JP2002110190A - Fuel cell - Google Patents

Fuel cell

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JP2002110190A
JP2002110190A JP2000292976A JP2000292976A JP2002110190A JP 2002110190 A JP2002110190 A JP 2002110190A JP 2000292976 A JP2000292976 A JP 2000292976A JP 2000292976 A JP2000292976 A JP 2000292976A JP 2002110190 A JP2002110190 A JP 2002110190A
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JP
Japan
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fuel
polymer compound
conductive polymer
fuel cell
hydrogen ion
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Application number
JP2000292976A
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Japanese (ja)
Inventor
Tetsuya Aisaka
哲彌 逢坂
Satoyuki Kadoma
聰之 門間
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Waseda University
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Waseda University
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell of high performance by improving fuel permeability of a catalyzer, or by controlling fuel transmissivity of a polymer electrolytic membrane in the fuel cell using liquid fuel. SOLUTION: A fuel cell is provided with an electrode having a catalytic layer carrying an electron conductive polymer compound on at least a part of a catalytic metal. The fuel cell is also provided with a polymer electrolytic membrane, wherein a liquid fuel impermeable polymer compound and a hydrogen ion conductive polymer compound are compounded.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料として水素、
またはメタノール、エタノールなどのアルコール類、ジ
メチルエーテルなどのエーテル類もしくはケトン類など
の液体燃料を用い、水素イオン伝導性高分子電解質膜を
構成要素とする燃料電池に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel for hydrogen,
Alternatively, the present invention relates to a fuel cell which uses a liquid fuel such as alcohols such as methanol and ethanol, ethers such as dimethyl ether or ketones, and includes a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane as a component.

【0002】[0002]

【従来の技術】高分子電解質を用いた燃料電池は、水素
を含有する燃料ガスやメタノールなどのアルコール類
と、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学
的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生さ
せる。従来の高分子電解質型燃料電池の一般的な構成を
説明する。高分子電解質型燃料電池は、図1に示したよ
うに、白金などの触媒粒子を担持した炭素微粉末を触媒
体とし、この触媒体と水素イオン伝導性高分子電解質と
を混合して形成した触媒層2と、この触媒層2の外面に
配置した、燃料透過性と電子導電性を併せ持つ拡散層3
とからなる電極4を備えている。水素イオンを選択的に
輸送する高分子電解質膜1の両面に、一対の電極4が配
置される。この一対の電極と高分子電解質膜とからなる
構造体を膜−電極接合体(MEA)5と呼ぶ。高分子電
解質膜1としては、パーフルオロスルホン酸が一般的に
使用され、拡散層には撥水処理を施したカーボンペーパ
ーなどが使用されている。
2. Description of the Related Art A fuel cell using a polymer electrolyte electrochemically reacts a fuel gas containing hydrogen or an alcohol such as methanol with an oxidizing gas containing oxygen such as air. Generates power and heat simultaneously. A general configuration of a conventional polymer electrolyte fuel cell will be described. As shown in FIG. 1, the polymer electrolyte fuel cell was formed by using a fine carbon powder carrying catalyst particles such as platinum as a catalyst, and mixing the catalyst with a hydrogen ion conductive polymer electrolyte. A catalyst layer 2 and a diffusion layer 3 disposed on the outer surface of the catalyst layer 2 and having both fuel permeability and electron conductivity.
And an electrode 4 comprising: A pair of electrodes 4 are arranged on both sides of the polymer electrolyte membrane 1 that selectively transports hydrogen ions. The structure including the pair of electrodes and the polymer electrolyte membrane is referred to as a membrane-electrode assembly (MEA) 5. As the polymer electrolyte membrane 1, perfluorosulfonic acid is generally used, and for the diffusion layer, water-repellent carbon paper or the like is used.

