JP2011071062A - Direct oxidation type fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直接メタノール型燃料電池のような直接酸化型燃料電池に関し、詳しくは、直接酸化型燃料電池のセル構造の改良に関する。 The present invention relates to a direct oxidation fuel cell such as a direct methanol fuel cell, and more particularly to an improvement in the cell structure of a direct oxidation fuel cell.
燃料電池は、使用される電解質の種類によって、固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池などに分類される。なかでも固体高分子型燃料電池(PEFC)は、作動温度が低く、出力密度が高いことから、車載用電源、家庭用コージェネレーションシステム用電源などとして実用化されつつある。 Fuel cells are classified into solid polymer fuel cells, phosphoric acid fuel cells, alkaline fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, etc., depending on the type of electrolyte used. Among them, the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is being put into practical use as an in-vehicle power source, a household cogeneration system power source and the like because of its low operating temperature and high output density.
また、近年、燃料電池を、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話、携帯情報端末(PDA)などの携帯用小型電子機器における電源として用いることが検討されている。燃料電池は燃料の補充によって連続発電が可能であることから、燃料電池を充電が必要な二次電池に代わりに用いることで、携帯用小型電子機器の利便性をさらに向上させることが期待できる。上記のように、PEFCは作動温度が低いため、携帯用小型電子機器用の電源としても注目されている。 In recent years, the use of fuel cells as power sources in portable small electronic devices such as notebook personal computers, mobile phones, and personal digital assistants (PDAs) has been studied. Since the fuel cell can continuously generate power by replenishing fuel, it is expected that the convenience of the portable small electronic device can be further improved by using the fuel cell instead of the secondary battery that needs to be charged. As described above, PEFC is attracting attention as a power source for portable small electronic devices because of its low operating temperature.
PEFCのなかでも直接酸化型燃料電池は、常温で液体の燃料を使用し、この燃料を水素に改質することなく、直接酸化して電気エネルギーを取り出す。このため、直接酸化型燃料電池は、改質器を備える必要がなく、よって小型化が容易である。また、直接酸化型燃料電池のなかでも、燃料としてメタノールを用いる直接メタノール型燃料電池(DMFC)は、エネルギー効率および出力の観点より、携帯用小型電子機器用の電源として、最も有望視されている。 Among PEFCs, a direct oxidation fuel cell uses a liquid fuel at room temperature, and directly oxidizes the fuel without reforming it into hydrogen to extract electric energy. For this reason, the direct oxidation fuel cell does not need to include a reformer, and thus can be easily downsized. Among direct oxidation fuel cells, a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol as a fuel is most promising as a power source for portable small electronic devices from the viewpoint of energy efficiency and output. .
DMFCのアノードおよびカソードでの反応は、それぞれ、下記の反応式(1)および(2)で示される。カソードに導入される酸素は、一般に、大気中から取り入れられる。
アノード:CH3OH+H2O→CO2+6H++6e- (1)
カソード:3/2O2+6H++6e-→3H2O (2)
Reactions at the anode and cathode of DMFC are represented by the following reaction formulas (1) and (2), respectively. The oxygen introduced into the cathode is generally taken from the atmosphere.
Anode: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − (1)
Cathode: 3/2 O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O (2)
DMFCなどの固体高分子型燃料電池は、例えば、図1に示すような構成を有する。図1に、固体高分子型燃料電池の従来の一般的な構成を示す。
図1の燃料電池10は、電解質膜11と、電解質膜11を挟み込むように配置されたアノード23およびカソード25を含む。アノード23は、アノード触媒層12およびアノード拡散層16を含む。アノード触媒層12は、電解質膜11に接している。アノード拡散層16は、アノード撥水層14およびアノード多孔質基材15を含む。アノード撥水層14およびアノード多孔質基材15は、この順番で、アノード触媒層12の電解質膜11と接している面とは反対側の面の上に積層されている。アノード拡散層16の外側には、アノード側セパレータ17が積層されている。
A solid polymer fuel cell such as DMFC has a configuration as shown in FIG. FIG. 1 shows a conventional general configuration of a polymer electrolyte fuel cell.
The
カソード25は、カソード触媒層13およびカソード拡散層20を含む。カソード触媒層13は、電解質膜11のアノード触媒層12が接している面とは反対側の面に接している。カソード拡散層20は、カソード撥水層18およびカソード多孔質基材19を含む。カソード撥水層18およびカソード多孔質基材19は、この順番で、カソード触媒層13の電解質膜11と接している面とは反対側の面の上に積層されている。カソード拡散層20の外側には、カソード側セパレータ21が積層されている。
The
このように、電解質膜11、アノード23、カソード25、アノード側セパレータ17およびカソード側セパレータ21からなる積層体は、セルと呼ばれる基本構成を形成している。なお、電解質膜11および電解質膜11を挟み込むアノード触媒層12とカソード触媒層13からなる積層体は、燃料電池の発電を担っており、CCM(Catalyst Coated Membrane)と呼ばれている。また、CCMと、アノード拡散層16およびカソード拡散層20とからなる積層体は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly;MEA)と呼ばれている。アノード拡散層16およびカソード拡散層20は、供給される燃料および酸化剤の均一な分散および生成物である水および二酸化炭素の円滑な排出を担っている。
As described above, the laminate including the
また、図1の燃料電池10において、アノード側セパレータ17は、アノード多孔質基材15との接触面に、MEAに燃料を供給するための燃料流路22を有している。燃料流路22は、例えば、凹部からなる。カソード側セパレータ21は、カソード多孔質基材19との接触面に、MEAに酸化剤(空気)を供給するための酸化剤流路(空気流路)24を有する。酸化剤流路24も、例えば、凹部からなる。
さらに、燃料電池10において、アノード側セパレータ17と電解質膜11との間には、アノード23を封入するようにガスケット26が配置され、カソード側セパレータ21と電解質膜11との間には、カソード25を封入するようにガスケット27が配置されている。ガスケット26および27は、それぞれ、燃料および酸化剤が外部に漏れるのを防止している。
なお、MEA、およびその両側に配置されるアノード側セパレータ17とカソード側セパレータ21から構成されるセルは、さらに、各セパレータの外側にそれぞれ端板28を配置した状態で、図示しないボルト、バネなどによって加圧締結される。
Further, in the
Further, in the
Note that the cell constituted by the MEA and the
現在、DMFCなどの直接酸化型燃料電池において解決すべき技術的課題としては、燃料流路から供給された液体燃料(メタノール水溶液など)が、アノード23と電解質膜11とを透過し、カソード25に到達し、カソード触媒層13で酸化される現象を抑制することが挙げられる。上記現象は、例えば、燃料のクロスオーバーと呼ばれており、特にDMFCでは、メタノールクロスオーバー(MCO)と呼ばれ、燃料の利用効率を低下させる原因となっている。なお、このような現象が生じるのは、用いられる液体燃料は水溶性であることが多いため、液体燃料が、水を含みやすい性質の電解質膜に浸透しやすいからである。
さらに、カソード25での燃料の酸化反応は、カソードで通常生じる酸化剤(酸素)の還元反応と競合し、カソード25の電位を低下させる。このため、発電電圧の低下、発電効率の低下などを招く。
Currently, as a technical problem to be solved in a direct oxidation fuel cell such as DMFC, a liquid fuel (methanol aqueous solution or the like) supplied from a fuel flow path passes through the
Furthermore, the fuel oxidation reaction at the
そこで、DMFCにおいては、MCOを低減させるため、メタノールの透過量が抑制された電解質膜が盛んに開発されている。しかし、現在実用化されている電解質膜は、膜内に存在する水を介してプロトンを伝導するため、電解質膜には水の存在が不可欠である。また、メタノールは水との親和性が高い。よって、水とともにメタノールが電解質膜を透過することを十分に防止できない。 Therefore, in DMFC, in order to reduce MCO, electrolyte membranes in which the permeation amount of methanol is suppressed are actively developed. However, the electrolyte membrane currently in practical use conducts protons through the water present in the membrane, so the presence of water is indispensable in the electrolyte membrane. Moreover, methanol has a high affinity with water. Therefore, methanol cannot be sufficiently prevented from passing through the electrolyte membrane together with water.
電解質膜中の液体燃料の移動は、主として濃度拡散に起因する。このため、燃料のクロスオーバーの程度は、電解質膜11のアノード23側表面とカソード25側表面とにおける燃料の濃度差に大きく依存することが知られている。そして、電解質膜11のカソード25側表面における燃料濃度は、透過した燃料がカソード25で速やかに酸化されることから、無視できるほど低いと考えられる。このため、結局のところ、燃料のクロスオーバー量は、電解質膜11のアノード23側表面における燃料濃度に大きく依存することになる。
The movement of the liquid fuel in the electrolyte membrane is mainly caused by concentration diffusion. For this reason, it is known that the degree of fuel crossover largely depends on the fuel concentration difference between the
アノード23において、燃料流路22から供給された液体燃料の拡散速度は、アノード撥水層14の拡散抵抗により、制御される。さらに、燃料は、アノード触媒層12内での酸化反応によって消費される。このため、一般に、電解質膜11のアノード23側表面における燃料濃度は、燃料流路22における燃料濃度に比べて極めて小さいと考えられる。
In the
しかし、電解質膜11の主面に対して平行な面内での燃料濃度の分布について考えると、燃料流路22内部に存在する燃料の濃度は、燃料流路22の入口において最も大きく、燃料が燃料流路22を流れるにつれて漸次減少し、燃料流路22の出口において最も小さくなる。つまり、燃料流路の上流付近においては、電解質膜11のアノード23側表面における燃料濃度が比較的大きくなり、その結果、燃料のクロスオーバー量が大きくなる。
反対に燃料流路の下流付近では、燃料流路22内部に存在する燃料の濃度は、燃料流路の上流に比べて非常に小さい。このため、むしろアノード触媒層12内部における燃料の拡散性を高め、アノード触媒周囲の燃料濃度を向上させて、濃度過電圧による電圧低下を低減し、出力の低下を抑制する必要がある。
However, considering the distribution of the fuel concentration in a plane parallel to the main surface of the
On the contrary, in the vicinity of the downstream of the fuel flow path, the concentration of the fuel existing inside the
上述の技術的課題に対し、特許文献1には、アノード撥水層の組成および厚みを燃料流路の上流側と下流側で変化させることが提案されている。特許文献1には、前記構成により、燃料流路の上流側での燃料透過性を低下させて、メタノールクロスオーバー量を低減できることが記載されている。 In response to the above technical problem, Patent Document 1 proposes changing the composition and thickness of the anode water repellent layer on the upstream side and the downstream side of the fuel flow path. Patent Document 1 describes that the configuration described above can reduce the fuel permeability on the upstream side of the fuel flow path and reduce the amount of methanol crossover.
なお、DMFCに関する技術ではないが、特許文献2には、燃料ガスの上流側と下流側とで、触媒層に含まれるイオノマーの物性を変化させることが提案されている。特許文献2では、イオノマーのEW(イオン交換基あたりの当量重量)を上流側で小さくし、下流側で大きくすることにより、電極の保湿性をコントロールすることを試みている。 Although not related to DMFC, Patent Document 2 proposes changing the physical properties of the ionomer contained in the catalyst layer between the upstream side and the downstream side of the fuel gas. In Patent Document 2, an attempt is made to control the moisture retention of the electrode by decreasing the EW (equivalent weight per ion exchange group) of the ionomer on the upstream side and increasing it on the downstream side.
しかしながら、撥水層の厚みは、一般的に10〜50μm程度と薄いため、撥水層のみを用いて、アノードにおけるメタノールのような液体燃料の透過性を制御するのは困難である。具体的には、上記のように、撥水層の厚さは薄いため、撥水層の流路側の面と触媒層側の面との間に生じる燃料濃度の差は小さい。前記液体燃料の拡散の駆動力は、濃度勾配が小さいほど、小さくなる。従って、仮に特許文献1のように、燃料流路の上流側と下流側で撥水層の組成などを変化させたとしても、前記液体燃料の透過性に与える影響は小さい。特に、供給する液体燃料の濃度が高い場合、あるいはセルの作動温度が高い場合には、前記液体燃料の拡散速度が大きくなるために、撥水層のみで前記液体燃料の透過性をコントロールすることは非常に困難である。 However, since the thickness of the water repellent layer is generally as thin as about 10 to 50 μm, it is difficult to control the permeability of liquid fuel such as methanol at the anode using only the water repellent layer. Specifically, as described above, since the thickness of the water repellent layer is thin, the difference in the fuel concentration generated between the flow path side surface and the catalyst layer side surface of the water repellent layer is small. The driving force for diffusing the liquid fuel is smaller as the concentration gradient is smaller. Therefore, even if the composition of the water repellent layer is changed between the upstream side and the downstream side of the fuel flow path as in Patent Document 1, the influence on the permeability of the liquid fuel is small. In particular, when the concentration of liquid fuel to be supplied is high, or when the operating temperature of the cell is high, the diffusion speed of the liquid fuel increases, so the permeability of the liquid fuel is controlled only by the water repellent layer. Is very difficult.
