JP2016221448A - Hydrogen peroxide decomposition catalyst and fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、過酸化水素分解触媒、および、車両などに搭載される燃料電池に関する。 The present invention relates to a hydrogen peroxide decomposition catalyst and a fuel cell mounted on a vehicle or the like.
従来、車両などに搭載される燃料電池として、水素ガスなどの気体燃料や、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジンなどの液体燃料を使用する燃料電池が知られている。 Conventionally, fuel cells using gaseous fuel such as hydrogen gas or liquid fuel such as methanol, dimethyl ether or hydrazine are known as fuel cells mounted on vehicles.
このような燃料電池は、電解質層と、電解質層の両側にそれぞれ積層されるアノードおよびカソードとを備える単位セルが複数積層されたスタック構造として構成されている。 Such a fuel cell is configured as a stack structure in which a plurality of unit cells each including an electrolyte layer and an anode and a cathode stacked on both sides of the electrolyte layer are stacked.
より具体的には、例えば、アニオン交換膜からなる電解質層と、電解質層を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極とを備え、燃料側電極には燃料側流路を介して燃料が供給され、また、酸素側電極には酸素側流路を介して酸素が供給される燃料電池が、提案されている(例えば、特許文献1参照)。 More specifically, for example, an electrolyte layer made of an anion exchange membrane, and a fuel side electrode and an oxygen side electrode that are arranged to face each other with the electrolyte layer interposed therebetween are provided. A fuel cell is proposed in which oxygen is supplied to the oxygen side electrode via an oxygen side flow path (see, for example, Patent Document 1).
このような燃料電池では、酸素側電極での酸素還元反応において、過酸化水素が副生する酸素還元反応が生じる場合がある。この場合、副生した過酸化水素により、燃料電池の部材が劣化するおそれがある。 In such a fuel cell, an oxygen reduction reaction in which hydrogen peroxide is by-produced may occur in the oxygen reduction reaction at the oxygen side electrode. In this case, the by-produced hydrogen peroxide may cause deterioration of the fuel cell member.
過酸化水素を分解する触媒としては、例えば、白金触媒が知られている(例えば、非特許文献1参照)。 As a catalyst for decomposing hydrogen peroxide, for example, a platinum catalyst is known (for example, see Non-Patent Document 1).
しかし、非特許文献1に示されるような白金触媒は、貴金属であり、高価である。そのため、副生した過酸化水素を分解するために白金触媒を用いると、燃料電池の低コスト化を図ることが困難である。
However, the platinum catalyst as shown in Non-Patent
そこで、本発明の目的は、白金触媒と同等の過酸化水素分解活性を得ることができながら、低コスト化を図ることができる過酸化水素分解触媒、および、高コスト化を抑制しつつ、副生した過酸化水素による劣化を防止することができる燃料電池を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a hydrogen peroxide decomposition catalyst capable of achieving cost reduction while being able to obtain hydrogen peroxide decomposition activity equivalent to that of a platinum catalyst, and a secondary An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of preventing deterioration due to the produced hydrogen peroxide.
本発明は、
[1]鉄に配位子が配位したFe錯体、および、マンガンに配位子が配位したMn錯体の少なくともいずれか一方を含有する原料錯体の焼成体を含むことを特徴とする、過酸化水素分解触媒、
[2]電解質膜、前記電解質膜の一方面に形成されるアノード、および、前記電解質膜の他方面に形成されるカソードを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方側に配置されるアノード側セパレータと、前記膜電極接合体の他方側に配置されるカソード側セパレータと、前記カソードと前記カソード側セパレータとの間に配置される多孔質層とを備え、前記多孔質層は、鉄に配位子が配位したFe錯体、および、マンガンに配位子が配位したMn錯体の少なくともいずれか一方を含有する原料錯体の焼成体を含むことを特徴とする、燃料電池
である。
The present invention
[1] It comprises a sintered body of a raw material complex containing at least one of an Fe complex in which a ligand is coordinated to iron and an Mn complex in which a ligand is coordinated to manganese. Hydrogen oxide cracking catalyst,
[2] A membrane electrode assembly having an electrolyte membrane, an anode formed on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode formed on the other surface of the electrolyte membrane, and disposed on one side of the membrane electrode assembly An anode side separator, a cathode side separator disposed on the other side of the membrane electrode assembly, and a porous layer disposed between the cathode and the cathode side separator, the porous layer comprising: A fuel cell comprising a sintered body of a raw material complex containing at least one of an Fe complex in which a ligand is coordinated to iron and an Mn complex in which a ligand is coordinated to manganese .
本発明の過酸化水素分解触媒によれば、白金のような貴金属を使用することなく、鉄に配位子が配位したFe錯体、および、マンガンに配位子が配位したMn錯体の少なくともいずれか一方を含有する原料錯体の焼成体を含む。 According to the hydrogen peroxide decomposition catalyst of the present invention, an Fe complex in which a ligand is coordinated with iron and a Mn complex in which a ligand is coordinated with manganese are used without using a noble metal such as platinum. It includes a fired body of a raw material complex containing either one.
そのため、白金触媒と同等の過酸化水素分解活性を得ることができながら、過酸化水素分解触媒の低コスト化を図ることができる。 Therefore, it is possible to reduce the cost of the hydrogen peroxide decomposition catalyst while obtaining the hydrogen peroxide decomposition activity equivalent to that of the platinum catalyst.
