燃料电池用电极、燃料电池和催化剂体制造技术

本发明专利技术的燃料电池用电极具备电极内质子传导体(201)和催化剂(200)，该电极内质子传导体(201)含有金属离子、含氧阴离子和质子配位性分子，含氧阴离子和质子配位性分子中的至少任一者与金属离子配位而形成配位高分子，以电极内质子传导体(201)与催化剂(200)接触的方式设置。例如，催化剂(200)由电极内质子传导体(201)被覆。

Electrodes, Fuel Cells and Catalysts for Fuel Cells

The proton conductor (201) and the catalyst (200) in the spare electrode of the fuel cell electrode of the invention contain metal ions, oxygen anions and proton coordination molecules, and at least one of the oxygen anions and proton coordination molecules coordinates with metal ions to form a coordination polymer, which contacts the catalyst (200) with the proton conductor (201) in the electrode. Mode settings. For example, the catalyst (200) is coated by a proton conductor (201) in the electrode.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池用电极、燃料电池和催化剂体相关申请的交叉引用本申请基于2016年6月16日提出申请的日本申请号2016－119880号，将其记载内容援引于此。
本公开涉及燃料电池用电极、燃料电池和催化剂体。
技术介绍
从固体高分子型燃料电池系统的低成本化、系统的简化的观点考虑，期望在100℃以上的工作温度且无加湿、或者低加湿的条件下工作的电解质材料。另一方面，以往的固体高分子型燃料电池具备以全氟碳磺酸为代表那样的以水为介质进行离子传导的电解质。因此，在100℃以上、无加湿或低加湿的工作条件下，无法发挥充分的离子传导。与此相对，为了能够在无加湿且100℃以上进行工作，提出了使用配位高分子(CP)的传导膜作为电解质材料(参照专利文献1)。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2016－4621号公报
技术实现思路
燃料电池中，以将催化剂层内的广泛范围作为反应点而得到能够有效活用的高性能的电极为目的，一般进行的是在催化剂层内设置使质子传导路径形成的电极内质子传导体。为了将使用上述专利文献1所记载的配位高分子的燃料电池在100℃以上稳定地工作，要求在100℃以上的高温下可使用的电极内质子传导体。本公开的目的在于提供一种在高温下也高性能的燃料电池用电极、使用该燃料电池用电极的在高温下工作的燃料电池和催化剂体。根据本公开的一个方式，燃料电池用电极具备电极内质子传导体和催化剂，该电极内质子传导体含有金属离子、含氧阴离子和质子配位性分子，含氧阴离子和质子配位性分子中的至少任一者与金属离子配位而形成配位高分子，以电极内质子传导体与催化剂接触的方式设置。如此，燃料电池用电极中，设置由配位高分子构成的质子传导体作为电极内质子传导体。由此，即使在燃料电池在100℃以上的高温下工作的情况下，也能够使燃料电池用电极高性能化。根据本公开的第二方式，上述第一方式所涉及的燃料电池用电极与由形成配位高分子的质子传导体构成的电解质一起构成燃料电池。由此，可以取得与上述同样的效果。根据本公开的第三方式，催化剂体具备配位高分子和催化剂，该配位高分子含有金属离子、含氧阴离子和质子配位性分子，含氧阴离子和质子配位性分子中的至少任一者与金属离子配位，质子传导体被覆催化剂。由此，可以制成即使在高温下也为高性能的催化剂体。附图说明参照附图，通过下述的详细的记述，进一步明确关于本公开的上述目的和其它目的、特征或优点。图1是表示燃料电池的构成的简要图。图2是将催化剂层的一部分放大而成的图。图3是表示催化剂层的制作步骤的图。图4的(a)是催化剂层的TEM图像，(b)是以(a)的虚线IVB包围的部分的放大图像。具体实施方式以下，使用附图对本公开的一个实施方式进行说明。如图1所示，燃料电池单元100具备阴极110、阳极120、电解质膜130。应予说明，阴极110也称为空气电极，阳极120也称为氢电极。阴极110和阳极120相当于燃料电池用电极。燃料电池单元100利用气体燃料(氢)与氧化剂气体(空气中的氧)的电化学反应来输出电能。能够以将燃料电池单元100作为基本单元而多片层叠的堆叠结构的形式使用。对燃料电池单元100供给氢和空气这样的反应气体时，如下所示，氢与氧进行电化学反应而输出电能。(阳极侧)H2→2H++2e-(阴极侧)2H++1/2O2+2e-→H2O此时，阳极120中，氢通过催化剂反应而电离为电子(e-)和质子(H+)，质子(H+)在电解质膜130移动。另一方面，阴极110中，从阳极120侧移动来的质子(H+)、从外部流通来的电子和空气中的氧(O2)反应而生成水。