そこで、本発明は、メタノールクロスオーバーなどの、燃料流路から供給された燃料が電解質膜を通過し、カソードで酸化される現象を抑制することにより、燃料の利用効率と、発電電圧、発電効率などの発電性能とに優れた燃料電池を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention suppresses the phenomenon in which fuel supplied from the fuel flow path such as methanol crossover passes through the electrolyte membrane and is oxidized at the cathode, so that the fuel utilization efficiency, power generation voltage, power generation efficiency are reduced. An object of the present invention is to provide a fuel cell with excellent power generation performance.
本発明の直接酸化型燃料電池は、アノードと、カソードと、それらの間に配置された電解質膜とを含む膜−電極接合体、アノードに接するアノード側セパレータ、およびカソードに接するカソード側セパレータを備える少なくとも1つの単位セルを有する。アノード側セパレータは、アノードに燃料を供給するための燃料流路を有し、カソード側セパレータは、カソードに酸化剤を供給するための酸化剤流路を有する。アノードは、電解質膜に接するアノード触媒層、およびアノード側セパレータに接するアノード拡散層を含み、アノード触媒層は、アノード触媒と高分子電解質を含む。前記高分子電解質の体積膨張率が、前記アノード触媒層の前記燃料流路の下流側よりも上流側で大きい。 A direct oxidation fuel cell of the present invention includes a membrane-electrode assembly including an anode, a cathode, and an electrolyte membrane disposed therebetween, an anode separator in contact with the anode, and a cathode separator in contact with the cathode. It has at least one unit cell. The anode side separator has a fuel flow path for supplying fuel to the anode, and the cathode side separator has an oxidant flow path for supplying oxidant to the cathode. The anode includes an anode catalyst layer in contact with the electrolyte membrane and an anode diffusion layer in contact with the anode-side separator, and the anode catalyst layer includes an anode catalyst and a polymer electrolyte. The volume expansion coefficient of the polymer electrolyte is higher on the upstream side than the downstream side of the fuel flow path of the anode catalyst layer.
本発明の好ましい実施形態において、前記高分子電解質の体積膨張率は、燃料流路の上流側から下流側に向かって段階的に減少している。本発明の別の実施形態において、前記高分子電解質の体積膨張率は、前記燃料流路の上流側から下流側に向かって連続的に減少している。 In a preferred embodiment of the present invention, the volume expansion coefficient of the polymer electrolyte decreases stepwise from the upstream side to the downstream side of the fuel flow path. In another embodiment of the present invention, the volume expansion coefficient of the polymer electrolyte continuously decreases from the upstream side to the downstream side of the fuel flow path.
前記アノード触媒層の燃料流路の上流側に対向する部分に、高分子電解質の体積膨張率が20〜40%である高膨潤領域を備えることが好ましい。前記アノード触媒層の、燃料流路の上流側の燃料流路の全長の1/6〜1/3の長さの部分に対向している領域に、前記高膨潤領域を備えることがさらに好ましい。 It is preferable that a portion of the anode catalyst layer facing the upstream side of the fuel flow path is provided with a high swelling region in which the volume expansion coefficient of the polymer electrolyte is 20 to 40%. More preferably, the highly swelled region is provided in a region of the anode catalyst layer facing a portion having a length of 1/6 to 1/3 of the total length of the fuel channel upstream of the fuel channel.
前記アノード触媒層の燃料流路の下流側に対向する部分に、高分子電解質の体積膨張率が0〜30%である低膨潤領域を備えることが好ましい。 It is preferable that a portion of the anode catalyst layer facing the downstream side of the fuel flow path is provided with a low swelling region in which the volume expansion coefficient of the polymer electrolyte is 0 to 30%.
前記高膨潤領域に、高分子電解質として、フッ素系イオノマーが含まれることがさらに好ましい。前記フッ素系イオノマーの体積膨張率は20〜40%であり、プロトン伝導度は0.05〜0.15S/cmであることが好ましい。 More preferably, the highly swelled region contains a fluorine ionomer as a polymer electrolyte. The volume expansion coefficient of the fluorine ionomer is preferably 20 to 40%, and the proton conductivity is preferably 0.05 to 0.15 S / cm.
前記低膨潤領域に、高分子電解質として、炭化水素系イオノマーが含まれることがさらに好ましい。前記炭化水素系イオノマーの体積膨張率は、0〜30%であり、プロトン伝導度は、0.01〜0.1S/cmであることが好ましい。 More preferably, the low swelling region contains a hydrocarbon ionomer as a polymer electrolyte. The volume expansion coefficient of the hydrocarbon ionomer is preferably 0 to 30%, and the proton conductivity is preferably 0.01 to 0.1 S / cm.
前記フッ素系イオノマーは、パーフルオロスルホン酸単位とテトラフルオロエチレン単位との共重合体を含むことが好ましい。前記炭化水素系イオノマーは、スルホン酸基が導入されたエンジニアリングプラスティック、およびホスホン酸基が導入されたエンジニアリングプラスティックよりなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。 The fluorine ionomer preferably includes a copolymer of a perfluorosulfonic acid unit and a tetrafluoroethylene unit. The hydrocarbon ionomer preferably includes at least one selected from the group consisting of an engineering plastic having a sulfonic acid group introduced therein and an engineering plastic having a phosphonic acid group introduced therein.
前記アノード触媒層に含まれる高分子電解質の量が、前記アノード触媒層の10〜30重量%を占めることが好ましい。 The amount of the polymer electrolyte contained in the anode catalyst layer preferably occupies 10 to 30% by weight of the anode catalyst layer.
前記アノード触媒の量は、アノード触媒層全体にわたって、均一であることが好ましい。このとき、前記アノード触媒の量は、1〜10mg/cm2であることが好ましい。 The amount of the anode catalyst is preferably uniform throughout the anode catalyst layer. At this time, the amount of the anode catalyst is preferably 1 to 10 mg / cm 2 .
前記アノード触媒層の厚さが、前記アノード触媒層全体にわたって、均一であることが好ましい。このとき、前記アノード触媒層の厚さは、5〜120μmであることが好ましい。 It is preferable that the thickness of the anode catalyst layer is uniform throughout the anode catalyst layer. At this time, the anode catalyst layer preferably has a thickness of 5 to 120 μm.
本発明によれば、アノード触媒層に含まれる高分子電解質の種類を、アノード触媒層の燃料流路の上流部に対向する部分と下流部に対向する部分とで適正化させている。このため、アノード触媒層の上流部に対向する部分では、アノード触媒層と電解質膜の界面における燃料の濃度を従来技術に比べて低下させることでき、その結果、燃料のクロスオーバーを低減させることが可能となる。アノード触媒層の下流部に対向する部分では、燃料拡散性を向上させることができる。その結果、濃度過電圧を低減させ、よって、発電電圧を向上させることが可能となる。このように、本発明により、直接酸化型燃料電池の燃料の利用効率の低下、ならびに発電電圧および発電効率の低下を抑制することができる。 According to the present invention, the type of polymer electrolyte contained in the anode catalyst layer is optimized between the portion of the anode catalyst layer facing the upstream portion of the fuel flow path and the portion facing the downstream portion. For this reason, in the part facing the upstream part of the anode catalyst layer, the fuel concentration at the interface between the anode catalyst layer and the electrolyte membrane can be reduced as compared with the prior art, and as a result, the fuel crossover can be reduced. It becomes possible. The fuel diffusibility can be improved at the portion facing the downstream portion of the anode catalyst layer. As a result, it is possible to reduce the concentration overvoltage and thus improve the power generation voltage. As described above, according to the present invention, it is possible to suppress a decrease in the fuel utilization efficiency of the direct oxidation fuel cell and a decrease in the generated voltage and the generated efficiency.
以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明の直接酸化型燃料電池は、アノードと、カソードと、前記アノードとカソードとの間に配置された電解質膜とを含む膜−電極接合体、前記アノードに接するアノード側セパレータ、および前記カソードに接するカソード側セパレータを備える少なくとも1つの単位セルを有する。アノード側セパレータは、アノードに燃料を供給するための燃料流路を有し、カソード側セパレータは、カソードに酸化剤を供給するための酸化剤流路を有する。アノードは、電解質膜に接するアノード触媒層、およびアノード側セパレータに接するアノード拡散層を含む。本発明においては、アノード触媒層に特徴がある。具体的には、アノード触媒層は、アノード触媒と高分子電解質を含み、前記高分子電解質の体積膨張率が、前記アノード触媒層の前記燃料流路の下流側よりも上流側で大きい。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
The direct oxidation fuel cell according to the present invention includes a membrane-electrode assembly including an anode, a cathode, and an electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode, an anode separator in contact with the anode, and a cathode. It has at least 1 unit cell provided with the cathode side separator which touches. The anode side separator has a fuel flow path for supplying fuel to the anode, and the cathode side separator has an oxidant flow path for supplying oxidant to the cathode. The anode includes an anode catalyst layer in contact with the electrolyte membrane and an anode diffusion layer in contact with the anode-side separator. The present invention is characterized by the anode catalyst layer. Specifically, the anode catalyst layer includes an anode catalyst and a polymer electrolyte, and the volume expansion coefficient of the polymer electrolyte is larger on the upstream side than the downstream side of the fuel flow path of the anode catalyst layer.
以下、本発明を、図面を参照しながら説明する。図2に、本発明の一実施形態に係る燃料電池を模式的に示す縦断面図を示し、図3に、図2の燃料電池10に含まれるアノード触媒層32の一例を概略的に示す正面図を示す。図2および3において、図1と同じ構成要素には、同じ番号を付している。なお、図3においては、アノード触媒層32と、それを担持する電解質膜11を図示している。また、図3には、アノード触媒層32が対向するサーペンタイン型の燃料流路22も点線で示す。
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a longitudinal sectional view schematically showing a fuel cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a front view schematically showing an example of an
図2の燃料電池30は、アノード31と、カソード25と、それらの間に配置された電解質膜11を備える。電解質膜11は、水素イオン伝導性を有する。アノード31の電解質膜11と接する面とは反対側の面には、アノード側セパレータ17が積層されている。カソード25の電解質膜11と接する面とは反対側の面には、カソード側セパレータ21が積層されている。さらに、アノード側セパレータ17と電解質膜11との間には、アノード31を封入するように、ガスケット26が配置され、カソード側セパレータ21と電解質膜11との間には、カソード25を封入するように、ガスケット27が配置されている。ガスケット26および27は、それぞれ、燃料および酸化剤が外部に漏れるのを防止している。
The
アノード側セパレータ17には、電解質膜11の主面と平行な面方向に燃料を分配させるための燃料流路22が形成されている。燃料流路22には、少なくとも1対の燃料入口と燃料出口が設けられている。以下、説明を簡略化させるため、アノード側セパレータ17は、燃料入口35と燃料出口36を1箇所ずつ有し、燃料が、燃料入口35から燃料出口36に向かって一方向にのみ流れる形態を示す。なお、本発明は、前記形態に限定されない。
The
アノード31は、電解質膜11と接するアノード触媒層32と、アノード側セパレータ17と接するアノード拡散層16とを有している。アノード触媒層32は、上述の反応式(1)に示す反応を促進するためのアノード触媒と、アノード触媒層32と電解質膜11とのイオン伝導性を確保するための高分子電解質とを含む。
The
本発明においては、高分子電解質の体積膨張率が、アノード触媒層32の燃料流路の下流側よりも上流側で大きい。前記高分子電解質の体積膨張率は、燃料流路の上流側から下流側に向かって連続的に減少していてもよいし、段階的に減少していてもよい。なかでも、高分子電解質の体積膨張率は段階的に変化されることが好ましい。この場合、アノード触媒層の製造工程が簡便になり、また、アノード触媒粒子の充填密度を制御しやすくなるからである。アノード触媒粒子の充填密度は、例えば2〜10段階に変化させることが好ましく、2〜5段階に変化させることがより好ましい。
In the present invention, the volume expansion coefficient of the polymer electrolyte is larger on the upstream side than the downstream side of the fuel flow path of the
本発明は、アノード面内での燃料反応性および物質移動の分布解析にもとづき、使用する高分子電解質の体積膨張率を、アノードの面方向において変化させている。つまり、アノード触媒層32において、燃料の平均的な流れの方向Aに沿って、アノード触媒層に含まれている高分子電解質の体積膨張率を変化させている。
本発明者らは、プロトン伝導度を向上させた高分子電解質は、メタノール水溶液のような液体燃料に接触したときの体積膨張が大きいため、プロトン伝導度を向上させた高分子がアノード触媒層に含まれる場合、アノード触媒層の実質の空孔度が低下するという関係に注目した。本発明においては、このような関係を利用して、燃料の流れ方向に応じて、アノード触媒層に含まれる最適な高分子電解質を選択している。
In the present invention, the volume expansion coefficient of the polymer electrolyte to be used is changed in the surface direction of the anode based on the analysis of fuel reactivity and mass transfer distribution in the anode surface. That is, in the
Since the polymer electrolyte having improved proton conductivity has a large volume expansion when it comes into contact with a liquid fuel such as an aqueous methanol solution, the polymer having improved proton conductivity is added to the anode catalyst layer. When included, attention was paid to the relationship that the substantial porosity of the anode catalyst layer decreases. In the present invention, the optimum polymer electrolyte contained in the anode catalyst layer is selected according to the fuel flow direction by utilizing such a relationship.
