JP7613497B2 - Electrode catalyst layer and membrane electrode assembly - Google Patents
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Description
本開示は、アニオン交換膜水電解セルに適する電極触媒層および膜電極接合体に関する。 This disclosure relates to an electrode catalyst layer and a membrane electrode assembly suitable for an anion exchange membrane water electrolysis cell.
近年、カーボンニュートラルの達成に向けて様々な資源から生成できるCO2フリーなエネルギーとしての水素を主要なエネルギーとして利用する動きが加速している。このような水素を製造する方法として、再生可能エネルギーを用いて水の電解を行う手法が有望視されている。水の電解を行う手法としては一般に、アルカリ水電解及びプロトン交換膜(PEM:Proton Exchange Membrane)水電解が知られている。アルカリ水電解は大型化が容易であるが変動対応性に劣り、PEM水電解は変動対応性に優れるが高コストな貴金属材料を使用するデメリットがある。そこで、PEM水電解が有する変動対応性を維持しながら、材料コストの低減が期待できるアニオン交換膜(AEM:Anion Exchange Membrane)水電解が注目されている。 In recent years, the movement to use hydrogen as a CO2 - free energy that can be produced from various resources as a primary energy source has been accelerating in order to achieve carbon neutrality. As a method for producing such hydrogen, a method of electrolyzing water using renewable energy is considered to be promising. As a method for electrolyzing water, alkaline water electrolysis and proton exchange membrane (PEM) water electrolysis are generally known. Alkaline water electrolysis is easy to scale up but has poor adaptability to fluctuations, while PEM water electrolysis has the disadvantage of being excellent in adaptability to fluctuations but using expensive precious metal materials. Therefore, anion exchange membrane (AEM) water electrolysis, which is expected to reduce material costs while maintaining the adaptability of PEM water electrolysis, has attracted attention.
AEM水電解セルは一般に、一対の主電極と、一対の主電極の間に設けられる膜電極接合体とを備えており、膜電極接合体は、水酸化物イオンが伝導する固体高分子電解質膜の一面上にアノード側電極触媒層を設けてなる積層体と、アノード側電極触媒層とともに固体高分子電解質膜を挟むように設けられるカソード側電極触媒層とを有する。 AEM water electrolysis cells generally include a pair of main electrodes and a membrane electrode assembly disposed between the pair of main electrodes. The membrane electrode assembly includes a laminate having an anode side electrode catalyst layer disposed on one side of a solid polymer electrolyte membrane that conducts hydroxide ions, and a cathode side electrode catalyst layer disposed so as to sandwich the solid polymer electrolyte membrane together with the anode side electrode catalyst layer.
外部の電力をアノード側電極触媒層とカソード側電極触媒層に印加すると、それぞれの電極触媒層内の触媒上で水の電気分解反応が進み、アノードで酸素を、カソードで水素を生じる。 When external electricity is applied to the anode and cathode electrode catalyst layers, a water electrolysis reaction occurs on the catalyst in each electrode catalyst layer, producing oxygen at the anode and hydrogen at the cathode.
上記膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の一面に、例えば塗布法を用いて電極触媒層を形成することにより得られる(例えば下記特許文献1参照)。 The membrane electrode assembly is obtained by forming an electrode catalyst layer on one side of a solid polymer electrolyte membrane, for example, by using a coating method (see, for example, Patent Document 1 below).
しかし、上記特許文献1に記載の膜電極接合体は、電極触媒層にクラックが発生する場合があり、クラックの発生抑制の点で改善の余地を有していた。クラックの発生は、触媒に対する水酸化物イオンと電子の移動を阻害し、水の電解性能を低下させる場合がある。 However, the membrane electrode assembly described in Patent Document 1 may develop cracks in the electrode catalyst layer, and there is room for improvement in terms of preventing cracks from developing. The development of cracks may impede the transfer of hydroxide ions and electrons to the catalyst, reducing the water electrolysis performance.
本開示は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電極触媒層におけるクラックの発生を抑制することができ、水の電解性能を向上させた水電解セルに適する電極触媒層及び膜電極接合体を提供することを目的とする。 This disclosure has been made in consideration of the above problems, and aims to provide an electrode catalyst layer and a membrane electrode assembly suitable for a water electrolysis cell that can suppress the occurrence of cracks in the electrode catalyst layer and has improved water electrolysis performance.
[1]触媒粒子と、水酸化物イオンの伝導性を有する高分子電解質と、被覆繊維と、を備え、
前記被覆繊維は、繊維コアと、前記繊維コアの外周面を被覆する外周被覆層とを有し、
前記外周被覆層は、ルイス酸性官能基を含む高分子を含有する、電極触媒層。
[2]前記被覆繊維は、前記繊維コアと前記外周被覆層との間に中間被覆層とを有し、
前記中間被覆層は、ルイス塩基性官能基を有する高分子化合物を含有する、請求項[1]又は[2]に記載の電極触媒層。
[3]前記中間被覆層の前記高分子化合物は、アゾール構造を有する、[2]に記載の電極触媒層。
[4]前記中間被覆層の前記高分子化合物は、ポリベンゾイミダゾールである、[3]に記載の電極触媒層。
[5]前記繊維コアは導電性繊維である、[1]~[4]のいずれか一項に記載の電極触媒層。
[6]前記導電性繊維は、炭素繊維である、[5]に記載の電極触媒層。
[7]前記炭素繊維は、気相成長炭素繊維(VGCF)である、[6]に記載の電極触媒層。
[8]前記被覆繊維の平均繊維径が0.1~1μmの範囲内である、[1]~[7]のいずれか一項に記載の電極触媒層。
[9]アニオン交換膜水電解セル用である、[1]~[8]のいずれか一項に記載の電極触媒層。
[10]カソード側電極触媒層である、[9]に記載の電極触媒層。
[11]高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟持するアノード側電極触媒層及びカソード側電極触媒層と、を備え、
前記カソード側電極触媒層は、[1]~[10]のいずれか一項に記載の電極触媒層である、膜電極接合体。
[1] A catalyst comprising catalyst particles, a polymer electrolyte having hydroxide ion conductivity, and a coated fiber;
The coated fiber has a fiber core and an outer circumferential coating layer that covers an outer circumferential surface of the fiber core,
The outer peripheral coating layer comprises a polymer having a Lewis acidic functional group.
[2] The coated fiber has an intermediate coating layer between the fiber core and the outer coating layer,
The electrode catalyst layer according to claim [1] or [2], wherein the intermediate coating layer contains a polymer compound having a Lewis basic functional group.
[3] The electrode catalyst layer according to [2], wherein the polymer compound of the intermediate coating layer has an azole structure.
[4] The electrode catalyst layer according to [3], wherein the polymer compound of the intermediate coating layer is polybenzimidazole.
[5] The electrode catalyst layer according to any one of [1] to [4], wherein the fiber core is a conductive fiber.
[6] The electrode catalyst layer according to [5], wherein the conductive fibers are carbon fibers.
[7] The electrode catalyst layer according to [6], wherein the carbon fiber is vapor grown carbon fiber (VGCF).
[8] The electrode catalyst layer according to any one of [1] to [7], wherein the average fiber diameter of the coated fibers is within a range of 0.1 to 1 μm.