また、本発明の燃料電池によれば、鉄に配位子が配位したFe錯体、および、マンガンに配位子が配位したMn錯体の少なくともいずれか一方を含有する原料錯体の焼成体を含む多孔質層(すなわち、過酸化水素分解触媒層)が、カソードとカソード側セパレータとの間に配置されている。 Further, according to the fuel cell of the present invention, a fired body of a raw material complex containing at least one of an Fe complex in which a ligand is coordinated to iron and an Mn complex in which a ligand is coordinated to manganese. A porous layer including hydrogen peroxide decomposition catalyst layer is disposed between the cathode and the cathode-side separator.
そのため、カソードにおいて副生した過酸化水素を、カソード側セパレータに作用する前に、多孔質層において効率よく分解することができる。 Therefore, hydrogen peroxide produced as a by-product in the cathode can be efficiently decomposed in the porous layer before acting on the cathode-side separator.
その結果、白金のような貴金属を過酸化水素分解触媒として使用する場合と比べて、高コスト化を抑制しつつ、副生した過酸化水素による劣化を防止することができる。 As a result, compared with the case where a noble metal such as platinum is used as a hydrogen peroxide decomposition catalyst, it is possible to prevent deterioration due to by-produced hydrogen peroxide while suppressing an increase in cost.
1.燃料電池
燃料電池1は、通常、複数の燃料電池セルSが積層されたスタック構造として構成されているが、図1においては、図解しやすいように1つの燃料電池セルSのみを示している。
1. Fuel Cell The
燃料電池1は、燃料成分と水とを含む液体燃料が直接供給される直接液体燃料形燃料電池であり、アニオン交換型燃料電池として構成されている。
The
燃料成分としては、例えば、分子中に水素原子を含有する含水素液体燃料が挙げられ、具体的には、メタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのアルキル基を有するエーテル類、ヒドラジン類などが挙げられ、好ましくは、アルコール類およびヒドラジン類が挙げられ、さらに好ましくは、ヒドラジン類が挙げられる。 Examples of the fuel component include hydrogen-containing liquid fuels containing hydrogen atoms in the molecule, and specific examples include alcohols such as methanol, ethers having an alkyl group such as dimethyl ether, and hydrazines. Preferably, alcohols and hydrazines are used, and more preferably, hydrazines are used.
また、液体燃料には、例えば、水酸化カリウムなどのアルカリ金属の水酸化物が、適宜の割合で添加される。 In addition, for example, an alkali metal hydroxide such as potassium hydroxide is added to the liquid fuel at an appropriate ratio.
燃料電池セルSは、図1および図2に示すように、膜電極接合体2、燃料拡散シート3、空気拡散シート4、アノード側セパレータ5、および、カソード側セパレータ6を有している。
As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel battery cell S includes a membrane electrode assembly 2, a
膜電極接合体2は、電解質膜7、アノード8、および、カソード9を備えている。
The membrane electrode assembly 2 includes an electrolyte membrane 7, an
電解質膜7は、アニオン交換型の固体高分子電解質膜から形成されている。 The electrolyte membrane 7 is formed of an anion exchange type solid polymer electrolyte membrane.
アノード8は、電解質膜7の厚み方向一方側の表面に、薄層として積層されている。アノード8は、例えば、燃料酸化触媒を担持した触媒担体を含有している。なお、アノード8は、触媒担体を用いずに、燃料酸化触媒から、直接形成することもできる。
The
燃料酸化触媒としては、特に制限されず、例えば、白金族元素(ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt))、鉄族元素(鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni))などの周期表第8〜10(VIII)族元素や、例えば、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)などの周期表第11(IB)族元素などが挙げられる。これらのうち、好ましくは、ニッケル、コバルト、白金が挙げられ、より好ましくは、ニッケルが挙げられる。また、これらは、単独使用または2種以上併用することができる。 The fuel oxidation catalyst is not particularly limited, and examples thereof include platinum group elements (ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt)), and iron group. Periodic table 8-10 (VIII) group elements such as elements (iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)), for example, copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), etc. Examples include Group 11 (IB) elements of the periodic table. Among these, Preferably, nickel, cobalt, and platinum are mentioned, More preferably, nickel is mentioned. These may be used alone or in combination of two or more.
アノード8に用いられる触媒担体としては、例えば、カーボン粒子などが挙げられる。
Examples of the catalyst carrier used for the
アノード8を形成するには、例えば、燃料酸化触媒をバインダーとともに溶媒に分散させて得られるインクを、電解質膜7の一方面に塗布し、乾燥する。なお、このように、アノード8を電解質膜7の一方面に直接形成する場合、バインダーとしては、電解質膜7との親和性を考慮して選択される。例えば、電解質膜7が、アニオン交換型の固体高分子電解質膜である場合、アニオン交換樹脂をバインダーとすることができる。
In order to form the
アノード8において、燃料酸化触媒の担持量は、例えば、0.05mg/cm2以上、好ましくは、0.1mg/cm2以上であり、例えば、10mg/cm2以下、好ましくは、5mg/cm2以下である。
In the
カソード9は、電解質膜7に対してアノード8の反対側、すなわち、電解質膜7の厚み方向他方側の表面に、薄層として積層されている。カソード9は、酸素還元触媒を含有する。
The cathode 9 is laminated as a thin layer on the opposite side of the
また、酸素還元触媒としては、例えば、導電性高分子とカーボンとからなる複合体(以下、この複合体を「カーボンコンポジット」という。)に、遷移金属が担持されている材料が挙げられる。 Examples of the oxygen reduction catalyst include a material in which a transition metal is supported on a composite composed of a conductive polymer and carbon (hereinafter, this composite is referred to as “carbon composite”).