より具体的には、燃料流路の上流側においては、燃料濃度が比較的大きい。このため、アノード触媒層の燃料流路の上流側に対向する部分では、速やかにアノード反応を進行させて、燃料を消費させることが求められる。その結果、アノード触媒層と電解質膜の界面における燃料濃度を低下させて、燃料のクロスオーバーを低減させることができる。そのためには、アノード触媒層の上流側に含まれる高分子電解質としては、プロトン伝導度が大きい高分子電解質が適している。しかも、前記プロトン伝導度が大きい高分子電解質は、液体燃料に接触したときの体積膨張が大きく、その結果、アノード触媒層の空孔度が低下しやすい。このため、プロトン伝導度が大きい高分子電解質が含まれるアノード触媒層の部分では、燃料拡散性も抑制されて、アノード触媒層と電解質膜の界面における燃料濃度を低下する働きが助長される。アノード触媒層の燃料流路の上流側に対向する部分に含まれる高分子電解質としては、フッ素系イオノマーが好ましい。 More specifically, the fuel concentration is relatively high on the upstream side of the fuel flow path. For this reason, in the part which opposes the upstream of the fuel flow path of an anode catalyst layer, it is calculated | required to advance an anode reaction rapidly and to consume a fuel. As a result, the fuel concentration at the interface between the anode catalyst layer and the electrolyte membrane can be reduced, thereby reducing the fuel crossover. For that purpose, a polymer electrolyte having a high proton conductivity is suitable as the polymer electrolyte contained on the upstream side of the anode catalyst layer. In addition, the polymer electrolyte having a high proton conductivity has a large volume expansion when in contact with the liquid fuel, and as a result, the porosity of the anode catalyst layer tends to be lowered. For this reason, in the portion of the anode catalyst layer containing the polymer electrolyte having high proton conductivity, the fuel diffusibility is also suppressed, and the function of lowering the fuel concentration at the interface between the anode catalyst layer and the electrolyte membrane is promoted. As the polymer electrolyte contained in the portion of the anode catalyst layer facing the upstream side of the fuel flow path, a fluorine ionomer is preferable.
燃料流路の下流側においては、燃料濃度が比較的小さい。このため、アノード触媒層の燃料流路の下流側に対向する部分においては、その空孔度を高く保つことにより、燃料の拡散性を向上させることが求められる。その結果、アノード触媒層の燃料流路の下流側に対向する部分における燃料濃度を向上させ、濃度過電圧を低減することができる。従って、アノード触媒層の燃料流路の下流側に対向する部分に含まれる高分子電解質としては、プロトン伝導度は多少犠牲にしても、液体燃料に接触したときの体積膨張が小さい高分子電解質が適している。このような高分子電解質としては、炭化水素系イオノマーが好ましい。 On the downstream side of the fuel flow path, the fuel concentration is relatively small. For this reason, in the part facing the downstream side of the fuel flow path of the anode catalyst layer, it is required to improve the fuel diffusibility by keeping the porosity high. As a result, the fuel concentration in the portion of the anode catalyst layer facing the downstream side of the fuel flow path can be improved, and the concentration overvoltage can be reduced. Therefore, as the polymer electrolyte contained in the portion of the anode catalyst layer that faces the downstream side of the fuel flow path, a polymer electrolyte that has a small volume expansion when in contact with the liquid fuel is obtained even if the proton conductivity is somewhat sacrificed. Is suitable. As such a polymer electrolyte, a hydrocarbon ionomer is preferable.
フッ素系イオノマーの体積膨張率は、20〜40%であることが好ましい。優れたプロトン伝導度を示すフッ素系イオノマーは、十分にイオノマーが十分に水分を保持することで、プロトン輸送速度が確保できる。現在の技術では、高いプロトン伝導度を得ることと小さな体積膨張率を得ることは、トレードオフの関係にあるため、フッ素系イオノマーの体積膨張率は大きくてよい。さらに、本発明においては、フッ素系イオノマーの体積膨張率が比較的大きい方が、液体燃料を供給したときのアノード触媒層内の細孔容積が容易に低減される。このため、体積膨張率が比較的大きいフッ素系イオノマーを用いる方が、燃料流路の上流側の液体燃料の拡散速度を調節するのに好都合である。ただし、使用するフッ素系イオノマーの体積膨張率を考慮しながら、フッ素系イオノマーの量およびアノード触媒層の空孔度を適切に選択する必要がある。 The volume expansion coefficient of the fluorine ionomer is preferably 20 to 40%. A fluorine-based ionomer exhibiting excellent proton conductivity can secure a proton transport rate because the ionomer sufficiently retains moisture. In the current technology, obtaining high proton conductivity and obtaining a small volume expansion coefficient are in a trade-off relationship. Therefore, the volume expansion coefficient of the fluorine-based ionomer may be large. Furthermore, in the present invention, when the volume expansion coefficient of the fluorine ionomer is relatively large, the pore volume in the anode catalyst layer when the liquid fuel is supplied is easily reduced. For this reason, the use of a fluorinated ionomer having a relatively large volume expansion rate is advantageous for adjusting the diffusion rate of the liquid fuel upstream of the fuel flow path. However, it is necessary to appropriately select the amount of the fluorine ionomer and the porosity of the anode catalyst layer in consideration of the volume expansion coefficient of the fluorine ionomer to be used.
フッ素系イオノマーのプロトン伝導度は、0.05〜0.15S/cmであることが好ましい。燃料流路の上流側において、液体燃料の酸化反応を効率良く進めるためには、イオノマーによるプロトンの輸送速度も促進する必要がある。このため、高いプロトン伝導度が必要となる。なお、燃料の酸化反応が促進されると、結果として触媒層/電解質膜界面における燃料濃度も低減され、燃料のクロスオーバー量が低減されることにもつながる。 The proton conductivity of the fluorine ionomer is preferably 0.05 to 0.15 S / cm. In order to advance the oxidation reaction of the liquid fuel efficiently on the upstream side of the fuel flow path, it is necessary to accelerate the proton transport rate by the ionomer. For this reason, high proton conductivity is required. If the oxidation reaction of the fuel is promoted, the fuel concentration at the catalyst layer / electrolyte membrane interface is also reduced as a result, leading to a reduction in the amount of fuel crossover.
フッ素系イオノマー1gあたりのイオン交換容量は、0.9〜1.3meq/gであることが好ましい。フッ素系イオノマーは、比較的小さなイオン交換容量でも、大きなプロトン伝導度が得られることが特徴である。しかしながら、現在の技術では、上記のような高いプロトン伝導度を得るためには、上記のようなイオン交換容量が必要である。 The ion exchange capacity per gram of the fluorine-based ionomer is preferably 0.9 to 1.3 meq / g. Fluorine ionomers are characterized by high proton conductivity even with a relatively small ion exchange capacity. However, in the current technology, in order to obtain the high proton conductivity as described above, the ion exchange capacity as described above is required.
フッ素系イオノマーは、ナフィオン(商品名「Nafion(登録商標)」、デュポン社製)に代表されるように、その分子構造内に、フッ素化された主鎖と、スルホン酸基などのイオン交換基を含む側鎖とを含む。主鎖部分は撥水性を示し、側鎖部分は親水性を示すことから、フッ素系イオノマーは、相分離構造を形成し、そのうちの親水相クラスター部分に水を多く含むことで、比較的小さなイオン交換容量でも優れたプロトン伝導性を示すと考えられている。しかし、フッ素系イオノマーは、親水相クラスター部が水を取り込むことによって、体積膨張しやすく、さらにメタノール水溶液中に浸漬した場合には、水に浸漬した場合に比べてさらに体積膨張が大きくなる。 As represented by Nafion (trade name “Nafion (registered trademark)”, manufactured by DuPont), a fluorine-based ionomer includes a fluorinated main chain and an ion exchange group such as a sulfonic acid group in its molecular structure. Including side chains. Since the main chain portion exhibits water repellency and the side chain portion exhibits hydrophilicity, the fluorine-based ionomer forms a phase separation structure, and the hydrophilic phase cluster portion contains a large amount of water, so that relatively small ions are present. It is thought that even proton exchange capacity shows excellent proton conductivity. However, the fluorine ionomer easily expands in volume when the hydrophilic phase cluster part takes in water, and further, when it is immersed in an aqueous methanol solution, the volume expansion is further increased as compared with when it is immersed in water.
フッ素系イオノマーとしては、パーフルオロスルホン酸単位とテトラフルオロエチレン単位との共重合体(H+型)が挙げられる。このようなフッ素系イオノマーとしては、例えば、ナフィオン(商品名「Nafion(登録商標)」、デュポン社製)、フレミオン(商品名「Flemion(登録商標)」、旭硝子(株)製、アシプレックス(商品名「Aciplex(登録商標)」、旭化成(株)製)などが挙げられる。 Examples of the fluorine ionomer include a copolymer (H + type) of a perfluorosulfonic acid unit and a tetrafluoroethylene unit. Examples of such a fluorine ionomer include Nafion (trade name “Nafion (registered trademark)”, manufactured by DuPont), Flemion (trade name “Flemion (registered trademark)”, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., Aciplex (product) Name "Aciplex (registered trademark)", manufactured by Asahi Kasei Corporation.
炭化水素系イオノマーの体積膨張率は、0〜30%であることが好ましい。アノード触媒層の燃料流路の下流側に含まれる炭化水素系イオノマーの体積膨張率は小さいほど好ましい。現在の技術では、炭化水素系イオノマーであっても、体積膨張することが一般的であるが、アノード触媒層の燃料流路の下流側における液体燃料の拡散性を維持するために、その体積膨張率は、フッ素系イオノマーの体積膨張率に比べて、小さいことが好ましい。 The volume expansion coefficient of the hydrocarbon ionomer is preferably 0 to 30%. The smaller the volume expansion coefficient of the hydrocarbon-based ionomer contained on the downstream side of the fuel flow path of the anode catalyst layer, the better. In the current technology, even a hydrocarbon-based ionomer generally expands in volume. However, in order to maintain the diffusibility of liquid fuel downstream of the fuel flow path of the anode catalyst layer, the volume expansion is performed. The rate is preferably smaller than the volume expansion coefficient of the fluorinated ionomer.
炭化水素系イオノマーのプロトン伝導度は、0.01〜0.1S/cmであることが好ましい。フッ素系イオノマーの場合と同様に、炭化水素系イオノマーにおいても、プロトン伝導度と体積膨張率はトレードオフの関係にある。このため、体積膨張率が小さいことを重視した炭化水素系イオノマーのプロトン伝導度は、フッ素系イオノマーのプロトン伝導度に比べると小さくなる。 The proton conductivity of the hydrocarbon ionomer is preferably 0.01 to 0.1 S / cm. Similar to the case of the fluorine ionomer, the proton conductivity and the volume expansion coefficient are in a trade-off relationship also in the hydrocarbon ionomer. For this reason, the proton conductivity of hydrocarbon-based ionomers that place importance on a small volume expansion coefficient is smaller than the proton conductivity of fluorine-based ionomers.
また、炭化水素系イオノマー1gあたりのイオン交換容量は、1.0〜1.5meq/gであることが好ましい。現在の技術では、炭化水素系イオノマーのイオン交換容量を、フッ素系イオノマーのイオン交換容量と比べて大きくしないと、発電反応に十分なプロトン伝導度を得ることが難しい。なお、同じイオン交換容量で比較すると、炭化水素系イオノマーの方が、フッ素系イオノマーに比べて、体積膨張率が小さくなることが一般的である。すなわち、炭化水素系イオノマーのイオン交換容量を、フッ素系イオノマーのイオン容量よりも大きくしても、炭化水素系イオノマーの体積膨張率をフッ素系イオノマーの体積膨張率より小さくすることが可能である。 The ion exchange capacity per gram of hydrocarbon ionomer is preferably 1.0 to 1.5 meq / g. With the current technology, it is difficult to obtain sufficient proton conductivity for power generation reaction unless the ion exchange capacity of the hydrocarbon ionomer is increased compared to the ion exchange capacity of the fluorine ionomer. When compared with the same ion exchange capacity, the hydrocarbon ionomer generally has a smaller volume expansion coefficient than the fluorine ionomer. That is, even if the ion exchange capacity of the hydrocarbon ionomer is larger than the ion capacity of the fluorine ionomer, the volume expansion coefficient of the hydrocarbon ionomer can be made smaller than the volume expansion coefficient of the fluorine ionomer.
スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(SPEEK)に代表されるような炭化水素系イオノマーにおいて、撥水相と親水相の大きさが、一般的にフッ素系ポリマーの場合と比べて小さく、容易に観察されるような大きさの親水相クラスター部は存在しない。従って、炭化水素系イオノマーは、同じイオン交換容量で比較すると、フッ素系イオノマーに比べて体積膨張が小さいものの、フッ素系イオノマーと比較してプロトン伝導度が小さい。しかし、昨今では、炭化水素系イオノマーの分子構造的開発が進み、WO2008−149815号公報に記載されているように、3つの重合体ブロックを共重合させることなどにより、体積膨張が小さくかつプロトン伝導度に優れた炭化水素系イオノマーの開発が進んでいる。 In hydrocarbon ionomers represented by sulfonated polyetheretherketone (SPEEK), the sizes of the water-repellent phase and the hydrophilic phase are generally smaller than those of fluoropolymers and are easily observed. There is no hydrophilic phase cluster part of such a size. Therefore, the hydrocarbon ionomer has a smaller volume expansion than the fluorine ionomer when compared with the same ion exchange capacity, but has a proton conductivity smaller than that of the fluorine ionomer. However, in recent years, the molecular structural development of hydrocarbon ionomers has progressed and, as described in WO2008-149815, by copolymerizing three polymer blocks, the volume expansion is small and proton conduction is achieved. The development of highly functional hydrocarbon ionomers is progressing.
炭化水素系イオノマーとしては、スルホン酸基が導入されたエンジニアリングプラスティックおよびホスホン酸基が導入されたエンジニアリングプラスティックより選択される少なくとも1種を用いることができる。エンジニアリングプラスティックとしては、例えば、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリ(アリーレンエーテル)、ポリイミド、ポリ((4−フェノキシベンゾイル)−1,4−フェニレン)、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニルキノキサレン、ポリフォスファゼン、ポリベンズイミダゾールのようなポリマーが挙げられる。さらに、前記ポリマーを構成する複数種のモノマー単位を共重合した共重合体を、エンジニアリングプラスティックとして用いることもできる。なお、スルホン酸基またはホスホン酸基の導入は、従来公知の技術を用いて行うことができる。
また、炭化水素系イオノマーとしては、スルホアリール化ポリベンズイミダゾール、スルホアルキル化ポリベンズイミダゾール、ホスホアルキル化ポリベンズイミダゾール、ホスホン化ポリ(フェニレンエーテル)、ポリビニルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリ(α−メチルスチレン)スルホン酸などを用いることもできる。
As the hydrocarbon ionomer, at least one selected from an engineering plastic having a sulfonic acid group introduced and an engineering plastic having a phosphonic acid group introduced can be used. Engineering plastics include, for example, polyetheretherketone, polysulfone, polyethersulfone, poly (arylene ether), polyimide, poly ((4-phenoxybenzoyl) -1,4-phenylene), polyphenylene sulfide, polyphenylquinoxalen. , Polymers such as polyphosphazene and polybenzimidazole. Furthermore, a copolymer obtained by copolymerizing a plurality of types of monomer units constituting the polymer can be used as an engineering plastic. The introduction of the sulfonic acid group or phosphonic acid group can be performed using a conventionally known technique.
Hydrocarbon ionomers include sulfoarylated polybenzimidazole, sulfoalkylated polybenzimidazole, phosphoalkylated polybenzimidazole, phosphonated poly (phenylene ether), polyvinyl sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, poly (α- Methylstyrene) sulfonic acid and the like can also be used.
プロトン伝導度は、交流インピーダンス法により測定することができる。フッ素系イオノマーを含む溶液または炭化水素系イオノマーを含む溶液を、ガラス板上にキャストして、フッ素系イオノマーのキャスト膜または炭化水素系のイオノマーのキャスト膜を得る。各キャスト膜の両端に金線を配置し、金線を交流インピーダンス測定装置に接続する。常温、相対湿度100%窒素雰囲気中で、交流インピーダンス法(測定周波数:100kHz〜1Hzの範囲で周波数を変化させ、ナイキストプロットにおける実軸切片をインピーダンス値とする)により、プロトン伝導度を測定することができる。 Proton conductivity can be measured by the AC impedance method. A solution containing a fluorine ionomer or a solution containing a hydrocarbon ionomer is cast on a glass plate to obtain a cast film of a fluorine ionomer or a cast film of a hydrocarbon ionomer. Gold wires are arranged at both ends of each cast film, and the gold wires are connected to an AC impedance measuring device. Measure proton conductivity by AC impedance method (measuring frequency: change frequency in the range of 100 kHz to 1 Hz, using the real axis intercept in the Nyquist plot as the impedance value) in a nitrogen atmosphere at normal temperature and 100% relative humidity. Can do.
体積膨張率は、以下のようにして測定することが。上記のようにして作製したフッ素系イオノマーのキャスト膜または炭化水素系イオノマーのキャスト膜を、100℃に温度設定された減圧乾燥機中で12時間乾燥した。各キャスト膜の寸法を、ドライエア雰囲気中で、ノギスなどにより測定し、浸漬前の体積を求める。この後、各キャスト膜を、常温下で2Mのメタノール水溶液に、12時間浸漬する。12時間経過後に、各キャスト膜の寸法を再度測定して、浸漬後の体積を求める。2Mのメタノール水溶液の浸漬する前の体積と浸漬した後の体積とを用いて、体積膨張率を計算する。体積膨張率は、{[(浸漬後の体積)−(浸漬前の体積)]/(浸漬前の体積)}×100により求めることができる。 The volume expansion rate can be measured as follows. The fluorine ionomer cast film or the hydrocarbon ionomer cast film produced as described above was dried in a vacuum drier set at 100 ° C. for 12 hours. The dimensions of each cast film are measured with a vernier caliper or the like in a dry air atmosphere to determine the volume before immersion. Thereafter, each cast film is immersed in a 2M aqueous methanol solution at room temperature for 12 hours. After 12 hours, the dimensions of each cast film are measured again to determine the volume after immersion. The volume expansion coefficient is calculated using the volume before immersion of the 2M aqueous methanol solution and the volume after immersion. The volume expansion coefficient can be obtained by {[(volume after immersion) − (volume before immersion)] / (volume before immersion)} × 100.
イオン交換容量は、0.5Mの水酸化ナトリウムを使用する中和滴定により測定することができる。 The ion exchange capacity can be measured by neutralization titration using 0.5M sodium hydroxide.
アノード触媒層32は、アノード触媒層32の燃料流路22の上流側に対向する部分に、高分子電解質の体積膨張率が20〜40%である高膨潤領域を備えることが好ましい。さらに、アノード触媒層32は、アノード触媒層32の燃料流路22の下流側に対向する部分に、高分子電解質の体積膨張率が0〜30%である低膨潤領域を備えることが好ましい。このことを、図3を参照しながら説明する。図3では、アノード触媒粒子の充填密度を段階的に減少させた場合について説明する。
The
図3のアノード触媒層32は、高分子電解質の体積膨張率が20〜40%である高膨潤領域(第1領域)33と、高分子電解質の体積膨張率が0〜30%である低膨潤領域(第2領域)34とを含む。図3において、燃料流路22の上流側から下流側に向かう燃料の全体的な流れ方向(燃料濃度が減少する平均的な方向)は矢印Aで表されている。図3に示されるアノード触媒層32において、第1領域33は、燃料流路の上流側であり、かつ全流路長の半分の長さの流路部分と対向している。第2領域34は、燃料流路22の下流側であり、かつ全流路長の半分の長さの流路部分と対向している。つまり、燃料流路22の上流側から下流側に向かう矢印Aに平行なカソード触媒層18の辺の長さをLとした場合、図3において、第1領域33は、燃料流路の上流部に対向するように位置し、かつ方向Aにおける長さが約L/2のアノード触媒層の領域(アノード触媒層の投影面積の約1/2を占める領域)を占めている。第2領域34は、燃料流路の下流部に対向するように位置し、かつ方向Aにおける長さが約L/2のアノード触媒層の領域(アノード触媒層の投影面積の約1/2を占める領域)を占める。第1領域33は、燃料流路の、燃料入口35から、全流路長の好ましくは1/6〜1/2の流路部分と対向していることが好ましい。
特に、燃料のクロスオーバーによる発電性能の低下が最も顕著であるのは、燃料流路の上流側に位置するアノード触媒層32の端32aから、燃料流路の全長を1としたときに、その上流側の1/6〜1/3の長さに相当する部分である。従って、アノード触媒層32の第1領域33は、燃料流路22の上流側の、燃料流路22の全長の1/6〜1/3の長さの部分に対向していることがさらに好ましい。
なお、アノード触媒層32が、第1領域33および第2領域34から構成され、第1領域33が前記範囲を占める場合、第2領域34は、アノード触媒層32の残りの部分を占める。
The
In particular, the decrease in power generation performance due to fuel crossover is most remarkable when the total length of the fuel flow path is set to 1 from the
When the
ここで、アノード触媒層の投影面積とは、カソード触媒層の主面に対して法線方向から見たときのアノード触媒層の面積のことである。 Here, the projected area of the anode catalyst layer is the area of the anode catalyst layer as viewed from the normal direction with respect to the main surface of the cathode catalyst layer.
この場合、第1領域33は、フッ素系イオノマーを高分子電解質として含むことができ、第2領域34は炭化水素系イオノマーを高分子電解質として含むことができる。
In this case, the
第1領域33に含まれるフッ素系イオノマーは1種でもよいし、2種以上であってもよい。同様に、第2領域34に含まれる炭化水素系イオノマーは1種であってもよいし、2種以上であってもよい。
1 type may be sufficient as the fluorine-type ionomer contained in the 1st area |
第1領域33および第2領域34に含まれるイオノマーの量は、イオノマーのプロトン伝導度、イオノマーと触媒粒子との混合分散性等に依存して決定される。第1領域33に含まれるフッ素系イオノマーの量は、第1領域33の10〜30重量%であることが好ましい。同様に、第2領域34に含まれる炭化水素系イオノマーの量は、第2領域34の10〜30重量%であることが好ましい。
The amount of ionomer contained in the
第1領域33は、第1領域33における高分子電解質の体積膨張率が20〜40%となるように、フッ素系イオノマーのほかに、少量の炭化水素系イオノマーを含んでいてもよい。同様に、第2領域34も、第2領域34における高分子電解質の体積膨張率が0〜30%となるように、炭化水素系イオノマーのほかに、少量のフッ素系イオノマーを含んでいてもよい。つまり、第1領域33および第2領域34がそれぞれフッ素系イオノマーおよび炭化水素系イオノマーを含み、第1領域33においては、フッ素系イオノマーの含有量を炭化水素系イオノマーの含有量よりも多くし、第2領域34においては、炭化水素系イオノマーの含有量をフッ素系イオノマーの含有量より多くしてもよい。
The
なお、この場合、必ずしも第1領域33を形成するための第1インクおよび第2領域34を形成するための第2インクにおいて、フッ素系イオノマーおよび炭化水素系イオノマーが混合されている必要はない。例えば、フッ素系イオノマーのみを含むインクと炭化水素系イオノマーのみを含むインクを交互に塗布することにより、第1領域33および第2領域34を形成してもよい。このとき、各インクに含まれるイオノマーの濃度は、作製される部分に応じて、適宜調節される。
In this case, in the first ink for forming the
あるいは、アノード触媒層32の厚さ方向において、第1領域33および第2領域34が、それぞれ、含まれる高分子電解質の種類が異なる2層から構成されてもよい。この場合、第1領域33では、その投影単位面積あたりのフッ素系イオノマーの含有割合を高くし、第2領域34では、その投影単位面積あたりの炭化水素系イオノマーの含有割合を高くする。
Alternatively, in the thickness direction of the
また、第1領域33および第2領域34に、それぞれフッ素系イオノマーおよび炭化水素系イオノマーが含まれる場合、フッ素系イオノマーおよび炭化水素系イオノマーの物性を、第1領域33と第2領域34とで、変化させてもよい。例えば、第1領域33に含まれるフッ素系イオノマーとして、イオン交換基当たりの重量(EW)の小さいイオノマーを主として用い、第2領域34に含まれるフッ素系イオノマーとして、EWの大きいイオノマーを主として用いてもよい。同様に、第1領域33に含まれる炭化水素系イオノマーとして、EWの小さいイオノマーを主として用い、第2領域34に含まれる炭化水素系イオノマーとして、EWの大きいイオノマーを主として用いてもよい。このような構成により、上記のような本発明の効果が得られるとともに、第1領域33では、プロトン伝導度を最大に高めることができ、第2領域34では、イオノマーの体積膨張をできる限り低減することができる。
なお、第1領域33に含まれる高分子電解質が、EWの小さいフッ素系イオノマーのみを含み、第2領域34に含まれる高分子電解質が、EWの大きい炭化水素系イオノマーのみを含んでいてもよい。この場合にも、前記のような効果を得ることができる。
In addition, when the
Note that the polymer electrolyte included in the
各領域が複数種の高分子電解質を含む場合、各領域における高分子電解質の体積膨張率は、各高分子電解質の体積膨張率と各高分子電解質の質量比とから求めることができる。例えば、所定の領域に、体積膨張率がSW1のフッ素系イオノマーと体積膨張率がSW2の炭化水素系イオノマーとがx:yの質量比で含まれる場合、所定の領域における高分子電解質の体積膨張率は、{SW1×x/(x+y)}+{SW2×y/(x+y)}で表される。なお、各高分子電解質の体積膨張率は、上記のようにして求められる。 When each region includes a plurality of types of polymer electrolytes, the volume expansion coefficient of the polymer electrolyte in each region can be obtained from the volume expansion rate of each polymer electrolyte and the mass ratio of each polymer electrolyte. For example, when the predetermined region includes a fluorine ionomer having a volume expansion coefficient of SW1 and a hydrocarbon ionomer having a volume expansion coefficient of SW2, at a mass ratio of x: y, the volume expansion of the polymer electrolyte in the predetermined region The rate is represented by {SW1 × x / (x + y)} + {SW2 × y / (x + y)}. The volume expansion coefficient of each polymer electrolyte is determined as described above.
