は、起電力が0.5voltになるように負荷抵抗を選択したときの、触媒層単位表面積当たりの発電電流、すなわち、発電電流密度で比較した。
図6は、燃料電池A、B、及び、Cの発電能力の測定結果を示す図である。
図から、本発明の燃料電池用触媒電極Aをアノード側及びカソード側の両方に用いた燃料電池Cは、9mA/cm2の発電電流密度を有することがわかり、また、燃料電池の発電電流密度は、アノード側、又はカソード側のいずれか小さい方の発電電流密度によって制限されるので、本発明のアノード側燃料電池用触媒電極A、及び、本発明のカソード側燃料電池用触媒電極Aはそれぞれ、少なくとも9mA/cm2の発電電流密度を有することがわかる。
また、図から、本発明の燃料電池用触媒電極Aをアノード側及び従来技術の触媒電極Bをカソード側に用いた燃料電池Aの発電電流密度は、燃料電池Cの発電電流密度よりも大きいことがわかり、従って、燃料電池Cの発電電流密度は、本発明のアノード側燃料電池用触媒電極Aによって制限されており、その大きさは20mA/cm2であることがわかる。
また、図から、本発明の燃料電池用触媒電極Aをカソード側及び従来技術の触媒電極Bをアノード側に用いた燃料電池Bの発電電流密度は、燃料電池Cの発電電流密度よりも小さいことがわかり、従って、燃料電池Bの発電電流密度は本発明のカソード側燃料電池用触媒電極Aによって制限されており、その大きさは10mA/cm2であることがわかる。
このように、本発明の燃料電池用触媒電極は、白金触媒を用いないにもかかわらず、アノード側及びカソード側とも、発電能力を有することがわかる。この結果は、ダイヤモンド微粒子と、このダイヤモンド微粒子に一端が固定された複数のナノ炭素材料とからなるナノ炭素複合材料からなる触媒層が、水素を水素イオンと電子に分解する触媒作用、及び、酸素と水素イオンと電子とが反応して水を生じる触媒作用とを有するためである。
Next, the power generation capacities of the fuel cells A, B, and C were measured. The power generation capacity was measured by supplying hydrogen gas that was humidified and heated at 80 ° C. so that the hydrogen flow rate was 1000 ml / min and the oxygen flow rate was 1000 ml / min, and the reaction was performed by supplying oxygen gas. The measurement was made by comparing the generated current per unit surface area of the catalyst layer when the load resistance was selected so that the electromotive force was 0.5 volt, that is, the generated current density.
FIG. 6 is a diagram illustrating measurement results of the power generation capacities of the fuel cells A, B, and C.
From the figure, it can be seen that the fuel cell C using the catalyst electrode A for fuel cells of the present invention on both the anode side and the cathode side has a power generation current density of 9 mA / cm 2 , and the power generation current density of the fuel cell. Is limited by the smaller power generation current density on the anode side or on the cathode side, the anode side fuel cell catalyst electrode A of the present invention and the cathode side fuel cell catalyst electrode A of the present invention are respectively It can be seen that it has a generated current density of at least 9 mA / cm 2 .
Also, from the figure, the power generation current density of the fuel cell A using the fuel cell catalyst electrode A of the present invention on the anode side and the prior art catalyst electrode B on the cathode side is larger than the power generation current density of the fuel cell C. Therefore, it can be seen that the power generation current density of the fuel cell C is limited by the anode side fuel cell catalyst electrode A of the present invention, and the size thereof is 20 mA / cm 2 .
Also, from the figure, the power generation current density of the fuel cell B using the fuel cell catalyst electrode A of the present invention on the cathode side and the prior art catalyst electrode B on the anode side is smaller than the power generation current density of the fuel cell C. Therefore, it can be seen that the generated current density of the fuel cell B is limited by the cathode-side fuel cell catalyst electrode A of the present invention, and the size thereof is 10 mA / cm 2 .
Thus, it can be seen that the catalyst electrode for a fuel cell of the present invention has a power generation capability on both the anode side and the cathode side, although no platinum catalyst is used. This result shows that a catalyst layer made of a nanocarbon composite material composed of diamond fine particles and a plurality of nanocarbon materials fixed at one end to the diamond fine particles has a catalytic action that decomposes hydrogen into hydrogen ions and electrons, and oxygen This is because it has a catalytic action in which water reacts with hydrogen ions and electrons to generate water.
上記説明から理解されるように、本発明の燃料電池用触媒電極、膜・電極接合体、及び、燃料電池は、電極の触媒層に用いる、ダイヤモンド微粒子と、このダイヤモンド微粒子に一端が固定された複数のナノ炭素材料とからなるナノ炭素複合材料が、水素を水素イオンと電子に分解する触媒作用、及び、酸素と水素イオンと電子とが反応して水を生じる触媒作用とを有するので、燃料電池用触媒電極、膜・電極接合体として利用できる。
また、高コストな、白金族触媒を用いないので、低コストな燃料電池を提供できる。
As understood from the above description, the catalyst electrode for a fuel cell, the membrane / electrode assembly, and the fuel cell of the present invention have diamond fine particles used for the electrode catalyst layer and one end fixed to the diamond fine particles. A nanocarbon composite material composed of a plurality of nanocarbon materials has a catalytic action of decomposing hydrogen into hydrogen ions and electrons, and a catalytic action of reacting oxygen, hydrogen ions, and electrons to generate water. It can be used as a catalyst electrode for a battery or a membrane / electrode assembly.
Moreover, since a high-cost platinum group catalyst is not used, a low-cost fuel cell can be provided.
1 本発明の燃料電池用触媒電極
2 電極基材
3 触媒層
4 ナノ炭素複合材料
6 ダイヤモンド微粒子
7 ナノ炭素材料
7a ナノ炭素材料間の空隙
8 本発明の他の構成の燃料電池用触媒電極
9 本発明の他の構成の触媒層
10 マリモ状カーボン
21 本発明の燃料電池用膜・電極接合体
22 水素イオン伝導性固体電解質膜
23 燃料電池用膜・電極接合体
31 本発明の燃料電池
32 本発明の燃料電池
33 本発明の燃料電池
41 流動気相合成装置
42 ダイヤモンド触媒微粒子
43 反応槽
44 炭化水素ガス
45 導入口
46 排出口
47 加熱装置
48 フィルター
49 反応補助ガスや希釈ガス
50 混合装置
60 単セル
61 アノード側セパレータ
61a
62 アノード側触媒電極
62a 電極基材
62b 触媒層
63 水素イオン伝導性固体電解質膜
64 カソード側触媒電極
64a 電極基材
64b 触媒層
65 カソード側セパレータ
65a 反応ガス流路
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62 Anode side catalyst electrode 62a Electrode base material
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