遷移金属としては、例えば、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、ランタン(La)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、金(Au)などが挙げられる。これらの遷移金属は、単独使用または2種以上併用することができる。 Examples of the transition metal include scandium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu ), Yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), technetium (Tc), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), silver (Ag), lanthanum (La) ), Hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), rhenium (Re), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), gold (Au), and the like. These transition metals can be used alone or in combination of two or more.
導電性高分子としては、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリビニルカルバゾール、ポリトリフェニルアミン、ポリピリジン、ポリピリミジン、ポリキノキサリン、ポリフェニルキノキサリン、ポリイソチアナフテン、ポリピリジンジイル、ポリチエニレン、ポリパラフェニレン、ポリフルラン、ポリアセン、ポリフラン、ポリアズレン、ポリインドール、ポリジアミノアントラキノンなどが挙げられる。これらの導電性高分子は、単独使用または2種以上併用することができる。 Examples of the conductive polymer include polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyvinylcarbazole, polytriphenylamine, polypyridine, polypyrimidine, polyquinoxaline, polyphenylquinoxaline, polyisothianaphthene, polypyridinediyl, polythienylene, polyparaylene. Examples include phenylene, polyflurane, polyacene, polyfuran, polyazulene, polyindole, and polydiaminoanthraquinone. These conductive polymers can be used alone or in combination of two or more.
また、酸素還元触媒としては、例えば、後述する過酸化水素還元触媒と重複するものもあるが、遷移金属に配位子が配位した遷移金属錯体の焼成体が挙げられる。 In addition, examples of the oxygen reduction catalyst include those that overlap with a hydrogen peroxide reduction catalyst described later, and examples thereof include a fired product of a transition metal complex in which a ligand is coordinated to a transition metal.
遷移金属としては、例えば、上記したカーボンコンポジットに用いられる遷移金属と同じ遷移金属が挙げられる。遷移金属としては、好ましくは、鉄が挙げられる。すなわち、酸素還元触媒としては、好ましくは、鉄に配位子が配位したFe錯体の焼成体が挙げられる。 As a transition metal, the same transition metal as the transition metal used for the above-mentioned carbon composite is mentioned, for example. The transition metal is preferably iron. That is, the oxygen reduction catalyst is preferably a fired body of an Fe complex in which a ligand is coordinated to iron.
遷移金属に配位する配位子としては、例えば、フェナントロリン(例えば、1,10−フェナントロリン)、サルコミン、ナイカルバジン、ピロール、ポルフィリン、テトラメトキシフェニルポルフィリン、ジベンゾテトラアザアヌレン、フタロシアニン、コリン、クロリン、または、これらの誘導体が挙げられる。 Examples of the ligand that coordinates to the transition metal include phenanthroline (eg, 1,10-phenanthroline), sarcomin, nicarbazine, pyrrole, porphyrin, tetramethoxyphenylporphyrin, dibenzotetraazaannulene, phthalocyanine, choline, chlorin, or And derivatives thereof.
配位子としては、好ましくは、フェナントロリン、サルコミン、ナイカルバジン、または、これらの誘導体が挙げられ、より好ましくは、フェナントロリン、ナイカルバジンが挙げられる。 Preferable examples of the ligand include phenanthroline, salcomine, nicarbazine, and derivatives thereof, and more preferable examples include phenanthroline and nicarbazine.
酸素還元触媒は、例えば、後述する過酸化水素還元触媒と同様の方法で得ることができる。 The oxygen reduction catalyst can be obtained, for example, by the same method as the hydrogen peroxide reduction catalyst described later.
なお、カソード9は、酸素還元触媒の他に、例えば、オイルファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラックなどのカーボンブラック、例えば、黒鉛、炭素繊維などのカーボン粒子を含有することもできる。 In addition to the oxygen reduction catalyst, the cathode 9 can also contain, for example, carbon black such as oil furnace black, acetylene black, ketjen black and channel black, for example, carbon particles such as graphite and carbon fiber.
カソード9は、例えば、上記したアノード8の形成と同様に形成することができる。
The cathode 9 can be formed, for example, in the same manner as the formation of the
カソード9において、酸素還元触媒の担持量は、例えば、0.05mg/cm2以上、好ましくは、0.1mg/cm2以上であり、例えば、10mg/cm2以下、好ましくは、5mg/cm2以下である。 In the cathode 9, the supported amount of the oxygen reduction catalyst is, for example, 0.05 mg / cm 2 or more, preferably 0.1 mg / cm 2 or more, for example, 10 mg / cm 2 or less, preferably 5 mg / cm 2. It is as follows.