第1領域33がフッ素系イオノマーおよび炭化水素系イオノマーを含む場合にも、上記と同様に、第1領域33に含まれるイオノマーの合計量は、第1領域33の10〜30重量%であることが好ましい。同様に、第2領域34がフッ素系イオノマーおよび炭化水素系イオノマーを含む場合にも、第2領域34に含まれるイオノマーの合計量は、第2領域34の10〜30重量%であることが好ましい。
Even when the
図3においては、アノード触媒層32を、上流側半分の第1領域33と、下流側半分の第2領域34の2つに分割している。アノード触媒層の分割数は、2に限定されず、アノード触媒層を、燃料の平均的な流れ方向(矢印Aの方向)に沿って、3つ以上に分割してもよい。
なお、分割数が大きい場合には、フッ素系イオノマーと炭化水素系イオノマーの含有割合を段階的に変化させていくことが可能である。さらに、使用するイオノマーの種類や割合は、各領域間で明確に境界を設けるのではなく、漸次変化させてもよい。
In FIG. 3, the
When the number of divisions is large, the content ratio of the fluorine ionomer and the hydrocarbon ionomer can be changed stepwise. Furthermore, the kind and ratio of the ionomer to be used may be gradually changed instead of clearly providing a boundary between the regions.
例えば、第1領域33と第2領域34との間に、さらなる第3の領域が設けられる場合、前記第3の領域における高分子電解質の体積膨張率SWmは、第1領域33における高分子電解質の体積膨張率SWuと、第2領域34における高分子電解質の体積膨張率SWdとに応じて、適宜選択される。例えば、差(SWu−SWm)と、差(SWm−SWd)とが、ほぼ同じとなるように、SWmを選択してもよい。あるいは、差(SWu−SWm)が差(SWm−SWd)よりも大きくなるように選択してもよいし、差(SWm−SWd)が差(SWu−SWm)よりも大きくなるように選択してもよい。また、第1領域33と第2領域34との間に複数の領域を設ける場合、各領域における高分子電解質の体積膨張率も、適宜選択される。
For example, when a further third region is provided between the
上記のように、高分子電解質の体積膨張率は、燃料流路の上流側から下流側に向かって連続的に変化させてもよい。この場合、例えば、フッ素系イオノマーと炭化水素系イオノマーとの混合質量比を、燃料流路の上流側から下流側に向かって、連続的に変化させることにより、高分子電解質の体積膨張率を、連続的に変化させることができる。
さらに、フッ素系イオノマーと炭化水素系イオノマーとの混合比を連続的に変化させている場合、アノード触媒層32の燃料流路22の上流側の、燃料流路22の全長の1/6〜1/2、さらに好ましくは1/6〜1/3の長さの部分に対向している領域(前記第1領域33に相当)に含まれるフッ素系イオノマーと炭化水素系イオノマーとの平均の混合質量比から求められる高分子電解質の体積膨潤率は、20〜40%であることが好ましい。アノード触媒層32の残りの領域(前記第2領域34に相当)においても同様に、フッ素系イオノマーと炭化水素系イオノマーとの平均の混合質量比から求められる高分子電解質の体積膨潤率は、0〜30%であることが好ましい。
As described above, the volume expansion coefficient of the polymer electrolyte may be continuously changed from the upstream side to the downstream side of the fuel flow path. In this case, for example, the volume expansion coefficient of the polymer electrolyte is changed by continuously changing the mixing mass ratio of the fluorine ionomer and the hydrocarbon ionomer from the upstream side to the downstream side of the fuel flow path. Can be changed continuously.
Further, when the mixing ratio of the fluorine ionomer and the hydrocarbon ionomer is continuously changed, 1/6 to 1 of the total length of the
アノード触媒層32の各領域が、フッ素系イオノマーおよび炭化水素系イオノマーを含む場合にも、アノード触媒層32に含まれる高分子電解質の量は、アノード触媒層全体にわたって均一であることが好ましい。
Even when each region of the
アノード触媒層32に含まれるアノード触媒としては、例えば、白金(Pt)とルテニウム(Ru)の合金、Ptとルテニウム酸化物との混合物、PtとRuと他の金属元素(例えば、イリジウム(Ir)など)との3元合金などが挙げられる。PtとRuとの合金において、PtとRuとの原子比は、これに限定されないが、好ましくは、1:1である。前記アノード触媒は、微粉末の状態でそのまま用いてもよい。あるいは、前記アノード触媒は、カーボンブラックなどの電子導電性を有する粉末に担持させてもよい。
Examples of the anode catalyst included in the
アノード触媒層32に含まれるアノード触媒の量は、一般的に担体を含まない金属量として、1〜10mg/cm2の範囲であることが好ましく、1〜6mg/cm2の範囲であることがさらに好ましい。ここで、前記アノード触媒の量とは、アノード触媒層の投影単位面積あたりの部分に含まれるアノード触媒の量のことをいい、アノード触媒層の投影単位面積とは、アノード触媒層の主面に対して法線方向から見たときのアノード触媒層の単位面積(cm2)のことをいう。例えば、前記アノード触媒の量は、アノード触媒層に含まれるアノード触媒の全量を、アノード触媒の投影面積で除することにより得ることができる。
The amount of the anode catalyst in the
アノード触媒層に含まれるアノード触媒の量は、アノード触媒層全体にわたって均一であることが好ましい。上記のように、アノード触媒層の燃料流路の上流側に対向する部分および下流側に対向する部分に含まれる高分子電解質の体積膨張率を変化させているため、アノード触媒層における燃料の拡散性が制御される。その結果、アノード触媒層全体にわたって燃料を均一に供給することができる。この場合、アノード触媒の量を、アノード触媒層全体にわたって均一とすることにより、アノード触媒層全体にわたって発電を均一に行うことができ、よって、効率的な発電を行うことができる。この結果、発電特性および発電効率をさらに向上することができる。 The amount of the anode catalyst contained in the anode catalyst layer is preferably uniform throughout the anode catalyst layer. As described above, the volume expansion coefficient of the polymer electrolyte contained in the portion facing the upstream side and the portion facing the downstream side of the fuel flow path of the anode catalyst layer is changed, so that the diffusion of fuel in the anode catalyst layer Sex is controlled. As a result, the fuel can be supplied uniformly over the entire anode catalyst layer. In this case, by making the amount of the anode catalyst uniform throughout the anode catalyst layer, power generation can be performed uniformly over the entire anode catalyst layer, and thus efficient power generation can be performed. As a result, the power generation characteristics and power generation efficiency can be further improved.
アノード触媒層32の厚さは、使用する触媒粒子の粒径、触媒粒子の担体への担持率、高分子電解質の含有量、空孔度などに依存する。アノード触媒層32の厚さは、5〜120μmの範囲であることが好ましく、5〜70μmの範囲であることがさらに好ましい。
The thickness of the
アノード触媒層32の厚さは、アノード触媒層全体にわたって均一であることが好ましい。燃料電池のセルおよびスタックの構成要素は基本的に均一な厚みであり、厚み方向に均一に圧力をかけてセル全体またはスタック全体を締結している。このため、アノード触媒層の厚さが変化すると、その変化分を吸収するために、MEAの他の部分、例えば拡散層、電解質膜などの厚みを変化させる必要が生じる。これは、MEAのバランスを不必要に変化させることとなり、全体として発電特性を低下させる要因となりうる。
The thickness of the
以上のように、本発明の燃料電池においては、アノード触媒層の燃料流路上流側に、プロトン伝導度が高いが液体燃料に接触したときの体積膨張が大きいフッ素系イオノマーのような高分子電解質が含まれ、アノード触媒層の燃料流路下流側に、プロトン伝導度はさほど高くないが液体燃料に接触したときの体積膨張が小さい炭化水素系イオノマーのような高分子電解質が含まれている。アノード触媒層32の燃料流路上流側の部分には、プロトン伝導度が大きい高分子電解質が含まれているため、アノード反応を迅速行わせることができ、その結果、前記アノード触媒層の燃料流路上流側の部分では、アノード触媒層32と電解質膜11の界面における燃料の濃度を従来技術に比べて低下させることができる。よって、燃料のクロスオーバーを低減させることができる。アノード触媒層32の燃料流路下流側の部分では、前記部分に体積膨張率の小さい高分子電解質が含まれているため、従来技術に比べて優れた燃料拡散性を維持することできる。よって、電極の濃度過電圧を低減させることでできる。
As described above, in the fuel cell of the present invention, on the upstream side of the fuel flow path of the anode catalyst layer, a polymer electrolyte such as a fluorine ionomer having a high proton conductivity but a large volume expansion when in contact with liquid fuel. And a polymer electrolyte such as a hydrocarbon-based ionomer having a small volume expansion when in contact with the liquid fuel, although the proton conductivity is not so high. A portion of the
以下、図2を再度参照しながら、アノード触媒層32以外の構成要素について、説明する。
カソード25は、電解質膜11に接するカソード触媒層13と、カソード側セパレータ21に接するカソード拡散層20とを有している。カソード拡散層20は、カソード触媒層13に接するカソード撥水層18と、カソード側セパレータ21に接するカソード多孔質基材19とを有している。
Hereinafter, components other than the
The
カソード触媒層13は、上述の反応式(2)に示す反応を促進するためのカソード触媒と、カソード触媒層13と電解質膜11とのイオン伝導性を確保するための高分子電解質と、を含む。
カソード触媒層13に含まれるカソード触媒としては、例えば、Pt単体およびPt合金が挙げられる。Pt合金には、Ptと、コバルト、鉄などの遷移金属との合金が挙げられる。上記Pt単体またはPt合金は、微粉末状のまま用いてもよいし、カーボンブラックなどの電子導電性を有する担体に担持させてもよい。
カソード触媒層13に含まれる高分子電解質としては、アノード触媒層12に含まれる高分子電解質として例示した材料を用いることができる。
The
Examples of the cathode catalyst included in the
As the polymer electrolyte contained in the
カソード触媒層13は、例えば、以下のようにして作製することができる。具体的には、カソード触媒と、高分子電解質とを適当な分散媒に分散させる。得られたインクを電解質膜11に塗布し、乾燥させることにより、アノード触媒層13を得ることができる。塗布の手段としては、例えば、スプレー法、スキージ法などが挙げられる。
The
図3に示されるような第1領域33と第2領域34とを含むアノード触媒層32も、基本的には、カソード触媒層13と同様にして作製することができる。一例として、スプレー法を用いて、アノード触媒層32を作製する方法について、以下に説明する。この場合、アノード触媒層は、図4に示されるようなスプレー式塗布装置を用いて形成することができる。図4は、スプレー式塗布装置の構成を概略的に示す側面図である。
The
まず、アノード触媒と、フッ素系イオノマーとを、適当な分散媒に分散させて、第1インクを調製する。同様に、アノード触媒と、炭化水素系イオノマーとを適当な分散媒に分散させて、第2インクを調製する。 First, a first ink is prepared by dispersing an anode catalyst and a fluorine-based ionomer in a suitable dispersion medium. Similarly, the second ink is prepared by dispersing an anode catalyst and a hydrocarbon ionomer in an appropriate dispersion medium.