阴极110由密合地配置于电解质膜130的空气电极侧的面的阴极侧催化剂层111和配置于阴极侧催化剂层111的外侧的阴极侧扩散层112构成。阳极120由密合地配置于电解质膜130的氢电极侧的面的阳极侧催化剂层121和配置于阳极侧催化剂层121的外侧的阳极侧扩散层122构成。各催化剂层111、121由使促进电化学反应的催化剂(铂等)担载于碳载体的催化剂担载碳等形成。各扩散层112、122由碳布等形成。对于催化剂层111、121，以后详细说明。电解质膜130由含有金属离子、含氧阴离子和质子配位性分子的质子传导体构成。质子传导体中，含氧阴离子和质子配位性分子中的至少任一者与金属离子配位而形成配位高分子(CP)。质子传导体所含的金属离子没有特别限定，但是从与含氧阴离子和/或质子配位性分子的配位键的形成容易性的观点出发，优选为高周期的过渡金属离子、典型金属离子。其中，优选为钴离子、铜离子、锌离子和镓离子。本实施方式的电解质膜130中使用锌离子作为金属离子。作为质子传导体所含的含氧阴离子，例如，可举出磷酸根离子、硫酸根离子等，从对氢的化学稳定性出发，优选为磷酸根离子。本实施方式的电解质膜130中，使用磷酸根离子作为含氧阴离子。磷酸根离子可以是配位有1个质子的磷酸氢根离子、或配位有2个质子的磷酸二氢根离子的形态。含氧阴离子例如以不发生缩合的单体的形态与金属离子配位，由此，保持在质子浓度高的状态，对水分的稳定性也优异。质子传导体所含的质子配位性分子是在分子内优选具有2个以上的用于配位的质子的配位点的分子。从离子传导性的观点出发，优选具有质子的配位与放出的平衡优异的配位点的咪唑、三唑、苯并咪唑、苯并三唑和它们的衍生物。本实施方式的电解质膜130中，使用咪唑作为质子配位性分子。在此，衍生物是指将化学结构的一部分用其它原子或原子团取代而成的化合物。作为衍生物的具体例，对于咪唑，可举出2－甲基咪唑、2－乙基咪唑、组胺、组氨酸等。此外，作为质子配位性分子，例如，可使用由通式R－NH2表示的伯胺、由通式R1(R2)－NH表示的仲胺、由通式R1(R2)(R3)－N表示的叔胺。在此，R、R1、R2、R3各自独立地为烷基、芳基、脂环式烃基和杂环基中的任一者。作为伯胺，例如可举出甲基胺、乙基胺、丙基胺等低级烷基胺、苯胺、甲苯胺等芳香族胺。作为仲胺，例如可举出二甲基胺、二乙基胺、二丙基胺等二低级烷基胺、N－甲基苯胺、N－甲基甲苯胺等芳香族二级胺等。作为叔胺，例如可举出三甲基胺、三乙基胺等三低级烷基胺。此外，作为质子配位性分子，例如，可举出乙二胺、其N－低级烷基衍生物(例如四甲基乙二胺)等碳直链二胺。此外，作为质子配位性分子，可举出吡咯烷、N－低级烷基吡咯烷(例如N－甲基吡咯烷)、哌啶、N－低级烷基哌啶(例如N－甲基哌啶)、吗啉、N－低级烷基吗啉(例如N－甲基吗啉)等饱和环状胺。此外，作为质子配位性分子，可举出哌嗪、N－低级二烷基哌嗪(例如，N,N－二甲基哌嗪)、1,4－二氮杂双环[2.2.2]辛烷(别名：三乙二胺)等饱和环状二胺等。对于质子传导体的各构成要素(即，金属离子、含氧阴离子和质子配位性分子)的配合比率，为了使各构成要素有效率地形成配位高分子，相对于金属离子1摩尔，含氧阴离子优选为1～4摩尔，质子配位性分子优选为1～3摩尔。若含氧阴离子、质子配位性分子小于1摩尔，则有时没有形成配位高分子。此外，在配合大于4摩尔的含氧阴离子的情况和配合大于3摩尔的质子配位性分子的情况下，有时质子传导体没有成为固体状，而进一步显示出非常高的吸湿性，形状稳定性显著降低。质子传导体通过混合搅拌作为金属离子源的金属氧化物、含氧酸、质子配位性分子而得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池用电极，具备电极内质子传导体(201)和催化剂(200)，该电极内质子传导体(201)含有金属离子、含氧阴离子和质子配位性分子，所述含氧阴离子和所述质子配位性分子中的至少任一者与所述金属离子配位而形成配位高分子，以所述电极内质子传导体与所述催化剂接触的方式设置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.16 JP 2016-1198801.一种燃料电池用电极，具备电极内质子传导体(201)和催化剂(200)，该电极内质子传导体(201)含有金属离子、含氧阴离子和质子配位性分子，所述含氧阴离子和所述质子配位性分子中的至少任一者与所述金属离子配位而形成配位高分子，以所述电极内质子传导体与所述催化剂接触的方式设置。2.根据权利要求1所述的燃料电池用电极，其中，所述催化剂由所述电极内质子传导体被覆。3.根据权利要求2所述的燃料电池用电极，其中，被覆所述催化剂的所述电极内质子传导体的厚度为3～50nm的范围内。4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池用电极，其中，所述含氧阴离子为单体。5.根据权利要求1～4中任一项所述的燃料电池用电极，其中，所述含氧阴离子为选自磷酸根离子、磷酸氢根离子和磷酸二氢根离子中的1种以上。6.根据权利要求1～5中任一项所述的燃料电池用电极，其中，所述质子配位性分子为选自咪唑、三唑、苯并咪唑、苯并三唑和它们的衍生物中的1种以上。7.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：篠崎良太，板仓智也，土方启畅，
申请(专利权)人：株式会社电装，
类型：发明
国别省市：日本,JP