燃料拡散シート3は、アノード8の厚み方向一方面に接触するように、膜電極接合体2の厚み方向一方側に積層されている。燃料拡散シート3は、液体燃料を通過させるための細孔を有している。
The
燃料拡散シート3の材料としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、炭素繊維不織布などが挙げられ、好ましくは、カーボンクロスが挙げられる。また、燃料拡散シート3は、必要によりフッ素処理されていてもよい。
Examples of the material for the
空気拡散シート4は、膜電極接合体2の厚み方向他方側に積層されている。空気拡散シート4は、空気を通過させるための細孔を有している。空気拡散シート4は、基材10と、多孔質層11とを備えている。
The air diffusion sheet 4 is laminated on the other side in the thickness direction of the membrane electrode assembly 2. The air diffusion sheet 4 has pores for allowing air to pass therethrough. The air diffusion sheet 4 includes a
基材10の材料としては、例えば、上記した燃料拡散シート3の材料と同じ材料が挙げられる。
Examples of the material of the
多孔質層11は、基材10の厚み方向一方面に形成されている。多孔質層11は、カソード9の厚み方向他方面に接触する。多孔質層11は、過酸化水素分解触媒を含有する。
The
過酸化水素分解触媒は、鉄に配位子が配位したFe錯体、および、マンガンに配位子が配位したMn錯体の少なくともいずれか一方を含有する原料錯体の焼成体を含む。 The hydrogen peroxide decomposition catalyst includes a fired body of a raw material complex containing at least one of an Fe complex in which a ligand is coordinated with iron and an Mn complex in which a ligand is coordinated with manganese.
過酸化水素分解触媒は、好ましくは、鉄に配位子が配位したFe錯体の焼成体、マンガンに配位子が配位したMn錯体の焼成体、または、鉄に配位子が配位したFe錯体の焼成体とマンガンに配位子が配位したMn錯体との混合物の焼成体からなり、より好ましくは、鉄に配位子が配位したFe錯体の焼成体からなる。 The hydrogen peroxide decomposition catalyst is preferably a fired body of an Fe complex in which a ligand is coordinated to iron, a fired body of an Mn complex in which a ligand is coordinated to manganese, or a ligand is coordinated to iron A sintered body of a mixture of an Fe complex and a Mn complex in which a ligand is coordinated to manganese, and more preferably a sintered body of an Fe complex in which a ligand is coordinated to iron.
配位子としては、例えば、上記した酸素還元触媒に用いられる配位子と同じ配位子が挙げられる。 As a ligand, the same ligand as the ligand used for an above-mentioned oxygen reduction catalyst is mentioned, for example.
配位子としては、好ましくは、フェナントロリン、サルコミン、ナイカルバジン、または、これらの誘導体が挙げられ、より好ましくは、フェナントロリン、ナイカルバジンが挙げられる。 Preferable examples of the ligand include phenanthroline, salcomine, nicarbazine, and derivatives thereof, and more preferable examples include phenanthroline and nicarbazine.
原料錯体の焼成体を得るには、まず、原料錯体を調製する。 In order to obtain a fired body of a raw material complex, first, a raw material complex is prepared.
原料錯体を調製するには、特に制限されず、公知の方法を採用することができる。 The raw material complex is not particularly limited, and a known method can be employed.
例えば、鉄の塩(例えば、硫酸塩、硝酸塩、塩化物、りん酸塩などの無機塩、例えば、酢酸塩、しゅう酸塩などの有機酸塩など)と、配位子とを、例えば、水、アルコール、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、ハロゲン化炭化水素、ニトリル類などの公知の溶媒中で混合することにより、Fe錯体を製造することができる。 For example, an iron salt (for example, an inorganic salt such as sulfate, nitrate, chloride or phosphate, for example, an organic acid salt such as acetate or oxalate) and a ligand, for example, water The Fe complex can be produced by mixing in a known solvent such as alcohol, aliphatic hydrocarbon, aromatic hydrocarbon, halogenated hydrocarbon, or nitrile.
また、Fe錯体と同様の方法により、Mn錯体を製造することができる。 Further, a Mn complex can be produced by the same method as that for the Fe complex.
次いで、過酸化水素分解触媒を得るには、原料錯体を焼成する。 Next, in order to obtain a hydrogen peroxide decomposition catalyst, the raw material complex is calcined.
原料錯体を焼成するには、例えば、不活性ガス(例えば、窒素ガス、アルゴンガスなど)や、還元ガス(例えば、窒素ガスおよび水素ガスの混合ガス)雰囲気下において、原料錯体を加熱する。 In order to fire the raw material complex, for example, the raw material complex is heated in an atmosphere of an inert gas (for example, nitrogen gas, argon gas, etc.) or a reducing gas (for example, a mixed gas of nitrogen gas and hydrogen gas).
焼成するときの不活性ガスの流量は、原料錯体1gあたり、例えば、10mL/分以上、好ましくは、15mL/分以上であり、例えば、40mL/分以下である。 The flow rate of the inert gas at the time of baking is, for example, 10 mL / min or more, preferably 15 mL / min or more, for example, 40 mL / min or less per 1 g of the raw material complex.
また、焼成温度は、例えば、400℃以上、好ましくは、600℃以上であり、また、例えば、1000℃以下である。焼成時間は、例えば、1時間以上であり、また、例えば、10時間以下、好ましくは、5時間以下である。 The firing temperature is, for example, 400 ° C. or higher, preferably 600 ° C. or higher, and for example, 1000 ° C. or lower. The firing time is, for example, 1 hour or longer, and for example, 10 hours or shorter, preferably 5 hours or shorter.
これにより、原料錯体の焼成体を得ることができる。 Thereby, the sintered body of a raw material complex can be obtained.