図4のスプレー式塗布装置70は、インク72を収容したタンク71およびインク72を吐出するスプレーガン73を備える。
タンク71内において、インク72は、撹拌機74により撹拌されて、常時流動状態にある。インク72は、開閉バルブ75を介して、スプレーガン73に供給され、噴出ガスとともに、スプレーガン73から吐出される。噴出ガスは、ガス圧力調整器76およびガス流量調整器77を介して、スプレーガン73に供給される。噴出ガスとしては、例えば、窒素ガスを用いることができる。塗布装置70では、電解質膜11と接するように配置されたヒータ81により、電解質膜11の表面温度が制御されている。
なお、図4の塗布装置70において、スプレーガン73は、アクチュエータ78により、紙面に垂直な面内において、矢印Xに平行なX軸およびX軸に垂直なY軸の2方向に任意の位置から任意の速度で移動することが可能である。
4 includes a
In the
In the
スプレー式塗布装置70のタンク71に、第1インクを収容する。電解質膜11の第1領域33が配置される予定箇所に、第1インクを、スプレーガン73を用いてスプレー塗布し、乾燥する。このとき、アノード触媒層32が形成される電解質膜11の領域以外は、マスキング79を施しておき、さらに、電解質膜11上の第2領域34が配置される予定箇所には、マスキング80を施しておく。こうして、第1領域33を形成することができる。
The first ink is stored in the
次いで、タンク71に収容されるインクを、第2インクに変更し、マスキング80を取り除く。そして、電解質膜11の第2領域34が配置される予定箇所に、第2インクを、スプレーガン73を用いてスプレー塗布し、乾燥する。こうして、第2領域34を形成することができる。
Next, the ink stored in the
このようにして、電解質膜11の一方の面にアノード触媒層32が形成され、他方の面にカソード触媒層13が形成されたCCMを形成することができる。
In this manner, a CCM in which the
あるいは、スプレーガンおよびタンクの組を2つ有するスプレー式塗布装置を用意し、一方の組のスプレーガンからは第1インクを吐出させ、他方の組のスプレーガンからは第2インクを吐出させて、第1領域33および第2領域34を形成してもよい。
Alternatively, a spray-type coating device having two spray guns and tanks is prepared, the first ink is ejected from one set of spray guns, and the second ink is ejected from the other set of spray guns. The
なお、図4の塗布装置70においては、スプレーガン73を、任意の位置に移動させながら、タンク71内に収容されたインク72を吐出させることができる。例えば、タンク71に収容するインク72の種類(例えば、フッ素系イオノマーと炭化水素系イオノマーとの混合比)を順次変更していけば、電解質膜11上に、3つ以上の部分からなるアノード触媒層を形成することもできる。
また、例えば、タンク71に収容するインク72の種類を連続的に変化させることにより、高分子電解質の体積膨張率を連続的に変化させたアノード触媒層を形成することもできる。
In addition, in the
For example, the anode catalyst layer in which the volume expansion coefficient of the polymer electrolyte is continuously changed can be formed by continuously changing the type of the
アノード触媒層32は、所定の樹脂シート上に形成してもよい。具体的には、第1インクおよび第2インクを樹脂シート上に塗布し、乾燥することにより、アノード触媒層32を得ることができる。同様にして、カソード触媒層13も、樹脂シート上に形成してもよい。
The
次いで、樹脂シート上に形成されたアノード触媒層およびカソード触媒層は、熱プレスにより、電解質膜11に転写される。アノード触媒層32は、電解質膜11の一方の面に転写され、カソード触媒層13は他方の面に転写される。このとき、アノード触媒層32およびカソード触媒層13は、同時に、電解質膜11に転写してもよい。または、一方の触媒層を転写したのちに、他方の触媒層を転写してもよい。このようにしても、CCMを形成することができる。
Next, the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer formed on the resin sheet are transferred to the
電解質膜11の構成材料としては、電解質膜11がイオン伝導性を有していれば、特に限定されない。このような材料としては、たとえば、当該分野で公知の各種高分子電解質材料を用いることができる。なお、現在、流通している電解質膜は、主として、プロトン伝導タイプの電解質膜である。
The constituent material of the
電解質膜11の具体例としては、フッ素系高分子膜などが挙げられる。前記フッ素系高分子膜の具体例としては、例えば、パーフルオロスルホン酸/ポリテトラフルオロエチレン共重合体(H+型)などのパーフルオロスルホン酸ポリマーを含有する高分子膜が挙げられる。パーフルオロスルホン酸ポリマーを含有する膜の具体例としては、たとえば、ナフィオン膜(商品名「Nafion(登録商標)」、デュポン社製)などが挙げられる。
Specific examples of the
なお、電解質膜11は、燃料電池30に用いられる液体燃料のクロスオーバーを低減する効果をさらに有していることが好ましい。このような効果を有する電解質膜としては、上記フッ素系高分子膜のほかに、例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン(S−PEEK)などのフッ素原子を含まない炭化水素系ポリマーならなる膜、無機物・有機物複合膜などが挙げられる。
The
アノード拡散層16は、撥水処理が施された多孔質基材15と、多孔質基材15の表面に形成された、撥水性の高い材料からなる撥水層14とを備える。同様に、カソード拡散層20は、撥水処理が施された多孔質基材19と、多孔質基材19の表面に形成された、撥水性の高い材料からなる撥水層18とを備える。
アノード多孔質基材15およびカソード多孔質基材19に用いられる多孔質基材としては、例えば、炭素繊維からなるカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン不織布(カーボンフェルト)、耐腐食性を有する金属メッシュ、発泡金属などが挙げられる。
The
Examples of the porous substrate used for the anode
アノード撥水層14およびカソード撥水層18の形成に用いられる高撥水性材料としては、例えば、フッ素系高分子、フッ化黒鉛などが挙げられる。フッ素系高分子としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などが挙げられる。
Examples of the highly water-repellent material used for forming the anode water-
アノード拡散層16およびカソード拡散層20は、次のようにして得ることができる。まず、例えばフッ素系高分子などの高撥水性材料と、例えばカーボンブラック(ファーネスブラック、アセチレンブラックなど)、黒鉛粉末、多孔質金属粉末などの導電性を有しかつ多孔質の集合体を形成することのできる材料と、適当な分散媒と、を混合し、攪拌する。こうして得られたインクを、撥水処理が施された多孔質基材の表面に塗布して乾燥させる。塗布の手段としては、例えば、スクリーン印刷法、スキージ法などが挙げられる。
The
こうして得られたアノード拡散層16およびカソード拡散層20は、アノード触媒層32と電解質膜11とカソード触媒層13との積層体(CCM)に、熱プレスにより接合される。このとき、アノード拡散層16は、アノード触媒層32に接合され、カソード拡散層20は、カソード触媒層13に接合される。こうして、アノード23と、電解質膜11と、カソード25とが、この順で積層された膜電極接合体(MEA)が得られる。
The
アノード側セパレータ17およびカソード側セパレータ21は、例えば、黒鉛などのカーボン材料からなる。アノード側セパレータ17には、アノード31と接する面に、アノード31に燃料(メタノール水溶液など)を供給する凹状の燃料流路が設けられている。カソード側セパレータ21には、カソード25と接する面に、カソード25に酸化剤(空気、酸素など)を供給するための凹状の酸化剤流路が設けられている。
アノード側セパレータ17の燃料流路22およびカソード側セパレータ21の酸化剤流路24は、例えば、セパレータの表面を溝状に切削することにより形成することができる。また、燃料流路22および酸化剤流路24は、セパレータ自体を成形(射出成形、圧縮成形など)するときに成形することもできる。
The
The
ガスケット26、27の構成材料としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系高分子、フッ素ゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)などの合成ゴム、シリコーンエラストマーなどが挙げられる。
各ガスケット26、27は、PTFEなどからなるシートの中央部分に、膜電極接合体(MEA)を収容するために、MEAと同じ面積の開口部を備えている。ガスケット26および27は、それぞれアノード触媒層12およびカソード触媒層13の側面と接するようにして、MEAの表面に配置される。
さらに、ガスケット26、27は、セパレータ17、21とともに、電解質膜11をその厚さ方向に加圧している。
Examples of the constituent material of the
Each of the
Furthermore, the
MEAと、このMEAの両側に配置されるアノード側セパレータ17およびカソード側セパレータ21とから構成されるセルは、2枚の端板28の間に挟まれた状態で、図示しないボルトやバネなどによって加圧締結される。2枚の端板28は、それぞれ、アノード側セパレータ17およびカソード側セパレータ21に積層されるように配置される。
MEAと一対のセパレータ17、21との界面は、接着性に乏しい。しかしながら、上記のようにして、セルを加圧締結することにより、MEAと一対のセパレータ17、21との接着性を高めることができ、その結果、MEAと一対のセパレータ17、21との間の接触抵抗を低減させることができる。
A cell composed of the MEA and the anode-
The interface between the MEA and the pair of
また、複数個のセルを積層して、セルスタックを形成してもよい。この場合にも、セルスタックは、端板、ボルト、バネなどにより、加圧締結される。 A plurality of cells may be stacked to form a cell stack. Also in this case, the cell stack is pressure-fastened by an end plate, a bolt, a spring or the like.
本発明の直接酸化型燃料電池に用いられる燃料としては、メタノールの他、エタノール、ジメチルエーテル、蟻酸、エチレングリコールなどの炭化水素系液体を用いることができる。この中でも、1mol/L〜8mol/Lのメタノール濃度を有する水溶液として用いることが好ましい。メタノール水溶液のメタノール濃度は、3mol/L〜5mol/Lであることがより好ましい。燃料の濃度が高いほど燃料電池システム全体としての小型軽量化につながるが、MCOが多くなるおそれがある。本発明によれば、MCOを低減することができるため、通常よりもメタノール濃度が高いメタノール水溶液を用いることができる。メタノール濃度が1mol/Lより小さいと、燃料電池システムの小型軽量化が困難となる場合がある。メタノール濃度が8mol/Lを超えると、MCOを十分に低減できない場合がある。上記のメタノール濃度を有する燃料を用いることで、本発明のアノード触媒層において、燃料の上流側でMCOを低減しつつ、燃料の下流側でメタノールの供給量をさらに良好に確保することができる。 As the fuel used in the direct oxidation fuel cell of the present invention, hydrocarbon liquids such as ethanol, dimethyl ether, formic acid, ethylene glycol and the like can be used in addition to methanol. Among these, it is preferable to use it as an aqueous solution having a methanol concentration of 1 mol / L to 8 mol / L. The methanol concentration of the aqueous methanol solution is more preferably 3 mol / L to 5 mol / L. Higher fuel concentrations lead to smaller and lighter fuel cell systems as a whole, but there is a risk of increased MCO. According to the present invention, since MCO can be reduced, an aqueous methanol solution having a higher methanol concentration than usual can be used. If the methanol concentration is less than 1 mol / L, it may be difficult to reduce the size and weight of the fuel cell system. If the methanol concentration exceeds 8 mol / L, the MCO may not be sufficiently reduced. By using the fuel having the above methanol concentration, in the anode catalyst layer of the present invention, it is possible to further ensure the supply amount of methanol on the downstream side of the fuel while reducing the MCO on the upstream side of the fuel.
本発明の燃料電池は、燃料の利用効率を向上させ、さらに、発電電圧や発電効率などの発電性能を向上させる上で好適である。 The fuel cell of the present invention is suitable for improving fuel utilization efficiency and further improving power generation performance such as power generation voltage and power generation efficiency.
次に、実施例および比較例を用いて、本発明を具体的に説明するが、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。 Next, the present invention will be specifically described using examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.
《実施例1》
本実施例では、図2に示されるような燃料電池を作製した。本実施例では、アノード触媒層を、第1領域および第2領域の2つから構成し、第1領域にフッ素系イオノマーを高分子電解質として添加し、第2領域に炭化水素系イオノマーを高分子電解質として添加した。
Example 1
In this example, a fuel cell as shown in FIG. 2 was produced. In this embodiment, the anode catalyst layer is composed of two regions, a first region and a second region, a fluorine ionomer is added as a polymer electrolyte to the first region, and a hydrocarbon ionomer is polymerized to the second region. Added as an electrolyte.
アノード触媒粒子としては、白金(Pt)−ルテニウム(Ru)合金(原子比1:1)を付着させた平均一次粒子径が30nmの導電性カーボン粒子を用いた。白金−ルテニウム合金と導電性カーボン粒子との合計重量に占める白金−ルテニウム合金の重量の割合は、80重量%とした。 As anode catalyst particles, conductive carbon particles having an average primary particle diameter of 30 nm to which platinum (Pt) -ruthenium (Ru) alloy (atomic ratio of 1: 1) was attached were used. The ratio of the weight of the platinum-ruthenium alloy to the total weight of the platinum-ruthenium alloy and the conductive carbon particles was 80% by weight.
カソード触媒粒子としては、白金を付着させた平均一次粒子径が30nmの導電性カーボン粒子を用いた。白金と導電性カーボン粒子との合計重量に占める白金の重量の割合は、80重量%とした。 As the cathode catalyst particles, conductive carbon particles having an average primary particle diameter of 30 nm with platinum attached thereto were used. The ratio of the weight of platinum to the total weight of platinum and conductive carbon particles was 80% by weight.
電解質膜11には、厚さ178μmのフッ素系高分子膜(パーフルオロスルホン酸/ポリテトラフルオロエチレン共重合体(H+型)をベースとするフィルム、商品名「Nafion(登録商標)117」、デュポン社製)を使用した。
The
フッ素系イオノマーとして、パーフルオロスルホン酸/ポリテトラフルオロエチレン共重合体(H+型)を用いた。 A perfluorosulfonic acid / polytetrafluoroethylene copolymer (H + type) was used as the fluorine ionomer.
炭化水素系イオノマーとして、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンを用いた。スルホン化ポリエーテルエーテルケトンを、以下のようにして作製した。メカニカルスターラーを取り付けた反応容器に150mlの濃硫酸を入れた。撹拌しながら、前記濃硫酸にポリエーテルエーテルケトン(Aldrich社製)を5g加え、さらに、得られた反応溶液を常温で10時間攪拌し続けた。
次いで、攪拌後の反応溶液をイオン交換水中に滴下して、反応生成物を沈殿させ、ろ過し、ろ液が中性となるまでイオン交換水で洗浄した。
洗浄後の反応生成物を、120℃に温度設定された減圧乾燥機中で12時間乾燥することにより、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンを得た。
得られた固体状のイオノマーを、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)中に溶解して、溶液状態のイオノマーを得た。その後、インク作製および触媒層作製工程を容易にするために、前記溶液状態のイオノマーをプロパノール水溶液と混合し、前記イオノマーを含むイソプロパノール水溶液を、超音波を印加しながら攪拌した。
A sulfonated polyether ether ketone was used as the hydrocarbon ionomer. A sulfonated polyetheretherketone was prepared as follows. 150 ml of concentrated sulfuric acid was placed in a reaction vessel equipped with a mechanical stirrer. While stirring, 5 g of polyether ether ketone (manufactured by Aldrich) was added to the concentrated sulfuric acid, and the resulting reaction solution was continuously stirred at room temperature for 10 hours.