[9] The electrode catalyst layer according to any one of [1] to [8], which is for an anion exchange membrane water electrolysis cell.
[10] The electrode catalyst layer according to [9], which is a cathode-side electrode catalyst layer.
[11] A fuel cell comprising: a polymer electrolyte membrane; and an anode-side electrode catalyst layer and a cathode-side electrode catalyst layer sandwiching the polymer electrolyte membrane;
The cathode-side electrode catalyst layer is the electrode catalyst layer according to any one of [1] to [10].
本発明の一態様の電極触媒層及び膜電極接合体によれば、簡便な手法を用いて十分な機械的強度を有し、水の電解性能を向上させた水電解セル用積層体を提供することができる。 The electrode catalyst layer and membrane electrode assembly of one embodiment of the present invention can provide a laminate for a water electrolysis cell that has sufficient mechanical strength and improved water electrolysis performance using a simple method.
<実施形態>
以下に、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
ここで、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造等が下記のものに特定されるものではない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
<Embodiment>
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
Here, the drawings are schematic, and the relationship between thickness and planar dimensions, the thickness ratio of each layer, etc. differ from the actual ones. Furthermore, the embodiments shown below are merely examples of configurations for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is not limited to the materials, shapes, structures, etc. of the components described below. The technical idea of the present invention can be modified in various ways within the technical scope defined by the claims.
〔膜電極接合体〕
本実施形態の膜電極接合体11は、図1に示すように、高分子電解質膜1と、高分子電解質膜1を高分子電解質膜1の上下各面から狭持するアノード側電極触媒層3(図1中、上側に示す)、及び、カソード側電極触媒層2(図1中、下側に示す)とを備える。
[Membrane Electrode Assembly]
As shown in FIG. 1 , the membrane electrode assembly 11 of the present embodiment includes a polymer electrolyte membrane 1, and an anode-side electrode catalyst layer 3 (shown on the upper side in FIG. 1 ) and a cathode-side electrode catalyst layer 2 (shown on the lower side in FIG. 1 ) that sandwich the polymer electrolyte membrane 1 from above and below.
(カソード側電極触媒層2)
図2に示すように、カソード側電極触媒層2は、触媒粒子12と、高分子電解質13と、被覆繊維14と、を含む。
(Cathode side electrode catalyst layer 2)
As shown in FIG. 2, the cathode side electrode catalyst layer 2 includes catalyst particles 12, a polymer electrolyte 13, and coated
(触媒粒子)
触媒粒子12は、粒子状である。触媒粒子の活性の向上を要求される場合、触媒粒子の平均粒径は、20nm以下であることが好ましく、5nm以下であることがより好ましい。触媒粒子の活性の安定化を要求される場合、触媒粒子の平均粒径は、0.5nm以上であることが好ましく、1nm以上であることがより好ましい。
(Catalyst particles)
The catalyst particles 12 are particulate. When improvement of the activity of the catalyst particles is required, the average particle size of the catalyst particles is preferably 20 nm or less, and more preferably 5 nm or less. When stabilization of the activity of the catalyst particles is required, the average particle size of the catalyst particles is preferably 0.5 nm or more, and more preferably 1 nm or more.
カソード側電極触媒層の触媒粒子は、還元反応を行うための触媒である。触媒粒子の構成材料としては、白金族元素、金属、その金属の合金や酸化物、複酸化物等を用いることができる。白金族元素としては、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムがあり、金属としては、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウムもしくはアルミニウム等が例示できる。なお、ここでいう複酸化物とは2種類の金属からなる酸化物である。 The catalyst particles in the cathode electrode catalyst layer are catalysts for carrying out reduction reactions. The constituent materials of the catalyst particles can be platinum group elements, metals, alloys, oxides, double oxides, etc. of these metals. Examples of platinum group elements include platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, and osmium, and examples of metals include iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum. Note that a double oxide is an oxide made of two types of metals.
カソード側電極触媒層の触媒粒子は、担体15に担持されていてもよい。担体は導電性を有し、かつ触媒物質に浸食されない粒子である。担体の一例は、炭素粒子である。電子の伝導路の拡張を要求される場合、担体の粒径は、10nm以上であることが好ましい。電極触媒層の抵抗値の低下を要求される場合、また触媒粒子の担持量の増大を要求される場合、担体の粒径は、1000nm以下であることが好ましく、100nm以下であることがより好ましい。
担体の構成材料の一例は、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭、およびフラーレンからなる群から選択される少なくとも一種である。カーボンブラックは、アセチレンブラック、ファーネスブラック、および、ケッチェンブラックからなる群から選択される少なくとも一種である。
The catalyst particles of the cathode-side electrode catalyst layer may be supported on a carrier 15. The carrier is a particle that is conductive and is not eroded by the catalyst material. An example of the carrier is carbon particles. When an expansion of the electron conduction path is required, the particle size of the carrier is preferably 10 nm or more. When a reduction in the resistance value of the electrode catalyst layer is required, or an increase in the amount of catalyst particles supported is required, the particle size of the carrier is preferably 1000 nm or less, and more preferably 100 nm or less.
An example of the material of the carrier is at least one selected from the group consisting of carbon black, graphite, activated carbon, and fullerene. The carbon black is at least one selected from the group consisting of acetylene black, furnace black, and ketjen black.
(高分子電解質)
高分子電解質13は、水酸化物イオンの伝導性を有した高分子の電解質であり、いわゆるアニオン交換膜である。高分子電解質は、水酸化物イオンを伝導するものであれば特に限定するものではない。例えば、フッ素系アニオン交換電解質や炭化水素系アニオン交換電解質がある。フッ素系の電解質としてはパーフルオロカーボン系電解質、炭化水素系の電解質としてはスチレン系電解質やアクリル系電解質などが挙げられる。
(Polymer electrolyte)
The polymer electrolyte 13 is a polymer electrolyte having hydroxide ion conductivity, and is a so-called anion exchange membrane. The polymer electrolyte is not particularly limited as long as it conducts hydroxide ions. For example, there are fluorine-based anion exchange electrolytes and hydrocarbon-based anion exchange electrolytes. Examples of fluorine-based electrolytes include perfluorocarbon-based electrolytes, and examples of hydrocarbon-based electrolytes include styrene-based electrolytes and acrylic-based electrolytes.
(被覆繊維14)
図3に示すように、被覆繊維14は、繊維コア14Aと、繊維コア14Aの外周面を被覆する外周被覆層14Cと、を有する。なお、繊維コア14Aと外周被覆層14Cとの間に中間被覆層14Bを有することが好ましい。
(Coated fiber 14)
3, the coated
(繊維コア14A)
繊維コア14Aに特段の限定はなく、非導電性繊維でもよいが、導電性繊維であることが好ましい。非導電性繊維の例は、電界紡糸で得られた高分子繊維や、セルロースナノファイバーである。導電性繊維の例は、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどの炭素繊維、および、導電性高分子ナノファイバーである。すなわち、繊維コアは、中実でも中空でもよい。
(
The
導電性繊維コアの中でも、繊維コア14Aは、カーボン繊維であることが好ましく、特に、気相成長炭素繊維(VGCF)であることが好適である。
繊維コアの平均繊維径は45nm~0.8μmであってよい。繊維コアの平均繊維径は、被覆繊維の平均繊維径と同様に測定することが出来る。
Among the conductive fiber cores, the
The average fiber diameter of the fiber core may be from 45 nm to 0.8 μm. The average fiber diameter of the fiber core can be measured in the same manner as the average fiber diameter of the coated fibers.