そして、多孔質層11を形成するには、例えば、過酸化水素分解触媒をバインダーとともに溶媒に分散させて得られるインクを、基材10の厚み方向一方面に塗布し、乾燥した後、熱処理する。バインダーとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレンや、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体などのフッ素樹脂が挙げられる。
In order to form the
熱処理は、例えば、80〜120℃で、30〜90分間、次いで、200〜300℃で、30〜90分間、次いで、300〜400℃で、30〜90分間、不活性ガス(例えば、窒素)雰囲気下で、行なう。基材10に塗布されたインクを乾燥および熱処理することにより、多孔質層11に細孔を形成することができる。
The heat treatment is performed, for example, at 80 to 120 ° C. for 30 to 90 minutes, then at 200 to 300 ° C. for 30 to 90 minutes, then at 300 to 400 ° C. for 30 to 90 minutes, and an inert gas (for example, nitrogen) Perform in an atmosphere. The pores can be formed in the
アノード側セパレータ5は、燃料拡散シート3の厚み方向一方面に接触するように、膜電極接合体2の厚み方向一方側に対向配置されている。アノード側セパレータ5は、ガス不透過性の導電性材料から形成されている。アノード側セパレータ5は、燃料流路12を有している。
The anode-
燃料流路12は、アノード側セパレータ5の厚み方向他方面に形成されている。燃料流路12は、アノード側セパレータ5の厚み方向他方面から厚み方向一方へ凹む凹溝であり、幅方向に折り返されながら、上下方向に延びる葛折り形状に形成されている。燃料流路12は、燃料拡散シート3に向かい合っている。
The
カソード側セパレータ6は、空気拡散シート4の基材10の厚み方向他方面に接触するように、膜電極接合体2の厚み方向他方側に対向配置されている。すなわち、カソード側セパレータ6とカソード9との間には、多孔質層11が介在されている。カソード側セパレータ6は、ガス不透過性の導電性材料から形成されている。カソード側セパレータ6は、空気流路13を有している。
The cathode-side separator 6 is disposed opposite to the other side in the thickness direction of the membrane electrode assembly 2 so as to contact the other side in the thickness direction of the
空気流路13は、カソード側セパレータ6の厚み方向一方面に形成されている。空気流路13は、カソード側セパレータ6の厚み方向一方面から厚み方向他方へ凹む凹溝であり、幅方向に折り返されながら、上下方向に延びる葛折り形状に形成されている。空気流路13は、空気拡散シート4の基材10に向かい合っている。
The
なお、複数の燃料電池セルSが積層されたスタック構造として構成される場合には、アノード側セパレータ5の厚み方向一方面には、隣りの膜電極接合体2のカソード9に向かい合う空気流路13が形成される。また、カソード側セパレータ6の厚み方向他方面には、隣りの膜電極接合体2のアノード8に向かい合う燃料流路12が形成される。
2.発電
次いで、燃料電池1における発電について説明する。
In the case of a stack structure in which a plurality of fuel cells S are stacked, an
2. Next, power generation in the
図1に示すように、燃料電池1の燃料流路12に液体燃料が供給されると、燃料流路12に供給された液体燃料は、燃料拡散シート3と接触しながら燃料流路12内を下側から上側へ流れる。このとき、燃料流路12内を流れる液体燃料は、燃料拡散シート3の細孔を通過して、アノード8に供給される。
As shown in FIG. 1, when liquid fuel is supplied to the
なお、アノード8に供給された液体燃料の一部は、電解質膜7を透過し、カソード9に漏出する(クロスリーク)。これにより、液体燃料に含まれる水がカソード9に供給される。
A part of the liquid fuel supplied to the
また、外部からの空気は、燃料電池1の空気流路13に供給される。
Air from the outside is supplied to the
空気流路13に供給された空気は、空気流路13内を上側から下側へ流れる。このとき、空気流路13内を流れる空気は、空気拡散シート4の基材10の細孔、および、多孔質層11を通過して、カソード9に供給される。
The air supplied to the
これにより、燃料電池1では、燃料成分がヒドラジンである場合には、下記反応式(1)〜(3)で表される電気化学反応が生じ、発電が行なわれる。
(1)N2H4+4OH−→N2+4H2O+4e− (アノード8での反応)
(2)O2+2H2O+4e−→4OH− (カソード9での反応)
(3)N2H4+O2→N2+2H2O (燃料電池1全体での反応)
また、燃料成分がメタノールである場合には、下記反応式(4)〜(6)で表される電気化学反応が生じ、発電が行なわれる。
(4)CH3OH+6OH−→CO2+5H2O+6e− (アノード8での反応)
(5)O2+2H2O+4e−→4OH− (カソード9での反応)
(6)CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O (燃料電池1全体での反応)
これらの反応により、燃料成分(N2H4またはCH3OH)が消費されるとともに、水(H2O)およびガス(N2またはCO2)が生成され、起電力(e−)が発生する。
3.作用効果
本発明の過酸化水素分解触媒によれば、白金のような貴金属を使用することなく、鉄に配位子が配位したFe錯体、および、マンガンに配位子が配位したMn錯体の少なくともいずれか一方を含有する原料錯体の焼成体を含む。
Thereby, in the
(1) N 2 H 4 + 4OH − → N 2 + 4H 2 O + 4e − (reaction at anode 8)
(2) O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − (reaction at cathode 9)
(3) N 2 H 4 + O 2 → N 2 + 2H 2 O (reaction in the entire fuel cell 1)
Further, when the fuel component is methanol, an electrochemical reaction represented by the following reaction formulas (4) to (6) occurs, and power generation is performed.
