JP5207407B2 - 空気極 - Google Patents
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Description
1. 陰イオン交換膜と空気極用触媒層とを積層した構造を有し、該陰イオン交換膜がアルカリ水溶液と接触した状態で配置されることを特徴とする空気極。
2. 陰イオン交換膜が、四級アンモニウム基、ピリジニウム基、イミダゾリウム基、ホスホニウム基及びスルホニウム基からなる群から選ばれた少なくとも一種の陰イオン交換基を有する高分子膜である上記項1に記載の空気極。
3. 金属−空気一次電池又は金属−空気二次電池用正極である上記項1に記載の空気極。
4. アルカリ形燃料電池用正極である上記項1に記載の空気極。
5. アルカリ形水電解装置用酸素発生極である上記項1に記載の空気極。
6. アルカリ水溶液からなる電解液、及び上記項1に記載の空気極からなる正極を含む金属−空気一次電池又は金属−空気二次電池。
7. アルカリ水溶液からなる電解液、及び上記項1に記載の空気極からなる正極を含むアルカリ形燃料電池。
8. 燃料電池及び水電解装置の両方の用途に用いられる上記項7に記載のアルカリ形燃料電池。
9. アルカリ水溶液からなる電解液を収容した電解槽、及び上記項1に記載の空気極からなる酸素発生極を含むアルカリ形水電解装置。
O2 + 2 H2O + 4 e− → 4 OH−
2OH- → 1/2 O2 + H2O + 2 e−
陰イオン交換膜としては、陰イオンのOH-を透過し、陽イオンのK+、Na+などを遮蔽することのできる、陰イオン交換基を有する高分子膜を使用する。陰イオン交換膜の種類は特に限定されないが、例えば、四級アンモニウム基、ピリジニウム基、イミダゾリウム基、ホスホニウム基、スルホニウム基などの陰イオン交換基を有する炭化水素系樹脂(例えば、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレン、ポリベンズイミダゾール、ポリイミド、ポリアリーレンエーテル等)、フッ素系樹脂などの高分子化合物からなる陰イオン交換膜を用いることができる。陰イオン交換膜のイオン交換容量は、0.1〜10ミリ当量/g程度であることが好ましく、0.5〜5ミリ当量/g程度であることがより好ましい。陰イオン交換膜の膜厚は5〜300μm程度であることが好ましく、10〜100μm程度であることがより好ましい。
本発明の空気極に使用する触媒としては、従来から、空気極用の触媒として知られている金属、金属合金、金属酸化物、金属錯体などの各種の触媒を用いることができる。
本発明の空気極は、空気極触媒層と陰イオン交換膜が積層された構造を有するものである。
本発明の空気極を用いる電池及び燃料電池では、空気極は、該空気電極の陰イオン交換膜が電解液であるアルカリ水溶液と接触した状態で配置される。この様な構成とすることによって、アルカリ水溶液中のアルカリ金属イオン(例えばK+)や負極金属イオン(例えばZn2+)などの陽イオンの空気極側への透過が陰イオン交換膜によって遮蔽されて、空気中の二酸化炭素と反応して生じる炭酸塩(K2CO3)や金属酸化物(ZnO)の析出を抑制することができる。
本発明の空気極をアルカリ形水電解装置の酸素発生極として用いる場合には、該水電解装置の構造は、公知の水電解装置と同様とすればよい。即ち、電解槽中にアルカリ水溶液からなる電解液を収容し、本発明の空気極を陰イオン交換膜がアルカリ水溶液と接する状態となるように設置すればよい。
上記した構成を有する本発明の空気極は、以下に示す優れた特徴を有するものである。
空気極触媒として白金黒を用い、これを濃度60重量%のポリテトラフルオロエチレン分散液及びエタノールと、白金黒:ポリテトラフルオロエチレン分散液:エタノール(重量比)=5:1:1の割合で混合して触媒インクとし、白金担持量が3 mg/cm2となるようにカーボンクロス上に塗布し、加熱乾燥して空気極触媒層とした。
実施例1と同様の方法で作製した空気極触媒層を、陰イオン交換膜と接合することなく単独でH型セルに挟み込み、実施例1と同様の方法で空気極の性能評価を行った。空気極触媒層側に二酸化炭素を供給する前後の酸素還元電位を下記表1に示す。
空気極触媒としてポリテトラフルオロエチレンで撥水化処理した白金黒を用いた。この白金黒触媒を陰イオン交換樹脂の5重量%溶液(四級アンモニウム塩基をイオン交換基として含むイオン交換容量2 mmol/gの炭化水素系樹脂)及びエタノールと、白金黒:陰イオン交換樹脂溶液:エタノール(重量比)=1:2.2:2の割合で混合して触媒インクとし、薄膜化させて空気極触媒層を作製した。
陰イオン交換膜に代えて、親水化処理を施した多孔性テフロン(登録商標)膜を用いる以外は実施例2と同様の方法で空気極を作製し、空気極の性能評価を行った。実施例1と同様の方法により、酸素還元電位が空気極触媒層側への二酸化炭素供給前後でどのように変化するかを調べた。結果を表2に示す。
実施例1と同様の方法で陰イオン交換膜と一体化させた空気極を作製した。この空気極を図2に示すH型セルに取り付け、実施例1と同様の三極測定により空気極における酸素還元特性を評価した。
陰イオン交換膜として四級アンモニウム塩基をイオン交換基として含む膜厚27μm、イオン交換容量1.7 mmol/gの炭化水素膜を使用する以外は、実施例1と同様の方法で空気極を作製した。実施例3と同様の方法により、酸素還元電流が二酸化炭素計4時間の供給でどのように変化するかを調べた。結果を表3に示す。
実施例1と同様の方法で作製した空気極触媒層を、陰イオン交換膜と接合することなく単独でH型セルに挟み込み、実施例3と同様の方法により、酸素還元電流が二酸化炭素計4時間の供給でどのように変化するかを調べた。結果を表3に示す。
実施例1と同様の方法で陰イオン交換膜と一体化させた空気極を作製した。この空気極をH型セルに取り付け、電解質溶液として4.0 M 水酸化カリウム水溶液 11 mlを使用し、実施例1と同様の三極測定により空気極特性を評価した。空気極特性としては、酸素還元反応に加えて、酸素発生反応における性能評価を行った。
実施例1と同様の方法で作製した空気極触媒層を、陰イオン交換膜と接合することなく単独でH型セルに挟み込み、実施例5と同様の方法により、酸素還元電流および酸素発生電流が二酸化炭素の供給でどのように変化するかを調べた。結果を表4および表5にそれぞれ示す。
陰イオン交換膜に代えて、親水性処理を施した多孔性テフロン(登録商標)膜を用いる以外は実施例5と同様の方法で空気極を作製し、実施例5と同様の方法により、酸素還元電流および酸素発生電流が二酸化炭素の供給でどのように変化するかを調べた。結果を表4および表5にそれぞれ示す。
Claims (2)
- 陰イオン交換膜と空気極用触媒層とを積層した構造を有し、該陰イオン交換膜がアルカリ水溶液と接触した状態で、アルカリ水溶液と空気極用触媒層との界面に配置されることを特徴とする空気極からなる金属−空気二次電池用正極であって、
該陰イオン交換膜が、四級アンモニウム基、ピリジニウム基、イミダゾリウム基、ホスホニウム基及びスルホニウム基からなる群から選ばれた少なくとも一種の陰イオン交換基を有する高分子膜である、
金属−空気二次電池用正極。 - アルカリ水溶液からなる電解液、及び請求項1に記載の金属−空気二次電池用正極を含む金属−空気二次電池。
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