(外周被覆層14C)
外周被覆層14Cは、分子構造中にルイス酸性官能基を含む高分子を含有する。
ルイス酸性官能基とは、電子対を受容しうる官能基をいう。ルイス酸性官能基は、プロトンを供与しうる官能基であってよい。ルイス酸性官能基の例は、-SO3H、-COOHである。ルイス酸性官能基を含む高分子の例は、プロトンの伝導性を有したカチオン交換電解質である。フッ素系カチオン交換電解質の一例は、Nafion((登録商標)デュポン(株)製)、Flemion((登録商標)旭硝子(株)製)、Aciplex((登録商標)旭化成(株)製)、Gore-Select((登録商標)日本ゴア合同会社製)からなる群から選択される少なくとも一種である。炭化水素系カチオン交換電解質の一例は、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、およびスルホン化ポリフェニレンからなる群から選択される少なくとも一種である。
(
The
Lewis acidic functional groups refer to functional groups that can accept an electron pair. Lewis acidic functional groups may be functional groups that can donate a proton. Examples of Lewis acidic functional groups include -SO 3 H, - COOH. An example of a polymer containing a Lewis acid functional group is a cation exchange electrolyte having proton conductivity. An example of a fluorine-based cation exchange electrolyte is Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont Co., Ltd.). At least one selected from the group consisting of Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation), and Gore-Select (registered trademark, manufactured by Gore Japan, LLC). An example of the hydrocarbon-based cation exchange electrolyte is at least one selected from the group consisting of sulfonated polyether ketone, sulfonated polyether sulfone, sulfonated polyether ether sulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene. be.
外周被覆層14Cが、分子構造中にルイス酸性官能基を含む高分子を含有すると、ルイス酸性の官能基を有する高分子(外周被覆層)に、水酸化物イオンの伝導性を有する高分子電解質が吸着するため、電極触媒層におけるクラックの発生が抑制されるなど、電極触媒層の機械特性の向上により耐久性の改善が得られる。また、機械特性の向上と共に、被覆繊維14上に水酸化物イオンの導電性を有する高分子電解質が吸着することで水酸化物イオンの伝導パスが形成され、高い電解性能が得られる。いいかえると、繊維コア14Aに水酸化物イオンの伝導性を有する高分子電解質を直接吸着させるよりも、ルイス酸性官能基を含む高分子を含有する外周被覆層14Cを介することで水酸化物イオンの伝導性を有する高分子電解質を被覆繊維14に強く吸着させることができる。
When the
一方、ルイス酸性官能基を含む高分子を含有する外周被覆層14Cを使用しない場合は、電極触媒層の機械特性が不十分で、クラックの発生を抑制することが困難で、耐久性を改善することができないと推定される。また、水酸化物イオンの伝導性を有する高分子電解質が分散されることから、水酸化物イオンの伝導パスの形成が阻害され、電解性能を改善することができないと推定される。
On the other hand, if the
外周被覆層14Cは、ルイス酸性官能基を含む高分子を主成分として含むことが好適である。主成分とは、50質量%以上を占めることを言う。外周被覆層14Cにおけるルイス酸性官能基を含む高分子の質量割合は、70質量%でも80質量%でも、90質量%でもよい。
It is preferable that the
外周被覆層14Cの厚みに特に限定はないが、たとえば、20~100nm程度であってよい。
There is no particular limit to the thickness of the
(中間被覆層14B)
中間被覆層14Bは、分子構造中にルイス塩基性官能基を含む高分子を含有する。ルイス塩気性官能基とは、電子対を供与しうる官能基をいう。ルイス塩基性官能基の例は、イミド構造、及び/又は、アゾール構造である。イミド構造を有する高分子の例は芳香族ポリイミドなどのポリイミドである。アゾール構造の例は、ベンゾアゾール構造であり、ベンゾアゾール構造の例は、ベンゾイミダゾール構造、ベンゾオキサゾール構造、ベンゾチアゾール構造である。これらの高分子としては、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリエンゾチアゾールが例示できる。
(
The
ポリベンゾイミダゾールは、その分子構造に、外周被覆層14Cが含有するルイス酸性官能基を含む高分子(外周被覆層)との相互作用を示す塩基性の部位と、繊維コア14Aのカーボンとの相互作用を示すベンゼン環の部位とを有するため、炭素繊維を被覆するのに適した重合体の一つである。すなわち、炭素繊維である繊維コア14Aと外周被覆層14Cとの間に中間被覆層14Bを有することで、炭素繊維である繊維コア14Aと中間被覆層14Bとの密着性が向上する。また、ルイス塩基性官能基を有する高分子を含む中間被覆層14Bの上にルイス酸性官能基を含む高分子を含有する外周被覆層14Cが設けられるので中間被覆層14Bと外周被覆層14Cとの密着性も向上する。
その結果、水酸化物イオンの伝導性を有する高分子電解質を被覆繊維14に強く吸着させることができる。
Polybenzimidazole is one of the polymers suitable for coating carbon fibers because its molecular structure has a basic portion that exhibits interaction with the polymer (peripheral coating layer) containing Lewis acidic functional groups contained in the
As a result, the polymer electrolyte having hydroxide ion conductivity can be strongly adsorbed onto the
中間被覆層14Bは、ルイス塩基性官能基を含む高分子を主成分として含むことが好適である。主成分とは、50質量%以上を占めることを言う。中間被覆層14Bにおけるルイス塩基性官能基を含む高分子の質量割合は、70質量%でも80質量%でも、90質量%でもよい。
It is preferable that the
中間被覆層14Bは、ポリベンゾイミダゾールを主成分とすることが好適である。主成分とは、50質量%以上を占めることを言う。ポリベンゾイミダゾールの質量割合は、70質量%でも80質量%でも、90質量%でもよい。
It is preferable that the
ポリベンゾイミダゾールは、繰り返し単位中にベンゾイミダゾール構造を含んでいれば特に限定はない。 There are no particular limitations on the polybenzimidazole as long as it contains a benzimidazole structure in the repeating unit.
中間被覆層14Bの厚みに特に限定はないが、たとえば、1~5nm程度であってよい。
There is no particular limit to the thickness of the
(作用機序)
本願発明者は、以上の構成からなる電極触媒層が高い機械特性を有し、また、高い電解性能を示すことを確認した。なお、詳細なメカニズムは、以下のように推測されるが、本発明は下記メカニズムに何ら拘束されるものではない。
(Mechanism of action)
The inventors of the present application have confirmed that the electrode catalyst layer having the above-mentioned configuration has high mechanical properties and also exhibits high electrolytic performance. The detailed mechanism is speculated as follows, but the present invention is not limited to the following mechanism.