(4) CH 3 OH + 6OH − → CO 2 + 5H 2 O + 6e − (reaction at anode 8)
(5) O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − (reaction at cathode 9)
(6) CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O (reaction in the entire fuel cell 1)
By these reactions, fuel components (N 2 H 4 or CH 3 OH) are consumed, and water (H 2 O) and gas (N 2 or CO 2 ) are generated, and electromotive force (e − ) is generated. To do.
3. According to the hydrogen peroxide decomposition catalyst of the present invention, an Fe complex in which a ligand is coordinated to iron and a Mn complex in which a ligand is coordinated to manganese without using a noble metal such as platinum. A fired body of a raw material complex containing at least one of the above.
そのため、後述する実施例で示すように、白金触媒を同等の過酸化水素分解活性を得ることができながら、過酸化水素分解触媒の低コスト化を図ることができる。 Therefore, as shown in the examples described later, it is possible to reduce the cost of the hydrogen peroxide decomposition catalyst while obtaining the equivalent hydrogen peroxide decomposition activity of the platinum catalyst.
また、上記した発電において、カソード9では、上記(2)、(5)に示す酸素還元反応とともに、副反応として、下記(7)に示すように、過酸化水素の発生を伴う酸素還元反応が起こる場合がある。
(7)O2+H2O+2e−→HO2 −+OH− (カソード9での副反応)
ここで、上記(7)に示す副反応は、炭素によって、選択的に促進される傾向にある。
In the power generation described above, at the cathode 9, as well as the oxygen reduction reactions shown in (2) and (5) above, as a side reaction, as shown in the following (7), an oxygen reduction reaction accompanied by the generation of hydrogen peroxide occurs. May happen.
(7) O 2 + H 2 O + 2e - → HO 2 - + OH - ( secondary reaction at the cathode 9)
Here, the side reaction shown in the above (7) tends to be selectively promoted by carbon.
また、液体燃料に水酸化カリウムなどのアルカリ性の電解質が含まれていると、液体燃料がクロスリークによってカソード9や空気拡散シート4の多孔質層11に漏出したときに、上記(7)に示す副反応が、さらに促進される傾向にある。
Further, when the liquid fuel contains an alkaline electrolyte such as potassium hydroxide, when the liquid fuel leaks into the cathode 9 or the
そのため、カソード9や多孔質層11に炭素が含まれていると、上記(7)に示す副反応が促進され、副生した過酸化水素が、カソード側セパレータ6等の周辺の部材に作用して、周辺の部材を劣化させるおそれがある。
Therefore, if the cathode 9 or the
しかし、本発明の燃料電池1によれば、鉄に配位子が配位したFe錯体、および、マンガンに配位子が配位したMn錯体の少なくともいずれか一方を含有する原料錯体の焼成体を含む多孔質層11(すなわち、過酸化水素分解触媒層)が、カソード9とカソード側セパレータ6との間に配置されている。
However, according to the
そのため、カソード9において副生した過酸化水素を、カソード側セパレータ6等の周辺の部材に作用する前に、多孔質層11において効率よく分解することができる。
Therefore, the hydrogen peroxide produced as a by-product in the cathode 9 can be efficiently decomposed in the
その結果、白金のような貴金属を過酸化水素分解触媒として使用する場合と比べて、燃料電池1の高コスト化を抑制しつつ、副生した過酸化水素によって、カソード側セパレータ6等の部材が劣化することを防止することができる。
As a result, compared with the case where a noble metal such as platinum is used as a hydrogen peroxide decomposition catalyst, the cost of the
なお、上記した実施形態において、液体燃料の代わりに、水素ガスなどを用いることもできる。 In the above-described embodiment, hydrogen gas or the like can be used instead of the liquid fuel.
次に、本発明を、実施例および比較例に基づいて説明するが、本発明は、下記の実施例によって限定されるものではない。なお、「部」および「%」は、特に言及がない限り、質量基準である。また、以下の記載において用いられる配合割合(含有割合)、物性値、パラメータなどの具体的数値は、上記の「発明を実施するための形態」において記載されている、それらに対応する配合割合(含有割合)、物性値、パラメータなど該当記載の上限値(「以下」、「未満」として定義されている数値)または下限値(「以上」、「超過」として定義されている数値)に代替することができる。 Next, although this invention is demonstrated based on an Example and a comparative example, this invention is not limited by the following Example. “Part” and “%” are based on mass unless otherwise specified. In addition, specific numerical values such as a blending ratio (content ratio), physical property values, and parameters used in the following description are described in the above-mentioned “Mode for Carrying Out the Invention”, and a blending ratio corresponding to them ( Substituting the upper limit value (numerical value defined as “less than” or “less than”) or the lower limit value (number defined as “greater than” or “exceeded”) such as content ratio), physical property values, parameters, etc. be able to.
1.過酸化水素分解活性の評価
<実施例1>
Feフェナントロリン系触媒5mgに、25ppm過酸化水素水溶液20mlを加え、25℃で撹拌した。
1. Evaluation of hydrogen peroxide decomposition activity <Example 1>
To 5 mg of the Fe phenanthroline catalyst, 20 ml of a 25 ppm aqueous hydrogen peroxide solution was added and stirred at 25 ° C.