Next, the stirred reaction solution was dropped into ion-exchanged water to precipitate the reaction product, filtered, and washed with ion-exchanged water until the filtrate became neutral.
The washed reaction product was dried for 12 hours in a vacuum drier set at 120 ° C. to obtain a sulfonated polyetheretherketone.
The obtained solid ionomer was dissolved in N, N-dimethylformamide (DMF) to obtain a solution-state ionomer. Thereafter, in order to facilitate the ink preparation and the catalyst layer preparation process, the ionomer in the solution state was mixed with a propanol aqueous solution, and the isopropanol aqueous solution containing the ionomer was stirred while applying ultrasonic waves.
フッ素系イオノマーおよび炭化水素系イオノマーの物性評価を行った。具体的には、フッ素系イオノマーおよび炭化水素系イオノマーのイオン交換容量、プロトン伝導度、メタノール水溶液浸漬時の体積膨張率を測定した。 The physical properties of fluorine ionomer and hydrocarbon ionomer were evaluated. Specifically, the ion exchange capacity, proton conductivity, and volume expansion coefficient when immersed in an aqueous methanol solution of a fluorine ionomer and a hydrocarbon ionomer were measured.
イオン交換容量は、0.5Mの水酸化ナトリウムを使用した中和滴定により測定した。 The ion exchange capacity was measured by neutralization titration using 0.5M sodium hydroxide.
プロトン伝導度は、交流インピーダンス法により測定した。フッ素系イオノマーを含む溶液および炭化水素系イオノマーを含む溶液を、それぞれ別のガラス板上にキャストして、フッ素系イオノマーのキャスト膜および炭化水素系のイオノマーのキャスト膜を得た。各キャスト膜の両端に金線を配置し、金線を交流インピーダンス測定装置に接続した。常温、相対湿度100%窒素雰囲気中で、交流インピーダンス法(測定周波数:100kHz〜1Hzの範囲で周波数を変化させ、ナイキストプロットにおける実軸切片をインピーダンス値とする)により、プロトン伝導度を測定した。 Proton conductivity was measured by the AC impedance method. A solution containing a fluorine ionomer and a solution containing a hydrocarbon ionomer were cast on separate glass plates to obtain a cast film of a fluorine ionomer and a cast film of a hydrocarbon ionomer. Gold wires were placed at both ends of each cast film, and the gold wires were connected to an AC impedance measuring device. Proton conductivity was measured by an AC impedance method (measurement frequency: changing frequency in the range of 100 kHz to 1 Hz, with the real axis intercept in the Nyquist plot as the impedance value) in a nitrogen atmosphere at room temperature and 100% relative humidity.
体積膨張率は、以下のようにして測定した。上記のようにして作製したフッ素系イオノマーのキャスト膜および炭化水素系イオノマーのキャスト膜を、100℃に温度設定された減圧乾燥機中で12時間乾燥した。各キャスト膜を、ドライエア雰囲気中でノギスにより、各キャスト膜の厚さ、幅および長さを測定し、浸漬前の体積を求めた。この後、各キャスト膜を、常温下で2Mのメタノール水溶液に、12時間浸漬した。12時間経過後に、各膜の寸法を再度測定して、浸漬後の体積を求めた。2Mのメタノール水溶液の浸漬する前の体積と浸漬した後の体積とを用いて、体積膨張率を計算した。なお、体積膨張率は、{[(浸漬後の体積)−(浸漬前の体積)]/(浸漬前の体積)}×100により求めた。 The volume expansion coefficient was measured as follows. The fluorine ionomer cast membrane and the hydrocarbon ionomer cast membrane prepared as described above were dried in a vacuum drier set at 100 ° C. for 12 hours. The thickness, width, and length of each cast film was measured with a caliper in a dry air atmosphere to determine the volume before immersion. Thereafter, each cast film was immersed in a 2M aqueous methanol solution at room temperature for 12 hours. After 12 hours, the dimensions of each film were measured again to determine the volume after immersion. The volume expansion coefficient was calculated using the volume before immersion of the 2M aqueous methanol solution and the volume after immersion. The volume expansion rate was determined by {[(volume after immersion) − (volume before immersion)] / (volume before immersion)} × 100.
その結果、炭化水素系イオノマーであるスルホン化ポリエーテルエーテルケトンのイオン交換容量は1.2meq/gであり、プロトン伝導度は0.032S/cmであり、体積膨張率は30%であった。
フッ素系イオノマーであるナフィオンのイオン交換容量は1.0meq/gであり、プロトン伝導度は0.097S/cmであり、体積膨張率は45%であった。
As a result, the ion exchange capacity of the sulfonated polyether ether ketone, which is a hydrocarbon ionomer, was 1.2 meq / g, the proton conductivity was 0.032 S / cm, and the volume expansion coefficient was 30%.
Nafion, which is a fluorine ionomer, had an ion exchange capacity of 1.0 meq / g, a proton conductivity of 0.097 S / cm, and a volume expansion coefficient of 45%.
上記アノード触媒粉末10gと、パーフルオロスルホン酸/ポリテトラフルオロエチレン共重合体(H+型)を含有する分散液(商品名:ナフィオン分散液、「Nafion(登録商標)5重量%溶液」、デュポン社製)70gとを、適量の水とともに混合し、攪拌した。この後、得られた混合物を脱泡して、フッ素系イオノマーおよびアノード触媒粒子を含む第1インクを得た。第1インクにおいて、固形分中に含まれるフッ素系イオノマーの含有量は、固形分の26重量%とした。 A dispersion containing 10 g of the above anode catalyst powder and a perfluorosulfonic acid / polytetrafluoroethylene copolymer (H + type) (trade name: Nafion dispersion, “Nafion (registered trademark) 5 wt% solution”, DuPont 70 g) was mixed with an appropriate amount of water and stirred. Thereafter, the obtained mixture was defoamed to obtain a first ink containing fluorine-based ionomer and anode catalyst particles. In the first ink, the content of the fluorine ionomer contained in the solid content was set to 26% by weight of the solid content.
上記アノード触媒粉末10gと、上記のようにして得られたスルホン化ポリエーテルエーテルケトンを含有する液体とを混合し、攪拌した。この後、得られた混合物を脱泡して、アノード触媒粒子および炭化水素系イオノマーを含む第2インクを得た。このとき、第2インクの固形分中に含まれるイオノマーの含有量は、第1インクと同様に、固形分の26重量%とした。 10 g of the anode catalyst powder and a liquid containing the sulfonated polyetheretherketone obtained as described above were mixed and stirred. Thereafter, the obtained mixture was defoamed to obtain a second ink containing anode catalyst particles and a hydrocarbon ionomer. At this time, the content of the ionomer contained in the solid content of the second ink was set to 26 wt% of the solid content, as in the first ink.
こうして得られた第1インクおよび第2インクを用いて、電解質膜11の一方の面上に、スプレー法を用いて、60mm×60mmの正方形のアノード触媒層32を形成した。具体的には、電解質膜11上の燃料流路の上流部に対向する位置に、20×60mmのサイズの第1領域33を形成した。次いで、燃料流路の下流部に対向する位置に、40mm×60mmのサイズの第2領域34を形成した。各部分の寸法は、マスキングによって、調整した。
Using the first ink and the second ink thus obtained, a 60 mm × 60 mm square
なお、第1インクおよび第2インクの吹き付け時には、電解質膜11を金属板に減圧吸着させて固定しておいた。前記金属板には、その表面温度を調節するためのヒータを設けておいた。このように、金属板の表面温度を調節することにより、電解質膜11へのインクの塗布中に、インクを漸次乾燥させることができる。
インク塗布時の金属板の表面温度は、フッ素系イオノマーを含む第1領域33を形成する場合には、55℃とし、炭化水素イオノマーを含む第2領域34を形成する場合には、80℃とした。これは、炭化水素イオノマーを含む第2インクの分散媒として、沸点の高いDMFを使用したために、低い温度では乾燥が速やかに進まないからである。なお、炭化水素系イオノマーを含む第2インクの分散媒として、より低沸点の溶媒を使用する場合には、乾燥温度を高くする必要はない。
Note that when the first ink and the second ink were sprayed, the
The surface temperature of the metal plate during ink application is 55 ° C. when the
カソード触媒層形成用インクを、以下のようにして調製した。
上記カソード触媒粉末10gと、パーフルオロスルホン酸/ポリテトラフルオロエチレン共重合体(H+型)を含有する分散液(前出の商品名「Nafion(登録商標)5重量%溶液」)100gとを、適量の水とともに混合および攪拌した。この後、得られた混合物を、脱泡して、カソード触媒層形成用インクを得た。
A cathode catalyst layer forming ink was prepared as follows.
10 g of the cathode catalyst powder and 100 g of a dispersion containing the perfluorosulfonic acid / polytetrafluoroethylene copolymer (H + type) (the above-mentioned trade name “Nafion (registered trademark) 5 wt% solution”) , Mixed and stirred with an appropriate amount of water. Thereafter, the obtained mixture was defoamed to obtain an ink for forming a cathode catalyst layer.
上記のようにして得られたカソード触媒層形成用インクを、電解質膜11のアノード触媒層32が形成された面とは反対側の面に、塗布し、乾燥して、60mm×60mmのサイズのカソード触媒層13を得た。
The cathode catalyst layer forming ink obtained as described above was applied to the surface of the
こうして、アノード触媒層32と、電解質膜11と、カソード触媒層13とからなるCCMを得た。最後に、炭化水素系イオノマーの溶媒として用いたDMFを完全に除去するために、得られたCCMを、130℃に温度設定された減圧乾燥機中で12時間乾燥した。
Thus, a CCM composed of the
第1領域33および第2領域34の単位面積あたりのPtRu合金の量は、第1領域33および第2領域34ともに4mg/cm2とした。また、第1領域33および第2領域34の厚さは、ほぼ60〜63μmの範囲にあり、有意差のある厚み差は生じなかった。
The amount of the PtRu alloy per unit area of the
アノード多孔質基材15を以下のようにして得た。撥水処理が施されたカーボンペーパー(商品名「TGP−H−090」、厚さ約300μm、東レ株式会社製)を、希釈されたポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ディスパージョン(商品名「D−1」、ダイキン工業株式会社製)に1分間浸漬した。この後、前記カーボンペーパーを、100℃に温度設定された熱風乾燥機中で乾燥させた。次いで、乾燥後のカーボンペーパーを、電気炉中で、270℃で2時間焼成した。こうして、PTFEの含有量が10重量%であるアノード多孔質基材15を得た。
The anode
カソード多孔質基材19は、撥水処理が施されたカーボンペーパーに代えて、カーボンクロス(商品名「AvCarb(商標)1071HCB」、バラードマテリアルプロダクツ社製)を使用したこと以外、アノード多孔質基材15と同様にして作製した。こうして、PTFEの含有量が10重量%であるカソード多孔質基材19を得た。
The cathode
アセチレンブラックの粉末と、PTFEディスパージョン(前出の商品名「D−1」)とを混合および攪拌することにより、全固形分に占めるPTFEの含有量が10重量%であり、全固形分に占めるアセチレンブラックの含有量が90重量%の撥水層形成用インクを得た。得られた撥水層形成用インクを、ドクターブレード法によって、アノード多孔質基材15の一方の表面に塗布し、100℃に温度設定された恒温槽で乾燥させた。次いで、撥水層形成用インクを塗布したアノード多孔質基材15を、電気炉中で、270℃で2時間焼成して、界面活性剤を除去した。こうして、アノード撥水層14を形成した。
カソード多孔質基材19の一方の表面にも、上記と同様にして、カソード撥水層18を形成した。
By mixing and stirring the acetylene black powder and the PTFE dispersion (the above-mentioned trade name “D-1”), the PTFE content in the total solids is 10% by weight. A water repellent layer-forming ink having an acetylene black content of 90% by weight was obtained. The obtained ink for forming a water repellent layer was applied to one surface of the anode
A cathode
アノード多孔質基材15とアノード撥水層14とからなるアノード拡散層16、およびカソード多孔質基材19とカソード撥水層18とからなるカソード拡散層20は、いずれも、抜き型を使用して、60mm×60mmの正方形に成形した。
The
次に、アノード拡散層16とCCMとカソード拡散層20とを、アノード撥水層14がアノード触媒層32に接し、カソード撥水層18がカソード触媒層13に接するように積層した。得られた積層体を、温度を140℃に設定した熱プレス装置に配置した。そして、前記積層体を5MPaの圧力で1分間加圧して、アノード触媒層とアノード拡散層を接合し、カソード触媒層とカソード拡散層とを接合した。こうして、アノード31と、電解質膜11と、カソード25とからなる膜電極接合体(MEA)を得た。
Next, the
厚み0.25mmのエチレンプロピレンジエンゴム(EPDM)のシートを、120mm×120mmの正方形に切り出た。さらに、前記シートの中心部分を、162mm×62mmの正方形にくり抜いた。このようにして、2枚のガスケット26および27を得た。
ガスケット26を、中心部の開口部にアノード31が配置されるように配置した。同様に、ガスケット27を、中心部の開口部にカソード25が配置されるように配置した。
A sheet of ethylene propylene diene rubber (EPDM) having a thickness of 0.25 mm was cut into a square of 120 mm × 120 mm. Further, the central portion of the sheet was cut out into a 162 mm × 62 mm square. In this way, two
The
アノード側セパレータ17を、厚み2mmの黒鉛板の表面を切削して、メタノール水溶液を供給する燃料流路22を形成することにより作製した。同様に、カソード側セパレータ21を、厚み2mmの黒鉛板の表面を切削して、酸化剤を供給する酸化剤流路24を形成することにより作製した。アノード側セパレータ17を、燃料流路22がアノード拡散層16に接するように、アノード拡散層16上に積層した。カソード側セパレータ21を、酸化剤流路24がカソード拡散層20に接するように、カソード拡散層20上に積層した。
なお、燃料流路22と酸化剤流路24の断面形状は、それぞれ、1mm×1mmとした。また、燃料流路22および酸化剤流路24は、それぞれアノード31表面上およびカソード25表面上を万遍なく蛇行するサーペンタイン型とした。
The anode-
The cross-sectional shapes of the
そして、アノード側セパレータ17およびカソード側セパレータ21に挟持されたMEAを、さらに、厚さ1cmのステンレス鋼板からなる一対の端板28で挟み込んだ。端板28とセパレータ17との間および端板28とセパレータ21との間には、それぞれ、各セパレータから外側に向かって順に、表面に金メッキが施された厚さ2mmの銅板からなる集電板と、絶縁板とを配置した。なお、以下の評価試験において、前記集電板を、電子負荷装置に接続した。一対の端板28を、ボルト、ナットおよびばねを用いて締結し、MEAとセパレータ26および27を加圧した。こうして、直接メタノール型燃料電池(DMFC)の単セルを得た。なお、図2においては、集電板と絶縁板の図示を省略している。このことは、図1においても同様である。
Then, the MEA sandwiched between the
《比較例1》
比較例1として、図1に示されるような従来構造の燃料電池を作製した。
アノード触媒層12は、60mm×60mmの正方形とし、アノード触媒層12に含まれる高分子電解質としては、実施例1で用いたフッ素系イオノマーを用いた。アノード触媒層12を、実施例1の第1領域33の作製方法と同様にして、作製した。アノード触媒層12に含まれる触媒量およびアノード触媒層12の厚さは、実施例1と同じであった。
前記以外は、実施例1と同様にして、比較例1の燃料電池(DMFC)を作製した。
<< Comparative Example 1 >>
As Comparative Example 1, a fuel cell having a conventional structure as shown in FIG.