被覆繊維14において、外周被覆層14C中のルイス酸性の官能基を有する高分子に水酸化物イオンの伝導性を有する高分子電解質が吸着するため、電極触媒層中のクラックの発生が抑制されるなど、電極触媒層の機械特性が向上して耐久性の改善が得られる。また、機械特性の向上と共に、被覆繊維14上に水酸化物イオンの伝導性を有する側高分子電解質が吸着することで水酸化物イオンの伝導パスが形成され、高い電解性能が得られる。
In the
一方、ルイス酸性の官能基を有する高分子を外周被覆層14Cに使用しない場合は、電極触媒層の機械特性が不十分で、クラックの発生を抑制することが困難で、耐久性を改善することができないと推定される。また、水酸化物イオンの伝導性を有する高分子電解質が分散されることから、水酸化物イオンの伝導パスの形成が阻害され、電解性能を改善することができないと推定される。
On the other hand, if a polymer having a Lewis acid functional group is not used in the
被覆繊維14において、繊維コア14Aと外周被覆層14Cとの間に中間被覆層14Bを有することで、中間被覆層14B中のルイス塩基性官能基を含む高分子に、外周被覆層14Cが含有するルイス酸性官能基を含む高分子が吸着するため、外周被覆層14Cの密着性が向上して耐久性のさらなる改善が得られる。また、中間被覆層14Bにポリベンゾイミダゾールを主成分とする高分子を使用することで、繊維コア14Aのカーボン繊維と外周被覆層14Cの密着性が向上して耐久性のさらなる改善が得られる。
In the
また、被覆繊維14の繊維コア14Aが気相成長炭素繊維(VGCF)であると、炭素面が同心円筒状に積層した年輪構造を取りやすく、中間被覆層14Bとの親和性が高くなりやすいと推定される。
In addition, if the
被覆繊維14の平均繊維径は、特に制限されるものではないが、好ましくは50nm~1μmであり、より好ましくは0.1~0.4μmである。この場合、電極触媒層にクラックが生じることがより抑制されやすい。また、高分子電解質膜と電極触媒層との密着性を向上させることもできる。このため、高分子電解質膜と電極触媒層との剥離による空隙の発生を抑制でき、この空隙に起因する膜電極接合体の抵抗の増大をより抑制できる。被覆繊維の平均繊維径が50nmに満たない場合は、機械特性が改善されにくい場合があると推定される。また、被覆繊維の平均繊維径が1μmを超える場合は、インクとして分散できない場合があると推定される。
The average fiber diameter of the
平均繊維径とは、電極触媒層の断面を、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察した際に、露出している被覆繊維の断面について測長される直径の平均値をいう。被覆繊維がその長軸に対して斜めに切断された場合には楕円形の断面が得られるが、その場合は、直径とは、楕円の短軸に沿ってフィッティングした真円の直径をいう。また、電極触媒層の断面を、SEMを用いて観察する場合、被覆繊維の断面ではなく被覆繊維の表面が露出することがある。その場合には、直径とは、露出した被覆繊維の長軸と直交する繊維の幅をいう。被覆繊維の平均繊維径は、少なくとも20カ所の観察点において同様に計測して得られる繊維径の算術平均値をいう。 The average fiber diameter refers to the average diameter measured for the cross-section of the exposed coated fiber when the cross-section of the electrode catalyst layer is observed using a scanning electron microscope (SEM). When the coated fiber is cut diagonally to its major axis, an elliptical cross-section is obtained, in which case the diameter refers to the diameter of a perfect circle fitted along the minor axis of the ellipse. When the cross-section of the electrode catalyst layer is observed using an SEM, the surface of the coated fiber may be exposed instead of the cross-section of the coated fiber. In that case, the diameter refers to the width of the fiber perpendicular to the major axis of the exposed coated fiber. The average fiber diameter of the coated fiber refers to the arithmetic mean value of the fiber diameters obtained by similar measurements at at least 20 observation points.
電極触媒層の断面を露出させる方法としては、例えば、イオンミリング、ウルトラミクロトーム等の公知の方法を用いることができる。 To expose the cross section of the electrode catalyst layer, known methods such as ion milling and ultramicrotome can be used.
被覆繊維の平均繊維長は、特に制限されるものではないが、好ましくは500nm以上であり、より好ましくは1μm以上である。この場合、被覆繊維が絡み合い、電極触媒層内で適切さ大きさの空孔を形成するとともに、電極触媒層の機械的特性を向上させることができる。但し、被覆繊維の平均繊維長は、好ましくは100μm以下であり、より好ましくは40μm以下である。 The average fiber length of the coated fibers is not particularly limited, but is preferably 500 nm or more, and more preferably 1 μm or more. In this case, the coated fibers become entangled, forming pores of appropriate size in the electrode catalyst layer, and the mechanical properties of the electrode catalyst layer can be improved. However, the average fiber length of the coated fibers is preferably 100 μm or less, and more preferably 40 μm or less.
被覆繊維の平均繊維長は、少なくとも10本の被覆繊維を測長して得られる繊維長の算術平均値をいうものとする。電極触媒層内の被覆繊維の平均繊維長は、電極触媒層を溶媒に溶かした溶液を用いて粒度分布測定を行うことで求めることができる。具体的には、電子顕微鏡で求めた平均繊維長と、粒度分布測定におけるピーク位置との間の相関関係を予め把握しておき、この相関関係と、粒度分布測定により求めたピーク位置に基づいて電極触媒層内の被覆繊維の平均繊維長が求められる。 The average fiber length of the coated fibers refers to the arithmetic average value of the fiber lengths obtained by measuring the lengths of at least 10 coated fibers. The average fiber length of the coated fibers in the electrode catalyst layer can be determined by performing particle size distribution measurement using a solution in which the electrode catalyst layer is dissolved in a solvent. Specifically, the correlation between the average fiber length determined by an electron microscope and the peak position in the particle size distribution measurement is determined in advance, and the average fiber length of the coated fibers in the electrode catalyst layer is determined based on this correlation and the peak position determined by the particle size distribution measurement.
カソード側電極触媒層2の組成に特に限定はないが、触媒粒子の質量を1として、高分子電解質(固形分)の質量を0.1~0.4、被覆繊維の質量を0.025~0.25とすることができる。 There are no particular limitations on the composition of the cathode electrode catalyst layer 2, but the mass of the catalyst particles can be 1, the mass of the polymer electrolyte (solid content) can be 0.1 to 0.4, and the mass of the coated fiber can be 0.025 to 0.25.
(アノード側電極触媒層3)
アノード側電極触媒層3は、図2に示すように、触媒粒子22と、高分子電解質23と、を含む。なお、アノード側電極触媒層3が、カソード側電極触媒層2と同様に被覆繊維14を含むことで、電極触媒層の機械特性が向上して耐久性の改善が得られる。また、機械特性の向上と共に、被覆繊維14上に水酸化物イオンの伝導性を有した高分子電解質が吸着することで水酸化物イオンの伝導パスが形成され、高い電解性能が得られる。
(Anode side electrode catalyst layer 3)
2, the anode electrode catalyst layer 3 includes catalyst particles 22 and a polymer electrolyte 23. The anode electrode catalyst layer 3 includes the
(触媒粒子)
触媒粒子22は、粒子状である。触媒粒子の活性の向上を要求される場合、触媒粒子の平均粒径は、20nm以下であることが好ましく、5nm以下であることがより好ましい。触媒粒子の活性の安定化を要求される場合、触媒粒子の平均粒径は、0.5nm以上であることが好ましく、1nm以上であることがより好ましい。
(Catalyst particles)
The catalyst particles 22 are particulate. When improvement of the activity of the catalyst particles is required, the average particle size of the catalyst particles is preferably 20 nm or less, and more preferably 5 nm or less. When stabilization of the activity of the catalyst particles is required, the average particle size of the catalyst particles is preferably 0.5 nm or more, and more preferably 1 nm or more.