時間経過に伴う過酸化水素濃度の変化を、過酸化水素試験紙(菱江化学社製)により測定した。結果を図3に示す。
<実施例2>
Feフェナントロリン系触媒の代わりに、Feナイカルバジン系触媒(NPC−2000、Pajarito社製)を使用した以外は、実施例1と同様にして、時間経過に伴う過酸化水素濃度の変化を測定した。結果を図3に示す。
<比較例1>
Feフェナントロリン系触媒の代わりに、Pt担持カーボン触媒(TEC10E60E、田中貴金属製)を使用した以外は、実施例1と同様にして、時間経過に伴う過酸化水素濃度の変化を測定した。結果を図3に示す。
<比較例2>
Feフェナントロリン系触媒の代わりに、ケッチェンブラックを使用した以外は、実施例1と同様にして、時間経過に伴う過酸化水素濃度の変化を測定した。結果を図3に示す。
Changes in the hydrogen peroxide concentration over time were measured with a hydrogen peroxide test paper (Hishoe Chemical Co., Ltd.). The results are shown in FIG.
<Example 2>
A change in the hydrogen peroxide concentration with the passage of time was measured in the same manner as in Example 1 except that a Fe nicarbazine catalyst (NPC-2000, manufactured by Pajarito) was used instead of the Fe phenanthroline catalyst. The results are shown in FIG.
<Comparative Example 1>
The change in the hydrogen peroxide concentration over time was measured in the same manner as in Example 1 except that a Pt-supported carbon catalyst (TEC10E60E, manufactured by Tanaka Kikinzoku) was used instead of the Fe-phenanthroline-based catalyst. The results are shown in FIG.
<Comparative example 2>
The change in the hydrogen peroxide concentration over time was measured in the same manner as in Example 1 except that ketjen black was used instead of the Fe-phenanthroline-based catalyst. The results are shown in FIG.
2.燃料電池の性能評価
(1)燃料電池の作製
<実施例3>
(1−1)アノードの形成
Ni担持カーボン触媒(Cataler社製)0.15gと、溶媒(テトラヒドロフランと1−プロピルアルコールとの質量比1:1での混合物)1.5gとを超音波処理により、25℃で10分間分散した。
2. Performance Evaluation of Fuel Cell (1) Fabrication of Fuel Cell <Example 3>
(1-1) Formation of Anode 0.15 g of Ni-supported carbon catalyst (manufactured by Cataler) and 1.5 g of a solvent (a mixture of tetrahydrofuran and 1-propyl alcohol at a mass ratio of 1: 1) were subjected to ultrasonic treatment. And dispersed at 25 ° C. for 10 minutes.
次いで、得られた混合物に、2質量%アニオン交換樹脂溶液(溶媒:テトラヒドロフランと1−プロピルアルコールとの質量比1:1での混合物)1.0gを加えた。 Next, 1.0 g of a 2 mass% anion exchange resin solution (solvent: a mixture of tetrahydrofuran and 1-propyl alcohol at a mass ratio of 1: 1) was added to the obtained mixture.
次いで、25℃で3分間超音波で分散することにより、アノード用インクを調製した。 Subsequently, the ink for anodes was prepared by disperse | distributing with an ultrasonic wave at 25 degreeC for 3 minute (s).
得られたアノード用インクを、アニオン交換膜(電解質膜)の一方面を被覆するように、スプレー法により塗布した。 The obtained anode ink was applied by a spray method so as to cover one surface of the anion exchange membrane (electrolyte membrane).
その後、25℃で乾燥することにより、アノードを形成した。 Then, the anode was formed by drying at 25 degreeC.
アノードの触媒担持量は、2.6mg/cm2であった。
(1−2)カソードの形成
Feナイカルバジン系触媒(NPC−2000、Pajarito社製)0.03gと、ケッチェンブラック0.02gとを、溶媒(テトラヒドロフランと1−プロピルアルコールとの質量比1:1での混合物)1.5gに、超音波処理により、25℃で10分間分散した。
The amount of catalyst supported on the anode was 2.6 mg / cm 2 .
(1-2) Formation of Cathode Fe Nicarbazin-based catalyst (NPC-2000, manufactured by Pajarito) 0.03 g and Ketjen Black 0.02 g were mixed with a solvent (tetrahydrofuran and 1-propyl alcohol in a mass ratio of 1: 1). The mixture was dispersed in 1.5 g by sonication at 25 ° C. for 10 minutes.
得られた混合物に、2質量%アニオン交換樹脂溶液(溶媒:テトラヒドロフランと1−プロピルアルコールとの質量比1:1での混合物)1.0gを加えた。 To the obtained mixture, 1.0 g of a 2% by mass anion exchange resin solution (solvent: a mixture of tetrahydrofuran and 1-propyl alcohol at a mass ratio of 1: 1) was added.
そして、25℃で3分間超音波で分散することにより、カソード用インクを調製した。 Then, an ink for a cathode was prepared by dispersing with ultrasonic waves at 25 ° C. for 3 minutes.
得られたカソード用インクを、アニオン交換膜の他方面(アノードが形成される表面と反対側の表面)を被覆するように、スプレー法により塗布した。 The obtained cathode ink was applied by spraying so as to cover the other side of the anion exchange membrane (the surface opposite to the surface on which the anode is formed).
その後、25℃で乾燥することにより、カソードを形成した。 Then, the cathode was formed by drying at 25 degreeC.