The
A fuel cell (DMFC) of Comparative Example 1 was produced in the same manner as Example 1 except for the above.
《比較例2》
アノード触媒層12は、60mm×60mmの正方形とし、アノード触媒層12に含まれる高分子電解質として、フッ素系イオノマーの代わりに、実施例1で用いた炭化水素系イオノマーを用いた。アノード触媒層12を、実施例1の第2領域34の作製方法と同様にして、作製した。アノード触媒層12に含まれる触媒量およびアノード触媒層12の厚さは、実施例1と同じであった。
前記以外は、実施例1と同様にして、比較例2の燃料電池(DMFC)を得た。
<< Comparative Example 2 >>
The
A fuel cell (DMFC) of Comparative Example 2 was obtained in the same manner as Example 1 except for the above.
《評価試験》
実施例1の燃料電池および比較例1〜2の燃料電池について、発電中のメタノールクロスオーバー量と発電性能の評価を行い、得られた結果から燃料の利用効率を計算した。
"Evaluation test"
For the fuel cell of Example 1 and the fuel cells of Comparative Examples 1 and 2, the methanol crossover amount during power generation and the power generation performance were evaluated, and the fuel utilization efficiency was calculated from the obtained results.
燃料電池の発電条件は以下の通りである。4mol/Lのメタノール水溶液を燃料として0.3cm3/minの流量でチューブ式ポンプを用いてアノードに供給した。無加湿の空気をマスフローコントローラーによって、300cm3/minの流量に制御しながらカソードに供給した。電熱線ヒータと温度コントローラを用いて、セルの温度を60℃となるように制御した。この後、燃料電池を、電子負荷装置「PLZ164WA」(菊水電子工業株式会社製)に接続し、200mA/cm2の一定の電流密度になるように制御しながら、連続発電を行った。 The power generation conditions of the fuel cell are as follows. A 4 mol / L aqueous methanol solution was used as a fuel and supplied to the anode using a tube pump at a flow rate of 0.3 cm 3 / min. Unhumidified air was supplied to the cathode while controlling the flow rate at 300 cm 3 / min by a mass flow controller. The temperature of the cell was controlled to 60 ° C. using a heating wire heater and a temperature controller. Thereafter, the fuel cell was connected to an electronic load device “PLZ164WA” (manufactured by Kikusui Electronics Co., Ltd.), and continuous power generation was performed while controlling the fuel cell to have a constant current density of 200 mA / cm 2 .
アノード側から排出される未使用の燃料が残存したメタノール水溶液と二酸化炭素からなる気液混合流体を、純水を満たした気体捕集容器に流入させた。こうして、気体と液体のメタノールを、1時間にわたって捕集した。このとき、前記気体捕集容器は、氷水浴で冷却しておいた。
その後、気体捕集容器中のメタノール量をガスクロマトグラフ法によって測定し、アノードの物質収支を計算することで、メタノールクロスオーバー量(MCO量)を求めた。すなわち、アノードに供給したメタノール量から、排出され捕集されたメタノール量と発電電流量から求められる電極でのメタノール消費量を差し引いて、MCO量を求めた。MCO量は、MCO量に相当する量のメタノールが電極酸化された場合に発生し得る電流量に換算した数値を使用した。燃料利用率は下記の計算式によって求めた。
燃料利用率=(発電電流)/(発電電流+MCO量の電流換算値)
以上の結果を表1に示す。
A gas-liquid mixed fluid composed of an aqueous methanol solution and carbon dioxide in which unused fuel discharged from the anode side remained was caused to flow into a gas collection container filled with pure water. Thus, gas and liquid methanol were collected over 1 hour. At this time, the gas collection container was cooled in an ice water bath.
Thereafter, the amount of methanol in the gas collection container was measured by gas chromatography, and the mass balance of the anode (MCO amount) was determined by calculating the material balance of the anode. That is, the amount of MCO was obtained by subtracting the amount of methanol consumed at the electrode obtained from the amount of methanol discharged and collected and the amount of generated current from the amount of methanol supplied to the anode. As the amount of MCO, a numerical value converted into the amount of current that can be generated when an amount of methanol corresponding to the amount of MCO is electrode oxidized is used. The fuel utilization rate was calculated by the following formula.
Fuel utilization rate = (Generation current) / (Generation current + MCO amount converted to current)
The results are shown in Table 1.
表1より明らかなように、実施例1の燃料電池は、比較例1の燃料電池に比べて、高い発電電圧を得ることができる。さらに、実施例1の燃料電池は、比較例2の燃料電池に比べて、高い燃料利用率を得ることができ、しかも高い発電電圧を得ることができる。 As is clear from Table 1, the fuel cell of Example 1 can obtain a higher power generation voltage than the fuel cell of Comparative Example 1. Furthermore, the fuel cell of Example 1 can obtain a higher fuel utilization rate and a higher power generation voltage than the fuel cell of Comparative Example 2.
比較例1の燃料電池は、燃料濃度が小さくなる燃料下流に対向するアノード触媒層において燃料の拡散性が十分でなく、濃度過電圧が上昇する。その結果として、燃料電池全体の発電電圧も低下したものと考えられる。一方、実施例1の燃料電池では、この点が改善されて高い発電電圧が得られたものと考えられる。 In the fuel cell of Comparative Example 1, the diffusibility of the fuel is not sufficient in the anode catalyst layer facing the downstream of the fuel where the fuel concentration decreases, and the concentration overvoltage increases. As a result, it is considered that the power generation voltage of the entire fuel cell has also decreased. On the other hand, in the fuel cell of Example 1, it is considered that this point was improved and a high power generation voltage was obtained.
比較例2の燃料電池において、アノード触媒層に使用した炭化水素系イオノマーのプロトン伝導度が小さいために、アノード触媒層全体において、プロトン伝導抵抗による過電圧が大きくなると考えられる。さらに、燃料濃度の大きい燃料上流に対向するアノード触媒層において、燃料であるメタノール水溶液により炭化水素系イオノマーの体積が膨張しないために、アノード触媒層の空孔率が大きく保たれ、燃料の拡散性が高くなる。このために、アノード触媒層と電解質膜との界面での燃料濃度が高くなり、メタノールクロスオーバー量が大きくなっているものと考えられる。
なお、実施例1の燃料電池では、SPEEKという比較的汎用化された炭化水素系イオノマーを使用しながらも、従来技術に比べて優れた発電性能を示している。昨今、よりプロトン伝導度の高い炭化水素系イオノマーが開発されており、そのような更に性能の優れた炭化水素系イオノマーを使用すれば、本発明の実施効果はさらに高まるものと推定できる。
In the fuel cell of Comparative Example 2, since the proton conductivity of the hydrocarbon ionomer used in the anode catalyst layer is small, it is considered that overvoltage due to proton conduction resistance increases in the entire anode catalyst layer. Furthermore, in the anode catalyst layer facing the upstream of the fuel with a high fuel concentration, the volume of the hydrocarbon ionomer does not expand due to the methanol aqueous solution as the fuel, so the porosity of the anode catalyst layer is kept large, and the diffusibility of the fuel Becomes higher. For this reason, it is considered that the fuel concentration at the interface between the anode catalyst layer and the electrolyte membrane is increased and the amount of methanol crossover is increased.
In addition, the fuel cell of Example 1 shows a power generation performance superior to that of the prior art while using a relatively generalized hydrocarbon ionomer called SPEEK. Recently, hydrocarbon ionomers with higher proton conductivity have been developed, and it can be estimated that the implementation effect of the present invention will be further enhanced by using such hydrocarbon ionomers with higher performance.
以上のように、本発明の燃料電池は、従来の燃料電池に比べて、高い発電性能と燃料利用率を得ることができ、ひいては高いエネルギー変換効率を得ることができる。 As described above, the fuel cell of the present invention can obtain higher power generation performance and fuel utilization rate than the conventional fuel cell, and thus can obtain high energy conversion efficiency.
本発明の燃料電池は、例えば、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話、携帯情報端末(PDA)などの携帯用小型電子機器における電源として有用である。また、本発明の燃料電池は、電動スクータ用電源などの用途にも応用することができる。 The fuel cell of the present invention is useful as a power source in portable small electronic devices such as notebook personal computers, mobile phones, and personal digital assistants (PDAs). The fuel cell of the present invention can also be applied to uses such as a power source for electric scooters.
10 燃料電池
11 電解質膜
12、32 アノード触媒層
13 カソード触媒層
14 アノード撥水層
15 アノード多孔質基材
16 アノード拡散層
17 アノード側セパレータ
18 カソード撥水層
19 カソード多孔質基材
20 カソード拡散層
21 カソード側セパレータ
22 燃料流路
23、31 アノード
24 酸化剤流路
25 カソード
26、27 ガスケット
28 端板
33 第1領域
34 第2領域
70 スプレー式塗布装置
71 タンク
72 インク
73 スプレーガン
74 撹拌機
75 開閉バルブ
76 ガス圧力調整器
77 ガス流量調整器
78 アクチュエータ
79、80 マスキング
81 ヒータ
DESCRIPTION OF
Claims (17)
前記アノード側セパレータは、前記アノードに燃料を供給するための燃料流路を有し、
前記カソード側セパレータは、前記カソードに酸化剤を供給するための酸化剤流路を有し、
前記アノードは、前記電解質膜に接するアノード触媒層、および前記アノード側セパレータに接するアノード拡散層を含み、
前記アノード触媒層は、アノード触媒と高分子電解質を含み、
前記高分子電解質の体積膨張率が、前記アノード触媒層の前記燃料流路の下流側よりも上流側で大きい、直接酸化型燃料電池。 At least one unit comprising a membrane-electrode assembly including an anode, a cathode, and an electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode, an anode-side separator in contact with the anode, and a cathode-side separator in contact with the cathode Have cells,
The anode side separator has a fuel flow path for supplying fuel to the anode,
The cathode side separator has an oxidant flow path for supplying an oxidant to the cathode,
The anode includes an anode catalyst layer in contact with the electrolyte membrane, and an anode diffusion layer in contact with the anode separator,
The anode catalyst layer includes an anode catalyst and a polymer electrolyte,
The direct oxidation fuel cell, wherein the volumetric expansion rate of the polymer electrolyte is larger on the upstream side than the downstream side of the fuel flow path of the anode catalyst layer.
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