アノード側電極触媒層の触媒粒子は、酸化反応を行うための触媒である。触媒粒子の構成材料としては、白金族に含まれる金属、白金族以外の金属、またはこれらの合金、酸化物、複酸化物、炭化物を用いることができる。中でも、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、白金、およびこれらの少なくとも1つを含む合金は触媒活性が高く好適である。なお、触媒粒子は上記例の1種のみであっても、2種以上の組み合わせであってもよい。 The catalyst particles in the anode-side electrode catalyst layer are catalysts for carrying out oxidation reactions. The constituent materials of the catalyst particles can be metals in the platinum group, metals other than the platinum group, or alloys, oxides, double oxides, and carbides of these metals. Among these, ruthenium, rhodium, palladium, iridium, platinum, and alloys containing at least one of these metals are preferred because of their high catalytic activity. The catalyst particles may be one of the above examples, or a combination of two or more of them.
アノード側電極触媒層の触媒粒子は、担体25に担持されていてもよい。担体は導電性を有し、かつ酸化雰囲気下で浸食されない粒子である。担体の一例は、チタンまたはスズ、ジルコニウムを含む酸化物の粒子である。電子の伝導路の拡張を要求される場合、担体の粒径は、10nm以上であることが好ましい。電極触媒層の抵抗値の低下を要求される場合、また触媒粒子の担持量の増大を要求される場合、担体の粒径は、1000nm以下であることが好ましく、100nm以下であることがより好ましい。 The catalyst particles of the anode-side electrode catalyst layer may be supported on a carrier 25. The carrier is a particle that is conductive and is not eroded in an oxidizing atmosphere. An example of the carrier is an oxide particle containing titanium, tin, or zirconium. When an expansion of the electron conduction path is required, the particle size of the carrier is preferably 10 nm or more. When a reduction in the resistance value of the electrode catalyst layer is required, or an increase in the amount of catalyst particles supported is required, the particle size of the carrier is preferably 1000 nm or less, and more preferably 100 nm or less.
(アノード側高分子電解質)
高分子電解質23は、カソード側電極触媒層の高分子電解質と同様の水酸化物イオンの伝導性を有した高分子電解質23を使用することができる。
(Anode side polymer electrolyte)
The polymer electrolyte 23 may be a polymer electrolyte 23 having hydroxide ion conductivity similar to that of the polymer electrolyte in the cathode side electrode catalyst layer.
(高分子電解質膜1)
高分子電解質膜1の一例は、水酸化物イオンの伝導性を有した高分子の電解質膜であり、いわゆる、アニオン交換樹脂膜である。高分子電解質膜は、水酸化物イオンを伝導するものであれば特に限定するものではない。例えば、フッ素系アニオン交換電解質膜や炭化水素系アニオン交換電解質膜がある。フッ素系の電解質膜としてはパーフルオロカーボン系電解質膜、炭化水素系の電解質膜としてはスチレン系電解質膜やアクリル系電解質膜などが挙げられる。
(Polymer electrolyte membrane 1)
An example of the polymer electrolyte membrane 1 is a polymer electrolyte membrane having hydroxide ion conductivity, that is, a so-called anion exchange resin membrane. There are no particular limitations as long as the electrolyte membrane is a fluorine-based anion exchange electrolyte membrane or a hydrocarbon-based anion exchange electrolyte membrane. The fluorine-based electrolyte membrane is a perfluorocarbon-based electrolyte membrane, and the hydrocarbon-based electrolyte membrane is a Examples of the electrolyte membrane include a styrene-based electrolyte membrane and an acrylic-based electrolyte membrane.
電極触媒層と高分子電解質膜との密着性を高めることを要求される場合、電極触媒層の高分子電解質の構成材料がフッ素系高分子電解質であれば、高分子電解質膜の構成材料もまたフッ素系高分子電解質であることが好ましい。また、電極触媒層の高分子電解質の構成材料が炭化水素系高分子電解質であれば、高分子電解質膜の構成材料もまた炭化水素系高分子電解質であることが好ましい。さらに、高分子電解質膜の構成材料は、電極触媒層の高分子電解質の構成材料と同じであることが好ましい。 When it is required to improve the adhesion between the electrode catalyst layer and the polymer electrolyte membrane, if the constituent material of the polymer electrolyte of the electrode catalyst layer is a fluorine-based polymer electrolyte, it is preferable that the constituent material of the polymer electrolyte membrane is also a fluorine-based polymer electrolyte. Furthermore, if the constituent material of the polymer electrolyte of the electrode catalyst layer is a hydrocarbon-based polymer electrolyte, it is preferable that the constituent material of the polymer electrolyte membrane is also a hydrocarbon-based polymer electrolyte. Furthermore, it is preferable that the constituent material of the polymer electrolyte membrane is the same as the constituent material of the polymer electrolyte of the electrode catalyst layer.
〔膜電極接合体の製造方法〕
次に、上記構成の膜電極接合体の製造方法の一例を説明する。
[Method for producing membrane electrode assembly]
Next, an example of a method for producing the membrane electrode assembly having the above configuration will be described.
膜電極接合体は、下記の第一工程から第三工程を含む方法で製造される。 The membrane electrode assembly is manufactured by a method including the following first to third steps.
第一工程は、ポリベンゾイミダゾールなどのルイス塩基性官能基を含む高分子(中間被覆層)を気相成長炭素繊維(VGCF)などの表面に形成する工程である。 The first step is to form a polymer (intermediate coating layer) containing Lewis basic functional groups such as polybenzimidazole on the surface of vapor grown carbon fiber (VGCF) or the like.
第二工程は、第一工程で得られた中間被覆層を被覆した導電性繊維コアの表面に、ルイス酸性官能基を含む高分子(外周被覆層)で被覆し、被覆繊維を形成する工程である。 The second step is to coat the surface of the conductive fiber core coated with the intermediate coating layer obtained in the first step with a polymer (outer coating layer) containing Lewis acid functional groups to form a coated fiber.
第三工程は、触媒粒子、高分子電解質、第二工程で得られた被覆繊維、及び溶媒を含むカソード側触媒インクを製造する工程と、触媒粒子、高分子電解質、及び溶媒を含むアノード側触媒インクを製造する工程である。 The third step is a step of producing a cathode-side catalyst ink containing catalyst particles, a polymer electrolyte, the coated fiber obtained in the second step, and a solvent, and a step of producing an anode-side catalyst ink containing catalyst particles, a polymer electrolyte, and a solvent.
第四工程は、第三工程で得られたアノード側触媒インクとカソード側触媒インクを高分子電解質膜上に塗布して溶媒を乾燥させることで、高分子電解質膜の両面にアノード側電極触媒層とカソード側電極触媒層を形成する工程である。 The fourth step is to apply the anode side catalyst ink and cathode side catalyst ink obtained in the third step onto the polymer electrolyte membrane and dry the solvent to form an anode side electrode catalyst layer and a cathode side electrode catalyst layer on both sides of the polymer electrolyte membrane.