カソードの触媒担持量は、1.0mg/cm2であった。
(1−3)多孔質層の形成
Feナイカルバジン系触媒(NPC−2000、Pajarito社製)0.2gに、溶媒(水+1−プロパノール(1:3質量比))1.5g、40質量%PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)溶液0.12g、40質量%FEP(四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体)溶液0.12gを加え、超音波処理により、25℃で60分間分散した。
The amount of catalyst supported on the cathode was 1.0 mg / cm 2 .
(1-3) Formation of porous layer To 0.2 g of Fe nicarbazine-based catalyst (NPC-2000, manufactured by Pajarito), 1.5 g of solvent (water + 1-propanol (1: 3 mass ratio)), 40 mass% PTFE 0.12 g of (polytetrafluoroethylene) solution and 0.12 g of 40 mass% FEP (tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer) solution were added and dispersed at 25 ° C. for 60 minutes by ultrasonic treatment.
得られたインクを、導電性多孔質体のカーボンシート(空気拡散シート)の一方の表面を被覆するように、ドクターブレードにより塗布した。 The obtained ink was applied by a doctor blade so as to cover one surface of the carbon sheet (air diffusion sheet) of the conductive porous body.
その後、塗布されたインクを、25℃で乾燥した後、100℃で60分間、260℃で60分間、360℃で60分間、窒素雰囲気下で熱処理を行なった。 Thereafter, the coated ink was dried at 25 ° C., and then heat-treated in a nitrogen atmosphere at 100 ° C. for 60 minutes, 260 ° C. for 60 minutes, and 360 ° C. for 60 minutes.
熱処理後、5MPaでコールドプレスすることで、カーボンシート(空気拡散シート)に多孔質層を形成した。多孔質層の触媒担持量は、5.0mg/cm2であった。
(1−4)燃料電池セルの組み立て
アノードおよびカソードが形成された膜電極接合体のアノードにカーボンシート(燃料拡散シート)を接合するとともに、カソードに多孔質層付きカーボンシート(空気拡散シート)を接合した。
After the heat treatment, a porous layer was formed on the carbon sheet (air diffusion sheet) by cold pressing at 5 MPa. The catalyst loading of the porous layer was 5.0 mg / cm 2 .
(1-4) Assembly of fuel cell A carbon sheet (fuel diffusion sheet) is joined to the anode of the membrane electrode assembly in which the anode and cathode are formed, and a carbon sheet with a porous layer (air diffusion sheet) is attached to the cathode. Joined.
得られた接合体にシール材を取り付け、アノード側セパレータとカソード側セパレータとで挟み込むことにより、燃料電池セルを組み立てた。
<比較例3>
多孔質層の形成(上記(1−3)参照)において、Feナイカルバジン系触媒に代えて、ケッチェンブラックを用いた以外は、実施例3と同様にして、燃料電池セルを得た。
(2)性能評価
(2−1)開回路電圧の測定
実施例3および比較例3で得られた燃料電池セルについて、開回路電圧を、電子負荷(Scribner社製)により測定した。
A fuel cell was assembled by attaching a sealing material to the obtained joined body and sandwiching it between an anode side separator and a cathode side separator.
<Comparative Example 3>
In the formation of the porous layer (see (1-3) above), a fuel cell was obtained in the same manner as in Example 3 except that ketjen black was used instead of the Fe nicarbazine-based catalyst.
(2) Performance Evaluation (2-1) Measurement of Open Circuit Voltage For the fuel cells obtained in Example 3 and Comparative Example 3, the open circuit voltage was measured with an electronic load (manufactured by Scribner).
なお、測定時には、アノードに、水加ヒドラジン1mol/dm3・1N水酸化カリウム水溶液を、1.2mL/minの速度で供給し、カソードに、25℃の飽和加湿空気を0.1L/minの速度で供給した。燃料電池セルのセル運転温度は60℃とした。結果を、図4に示す。
(2−2)過酸化水素発生量の測定
開回路電圧の測定するときのカソード側の廃液を採取し、過酸化水素試験紙(菱江化学社製)により、廃液中の過酸化水素発生量を測定した。結果を、図5に示す。
At the time of measurement, a
(2-2) Measurement of the amount of hydrogen peroxide generated Collect the waste liquid on the cathode side when measuring the open circuit voltage, and measure the amount of hydrogen peroxide generated in the waste liquid using a hydrogen peroxide test paper (manufactured by Hishie Chemical Co., Ltd.). It was measured. The results are shown in FIG.
1 燃料電池
2 膜電極接合体
5 アノード側セパレータ
6 カソード側セパレータ
7 電解質膜
8 アノード
9 カソード
11 多孔質層
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記膜電極接合体の一方側に配置されるアノード側セパレータと、
前記膜電極接合体の他方側に配置されるカソード側セパレータと、
前記カソードと前記カソード側セパレータとの間に配置される多孔質層と
を備え、
前記多孔質層は、鉄に配位子が配位したFe錯体、および、マンガンに配位子が配位したMn錯体の少なくともいずれか一方を含有する原料錯体の焼成体を含むことを特徴とする、燃料電池。 A membrane electrode assembly having an electrolyte membrane, an anode formed on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode formed on the other surface of the electrolyte membrane;
An anode separator disposed on one side of the membrane electrode assembly;
A cathode separator disposed on the other side of the membrane electrode assembly;
A porous layer disposed between the cathode and the cathode separator,
The porous layer includes a fired body of a raw material complex containing at least one of an Fe complex in which a ligand is coordinated to iron and an Mn complex in which a ligand is coordinated to manganese. A fuel cell.
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