〔詳細説明〕
(第1工程)
ポリベンズイミダゾールなどのルイス塩基性官能基を含む高分子を、溶媒に溶解または分散させ、高分子分散液/溶液を調製する。溶媒の例は、ジメチルアセトアミドである。この高分子分散液/溶液に、繊維コアを加え、必要に応じて超音波分散処理を行う。その後、ろ過により固形分を回収し、乾燥を行うことで、繊維コアの表面に中間被覆層を形成することが出来る。
Detailed Description
(First step)
A polymer containing a Lewis basic functional group such as polybenzimidazole is dissolved or dispersed in a solvent to prepare a polymer dispersion/solution. An example of the solvent is dimethylacetamide. A fiber core is added to this polymer dispersion/solution, and ultrasonic dispersion treatment is performed as necessary. Then, the solid content is collected by filtration and dried, so that an intermediate coating layer can be formed on the surface of the fiber core.
(第2工程)
カチオン交換電解質などのルイス塩基性官能基を含む高分子を、溶媒に溶解または分散させ、高分子分散液/溶液を調製する。溶媒の例は、アルコール類である。この高分子分散液/溶液に、第1工程で得られた中間被覆層を被覆した導電性繊維コアを加え、必要に応じて超音波分散処理を行う。その後、ろ過により固形分を回収し、乾燥を行うことで、中間被覆層の表面に外周被覆層を形成することが出来る。
(Second step)
A polymer containing a Lewis basic functional group such as a cation exchange electrolyte is dissolved or dispersed in a solvent to prepare a polymer dispersion/solution. An example of the solvent is alcohol. The conductive fiber core coated with the intermediate coating layer obtained in the first step is added to this polymer dispersion/solution, and ultrasonic dispersion treatment is performed as necessary. Then, the solid content is collected by filtration and dried, so that a peripheral coating layer can be formed on the surface of the intermediate coating layer.
(第3工程)
触媒インクを構成する溶媒は、触媒粒子、高分子電解質、および被覆繊維を浸食せず、かつ高分子電解質を溶解、あるいは微細ゲルとして分散する。触媒インクを構成する溶媒の一例は、アルコール類、ケトン系溶剤、エーテル系溶剤、極性溶剤からなる群から選択される少なくとも一種である。アルコール類の一例は、メタノール、エタノール、1‐プロパノール、2‐プロパノール、1‐ブタノール、2‐ブタノール、イソブチルアルコール、tert‐ブチルアルコール、ペンタノールからなる群から選択される少なくとも一種である。ケトン系溶剤の一例、アセトン、メチルエチルケトン、ペンタノン、メチルイソブチルケトン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジイソブチルケトンからなる群から選択される少なくとも一種である。エーテル系溶剤の一例は、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジブチルエーテルからなる群から選択される少なくとも一種である。極性溶剤の一例は、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N‐メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジアセトンアルコール、1‐メトキシ‐2‐プロパノールからなる群から選択される少なくとも一種である。触媒インクを構成する溶媒は、高分子電解質と高い親和性を有する水を含有してもよい。
(Third process)
The solvent constituting the catalyst ink does not corrode the catalyst particles, the polymer electrolyte, and the coated fiber, and dissolves the polymer electrolyte or disperses it as a fine gel. An example of the solvent constituting the catalyst ink is at least one selected from the group consisting of alcohols, ketone-based solvents, ether-based solvents, and polar solvents. An example of the alcohols is at least one selected from the group consisting of methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, tert-butyl alcohol, and pentanol. An example of the ketone-based solvent is at least one selected from the group consisting of acetone, methyl ethyl ketone, pentanone, methyl isobutyl ketone, heptanone, cyclohexanone, methyl cyclohexanone, acetonyl acetone, and diisobutyl ketone. An example of the ether-based solvent is at least one selected from the group consisting of tetrahydrofuran, dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, anisole, methoxytoluene, and dibutyl ether. An example of the polar solvent is at least one selected from the group consisting of dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, ethylene glycol, diethylene glycol, diacetone alcohol, and 1-methoxy-2-propanol. The solvent constituting the catalyst ink may contain water, which has a high affinity for the polymer electrolyte.
触媒粒子の分散性の向上を要求される場合、触媒インクは分散剤を含有することが好ましい。分散剤の一例は、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤である。触媒インクにおける分散性の向上を要求される場合、触媒インクの製造において分散処理を行うことが好ましい。分散処理の一例は、ボールミルおよびロールミルによる攪拌、せん断ミルによる攪拌、湿式ミルによる攪拌、超音波の印加による攪拌、ホモジナイザーによる攪拌である。 When improved dispersibility of catalyst particles is required, it is preferable that the catalyst ink contains a dispersant. Examples of dispersants are anionic surfactants, cationic surfactants, amphoteric surfactants, and nonionic surfactants. When improved dispersibility of the catalyst ink is required, it is preferable to carry out a dispersion treatment in the production of the catalyst ink. Examples of dispersion treatments are stirring with a ball mill and a roll mill, stirring with a shear mill, stirring with a wet mill, stirring by applying ultrasonic waves, and stirring with a homogenizer.
電極触媒層の表面におけるクラックの発生抑制を要求される場合、触媒インクにおける固形分含有量は、50質量%以下であることが好ましい。電極触媒層の成膜レートの向上を要求される場合、触媒インクにおける固形分含有量は、1質量%以上であることが好ましい。 When it is required to suppress the occurrence of cracks on the surface of the electrode catalyst layer, the solid content of the catalyst ink is preferably 50% by mass or less. When it is required to improve the film formation rate of the electrode catalyst layer, the solid content of the catalyst ink is preferably 1% by mass or more.
(第4工程)
触媒インクを基材上に塗布する方法の一例は、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、あるいはロールコーティング法である。触媒インクを塗布される基材は、転写シートである。転写シートの構成材料の一例は、フッ素系樹脂、あるいはフッ素系樹脂以外の有機高分子化合物である。フッ素系樹脂の一例は、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、あるいはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)である。有機高分子化合物の一例は、ポリイミド、ポリエチレンテレフタラート、ポリアミド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレートである。
(Fourth step)
Examples of the method for applying the catalyst ink onto the substrate include a doctor blade method, a dipping method, a screen printing method, or a roll coating method. The substrate to which the catalyst ink is applied is a transfer sheet. Examples of the constituent material of the transfer sheet include a fluorine-based resin or an organic polymer compound other than a fluorine-based resin. Examples of the fluorine-based resin include an ethylene tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), a tetrafluoroperfluoroalkylvinyl ether copolymer (PFA), or a polytetrafluoroethylene (PTFE). Examples of the organic polymer compound include a polyimide, a polyethylene terephthalate, a polyamide, a polysulfone, a polyethersulfone, a polyphenylene sulfide, a polyether ether ketone, a polyetherimide, a polyarylate, and a polyethylene naphthalate.
なお、上記実施形態では、被覆繊維はカソード側の電極触媒層に設けたが、アノード側の電極触媒層に設けても実施は可能である。 In the above embodiment, the coated fiber is provided on the electrode catalyst layer on the cathode side, but it can also be provided on the electrode catalyst layer on the anode side.
以下に、本実施形態における水電解装置用の電極触媒層及び膜電極接合体について具体的な実施例及び比較例を挙げて説明するが、本実施形態は下記の実施例及び比較例によって制限されるものではない。 The electrode catalyst layer and membrane electrode assembly for the water electrolysis device in this embodiment will be described below with specific examples and comparative examples, but this embodiment is not limited to the following examples and comparative examples.
<効果その他>
本実施形態によれば、複雑な工程を用いることなく、電極触媒層の機械特性が高く、電解性能及び耐久性に優れた水電解装置用膜電極接合体を製造することが可能である。
<Other Effects>
According to this embodiment, it is possible to manufacture a membrane electrode assembly for a water electrolysis system having an electrode catalyst layer with high mechanical properties and excellent electrolysis performance and durability, without using any complicated steps.
<実施例1>
〔被覆繊維の製造〕
下式のポリベンゾイミダゾールをジメチルアセトアミドに溶解させ、ポリベンズイミダゾール分散液を調整した。次に、このポリベンズイミダゾール分散液に、平均繊維径0.15μmのカーボン繊維(VGCF-H(登録商標)、昭和電工社製:気相成長炭素繊維)を加え、超音波分散処理を行った。その後、ろ過と乾燥を行うことで、ポリベンゾイミダゾール被覆カーボン繊維を得た。ポリベンゾイミダゾール被覆層の厚みは数nm程度と薄く、得られたポリベンゾイミダゾール被覆カーボン繊維の平均繊維径は、コア繊維と実質的に同一であった。
[Production of coated fibers]
Polybenzimidazole of the following formula was dissolved in dimethylacetamide to prepare a polybenzimidazole dispersion. Next, carbon fiber (VGCF-H (registered trademark), Showa Denko K.K.: vapor-grown carbon fiber) with an average fiber diameter of 0.15 μm was added to the polybenzimidazole dispersion, and ultrasonic dispersion treatment was performed. After that, filtration and drying were performed to obtain polybenzimidazole-coated carbon fiber. The thickness of the polybenzimidazole coating layer was as thin as a few nm, and the average fiber diameter of the obtained polybenzimidazole-coated carbon fiber was substantially the same as that of the core fiber.
カチオン交換電解質としてフッ素系高分子電解質(Nafion(登録商標)分散液)を超純水と1-プロパノールとの混合溶媒に溶解させ、フッ素系高分子電解質分散液を調整した。超純水と1-プロパノールとの体積比は、1:1とした。分散液における固形分含有量が1質量%になるように調整した。次に、このフッ素系高分子電解質分散液に、ポリベンゾイミダゾール被覆カーボン繊維を加え、超音波分散処理を行った。その後、ろ過と乾燥を行うことで、導電性繊維コアとしてカーボン繊維、中間被覆層としてポリベンゾイミダゾール、外周被覆層としてフッ素系高分子電解質となる被覆繊維を得た。得られた被覆繊維の平均繊維径は約0.25μmであった。 A fluorine-based polymer electrolyte (Nafion (registered trademark) dispersion) was dissolved as a cation exchange electrolyte in a mixed solvent of ultrapure water and 1-propanol to prepare a fluorine-based polymer electrolyte dispersion. The volume ratio of ultrapure water to 1-propanol was 1:1. The solid content in the dispersion was adjusted to 1 mass%. Next, polybenzimidazole-coated carbon fiber was added to this fluorine-based polymer electrolyte dispersion, and ultrasonic dispersion processing was performed. After that, filtration and drying were performed to obtain a coated fiber with carbon fiber as the conductive fiber core, polybenzimidazole as the intermediate coating layer, and a fluorine-based polymer electrolyte as the outer coating layer. The average fiber diameter of the obtained coated fiber was about 0.25 μm.
〔アノード側触媒インクの製造〕
以下に示す触媒粒子、および高分子電解質を溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで30分間の分散処理を行い、触媒インクを作製した。触媒インクの溶媒は、超純水と1-プロパノールとの混合溶媒を用いた。超純水と1-プロパノールとの体積比は、1:1とした。触媒インクにおける固形分含有量が10質量%になるように触媒インクを調整した。
・触媒粒子:イリジウム酸化物
・高分子電解質:炭化水素系アニオン交換電解質
・配合比率:触媒インクは、触媒粒子の質量を1として、高分子電解質(固形分)の質量を0.2とした。
[Preparation of anode-side catalyst ink]
The catalyst particles and polymer electrolyte shown below were mixed in a solvent and dispersed for 30 minutes using a planetary ball mill to prepare a catalyst ink. A mixed solvent of ultrapure water and 1-propanol was used as the solvent for the catalyst ink. The volume ratio of ultrapure water to 1-propanol was 1:1. The catalyst ink was adjusted so that the solid content in the catalyst ink was 10% by mass.
Catalyst particles: iridium oxide Polymer electrolyte: hydrocarbon-based anion exchange electrolyte Blending ratio: In the catalyst ink, the mass of the catalyst particles was 1, and the mass of the polymer electrolyte (solid content) was 0.2.
〔カソード側触媒インクの製造〕
以下に示す触媒粒子、高分子電解質、および被覆繊維を溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで30分間の分散処理を行い、触媒インクを作製した。触媒インクの溶媒は、超純水と1-プロパノールとの混合溶媒を用いた。超純水と1-プロパノールとの体積比は、1:1とした。触媒インクにおける固形分含有量が10質量%になるように触媒インクを調整した。
・触媒粒子:Pt担持カーボン粒子
・イオノマー:炭化水素系アニオン交換電解質
・配合比率:触媒インクは、触媒粒子の質量を1として、高分子電解質(固形分)の質量を0.3として、被覆繊維の質量を0.05とした。
[Preparation of cathode-side catalyst ink]
The catalyst particles, polymer electrolyte, and coated fibers shown below were mixed in a solvent and dispersed for 30 minutes using a planetary ball mill to prepare a catalyst ink. A mixed solvent of ultrapure water and 1-propanol was used as the solvent for the catalyst ink. The volume ratio of ultrapure water to 1-propanol was 1:1. The catalyst ink was adjusted so that the solid content in the catalyst ink was 10% by mass.
Catalyst particles: Pt-supported carbon particles Ionomer: Hydrocarbon-based anion exchange electrolyte Blending ratio: In the catalyst ink, the mass of the catalyst particles was 1, the mass of the polymer electrolyte (solid content) was 0.3, and the mass of the coated fiber was 0.05.
〔膜電極接合体の作製〕
ダイコーターを用いて、高分子電解質膜(炭化水素系アニオン交換電解質膜)の片面に対して、調整したカソード側触媒インクを塗布することにより、縦50mm×横50mmの四角形状の塗膜を形成した。カソード側触媒インクの塗布量は、触媒量が0.5mg/cm2となる量とした。そして、60℃のオーブンを用いた乾燥処理を実施し、塗膜に含まれる分散媒を揮発させることにより、カソード側電極触媒層を形成した。
次に、高分子電解質膜におけるカソード側電極触媒層が形成された面の反対の面に対して、調整したアノード側触媒インクを塗布することにより、縦50mm×横50mmの四角形状の塗膜を形成した。アノード側触媒インクの塗布量は、触媒が0.5mg/cm2となる量とした。そして、60℃のオーブンを用いた乾燥処理を実施し、塗膜に含まれる分散媒を揮発させてアノード側電極触媒層を形成することにより膜電極接合体を得た。実施例1の両方の電極触媒層はクラックがなく、高分子電解質膜からの剥離はなかった。
[Preparation of Membrane Electrode Assembly]
The prepared cathode catalyst ink was applied to one side of a polymer electrolyte membrane (hydrocarbon-based anion exchange electrolyte membrane) using a die coater to form a rectangular coating film measuring 50 mm in length and 50 mm in width. The amount of the cathode catalyst ink applied was set to an amount that would result in a catalyst amount of 0.5 mg/cm2. A drying process was then performed using an oven at 60°C to volatilize the dispersion medium contained in the coating film, thereby forming a cathode electrode catalyst layer.
Next, the prepared anode side catalyst ink was applied to the surface of the polymer electrolyte membrane opposite to the surface on which the cathode side electrode catalyst layer was formed, to form a rectangular coating film measuring 50 mm long x 50 mm wide. The amount of the anode side catalyst ink applied was set to an amount that would result in 0.5 mg/cm2 of catalyst. Then, a drying process was performed using an oven at 60°C to volatilize the dispersion medium contained in the coating film, thereby forming an anode side electrode catalyst layer, thereby obtaining a membrane electrode assembly. Both electrode catalyst layers in Example 1 were free of cracks and did not peel off from the polymer electrolyte membrane.
<実施例2>
被覆繊維における繊維コアとして平均繊維径0.8μmのカーボン繊維を用いた点以外は、実施例1と同様の手順で実施例2の膜電極接合体を得た。実施例2の両方の電極触媒層はクラックがなく、高分子電解質膜からの剥離はなかった。
Example 2
Except for using carbon fibers having an average fiber diameter of 0.8 μm as the fiber core in the covering fiber, a membrane electrode assembly of Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1. Both electrode catalyst layers of Example 2 were free of cracks and did not peel off from the polymer electrolyte membrane.
<比較例1>
被覆繊維の代わりに平均繊維径0.15μmのカーボン繊維(VGCF-H(登録商標)、昭和電工社製:気相成長炭素繊維)を被覆せずに使用した点以外は、実施例1と同様の手順で比較例1の膜電極接合体を得た。
<Comparative Example 1>
A membrane/electrode assembly of Comparative Example 1 was obtained in the same manner as in Example 1, except that carbon fibers (VGCF-H (registered trademark), Showa Denko K.K.: vapor grown carbon fibers) having an average fiber diameter of 0.15 μm were used without being coated instead of the coated fibers.
比較例1のカソード側電極触媒層の形成時はクラックがなく、高分子電解質膜からの剥離はなかったが、アノード側電極触媒層の形成時にカソード側電極触媒層にクラックが生じ、高分子電解質膜からの部分的な剥離が見られた。 In Comparative Example 1, when the cathode-side electrode catalyst layer was formed, there were no cracks and no peeling from the polymer electrolyte membrane. However, when the anode-side electrode catalyst layer was formed, cracks occurred in the cathode-side electrode catalyst layer and partial peeling from the polymer electrolyte membrane was observed.
<比較例2>
被覆繊維を使用しなかった点以外は、実施例1と同様の手順で比較例2の膜電極接合体を得た。
比較例2のカソード側電極触媒層の形成時に顕著なクラックが生じ、また、高分子電解質膜からの顕著な剥離が見られた。そのため、アノード側触媒インクを塗布することができなかった。
<Comparative Example 2>
A membrane/electrode assembly of Comparative Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1, except that no coated fiber was used.
In Comparative Example 2, significant cracks were generated during the formation of the cathode-side electrode catalyst layer, and significant peeling from the polymer electrolyte membrane was observed, making it impossible to apply the anode-side catalyst ink.
実施例1~2、および比較例1~2で得られた各膜電極接合体を水に浸漬させた結果、実施例1~2の両方の電極触媒層は高分子電解質膜から剥離しなかったが、比較例1のカソード側電極触媒層は高分子電解質膜から剥離した。また、各膜電極接合体を用いて水の電解性能を評価した結果、実施例1~2で得られた膜電極接合体では良好な電解性能を示したが、比較例1で得られた膜電極接合体では、電解を繰り返すことで電解性能が著しく低下した。実施例で作製した膜電極接合体と比較例で作製した膜電極接合体との電解性能の結果から、実施例で作製した膜電極接合体ではカソード側電極触媒層と電解質膜の間の密着強度が十分で、良好な電解性能が得られたことを確認した。 When the membrane electrode assemblies obtained in Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2 were immersed in water, the electrode catalyst layers of both Examples 1-2 did not peel off from the polymer electrolyte membrane, but the cathode side electrode catalyst layer of Comparative Example 1 peeled off from the polymer electrolyte membrane. In addition, the water electrolysis performance was evaluated using each membrane electrode assembly, and the membrane electrode assemblies obtained in Examples 1-2 showed good electrolysis performance, but the membrane electrode assembly obtained in Comparative Example 1 showed a significant decrease in electrolysis performance due to repeated electrolysis. From the results of the electrolysis performance of the membrane electrode assemblies produced in the Examples and the membrane electrode assemblies produced in the Comparative Examples, it was confirmed that the adhesion strength between the cathode side electrode catalyst layer and the electrolyte membrane was sufficient in the membrane electrode assemblies produced in the Examples, and good electrolysis performance was obtained.
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、実際には、上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の変更があっても本発明に含まれる。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and even if the changes are made within the scope of the gist of the present invention, they are included in the present invention.
1…高分子電解質膜、2…カソード側電極触媒層、3…アノード側電極触媒層、11…膜電極接合体。
1...polymer electrolyte membrane, 2...cathode side electrode catalyst layer, 3...anode side electrode catalyst layer, 11...membrane electrode assembly.
Claims (10)
前記被覆繊維は、繊維コアと、前記繊維コアの外周面を被覆する外周被覆層とを有し、
前記外周被覆層は、ルイス酸性官能基を含む高分子を含有する、アニオン交換膜水電解セル用電極触媒層。 The present invention relates to a catalyst particle, a polymer electrolyte having hydroxide ion conductivity, and a coated fiber.
The coated fiber has a fiber core and an outer circumferential coating layer that covers an outer circumferential surface of the fiber core,
The outer peripheral coating layer comprises a polymer having a Lewis acidic functional group, and the outer peripheral coating layer comprises an electrode catalyst layer for an anion exchange membrane water electrolysis cell .
前記中間被覆層は、ルイス塩基性官能基を有する高分子化合物を含有する、請求項1記載の電極触媒層。 The coated fiber has an intermediate coating layer between the fiber core and the outer coating layer,
The electrode catalyst layer according to claim 1 , wherein the intermediate coating layer contains a polymer compound having a Lewis basic functional group.
前記カソード側電極触媒層は、請求項1又は2に記載の電極触媒層である、膜電極接合体。 a polymer electrolyte membrane; and an anode-side electrode catalyst layer and a cathode-side electrode catalyst layer sandwiching the polymer electrolyte membrane;
The cathode-side electrode catalyst layer is the electrode catalyst layer according to claim 1 .
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