【0003】電極に供給される燃料及び酸化剤のリーク
や燃料と酸化剤の混合を防止するために、電極の周囲に
は高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットが
配置される。このシール材やガスケットは、電極及び高
分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられてお
り、これらをまとめてMEAと呼ぶ場合もある。図2は
単電池の構成を示している。MEA5の外側には、これ
を機械的に固定するための一対の導電性のセパレータ板
6が配置される。セパレータ板6のMEA5と接触する
部分には、電極面に燃料または酸化剤を供給するための
流路7が形成されている。このガス流路7は、さらに、
反応により生じた生成物や反応に寄与しなかった余剰の
燃料または酸化剤を運び去る働きを担っている。ガス流
路はセパレータ板と別に設けることもできるが、セパレ
ータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的
である。
In order to prevent leakage of fuel and oxidant supplied to the electrode and to prevent mixing of fuel and oxidant, a gas seal material or gasket is arranged around the electrode with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween. The sealing material and the gasket are preliminarily assembled integrally with the electrode and the polymer electrolyte membrane, and these may be collectively referred to as MEA. FIG. 2 shows a configuration of the unit cell. Outside the MEA 5, a pair of conductive separator plates 6 for mechanically fixing the MEA 5 are arranged. At a portion of the separator plate 6 which comes into contact with the MEA 5, a flow channel 7 for supplying fuel or oxidant to the electrode surface is formed. The gas flow path 7 further includes
It is responsible for carrying away products produced by the reaction and surplus fuel or oxidant that did not contribute to the reaction. Although the gas flow path can be provided separately from the separator plate, a method in which a groove is provided on the surface of the separator plate to form a gas flow path is generally used.

【0004】このように、一対のセパレータ板6でME
A5を固定し、一方のセパレータ板の流路に燃料を供給
し、他方のセパレータ板の流路に酸化剤を供給すること
により、0.8V程度の起電力を発生させることができ
る。燃料電池を電源として使用するためには、通常数ボ
ルトから数百ボルトの電圧が必要とされる。このため、
図2に示すような単電池8を必要とする個数だけ直列に
連結して燃料電池が組み立てられる。このとき、隣接す
るMEA間に挿入されるセパレータ板は、その一方の面
に燃料を供給するガス流路が形成され、他方の面には酸
化剤を供給するガス流路が形成される。こうして、セパ
レータ板/MEA/セパレータ板/MEAの組み合わせ
を繰り返し、直列の連結構成にする。ガス流路に燃料及
び酸化剤を供給するためには、それぞれ燃料及び酸化剤
を供給する配管を、使用するセパレータ板の枚数に分岐
し、その分岐先を直接セパレータ板上の溝につなぎ込む
配管治具が必要となる。これをマニホルドと呼び、上記
のような燃料または酸化剤の供給配管から直接つなぎ込
むタイプを外部マニホルドと呼ぶ。マニホルドには、構
造をより簡単にした内部マニホルドと呼ぶ形式のものが
ある。内部マニホルドとは、流路を形成したセパレータ
板に、貫通した孔を設け、流路の入口及び出口をこの孔
まで通し、この孔から直接燃料または酸化剤を供給する
ものである。
[0004] As described above, the pair of separator plates 6 is used for ME.
By fixing A5, supplying fuel to the flow path of one separator plate, and supplying oxidizing agent to the flow path of the other separator plate, an electromotive force of about 0.8 V can be generated. In order to use a fuel cell as a power source, a voltage of several volts to several hundred volts is usually required. For this reason,
A fuel cell is assembled by connecting the required number of unit cells 8 as shown in FIG. 2 in series. At this time, the gas flow path for supplying the fuel is formed on one surface of the separator plate inserted between the adjacent MEAs, and the gas flow path for supplying the oxidant is formed on the other surface. In this manner, the combination of the separator plate / MEA / separator plate / MEA is repeated to form a series connection configuration. In order to supply the fuel and the oxidant to the gas flow path, the pipe for supplying the fuel and the oxidant is branched into the number of separator plates to be used, and the branch is directly connected to the groove on the separator plate. A jig is required. This is referred to as a manifold, and the type directly connected to the fuel or oxidant supply pipe as described above is referred to as an external manifold. Some manifolds have a more simplified structure called internal manifolds. The internal manifold is one in which a through hole is provided in a separator plate having a flow path formed therein, an inlet and an outlet of the flow path pass through the hole, and fuel or oxidant is directly supplied from the hole.

【0005】次に、電解質膜及び触媒層について説明す
る。電解質膜は、主に次の3つの機能を持つ。第一は、
触媒層で生成した水素イオンを膜中に取り込み、伝達す
る機能である。第二は、その生成した水素イオンを速や
かに伝達するために、水分子による伝導パスを形成する
機能である。第三は、燃料電池の稼働条件下でも安定な
構造を維持することである。電解質膜には、一般に主鎖
がフルオロカーボン骨格で、その側鎖末端にスルホン酸
やホスホン酸等の強酸性官能基を有する構造のものが用
いられている。フルオロカーボン骨格は、熱的及び化学
的に、安定性に優れた構造であり、強酸性官能基は水素
イオン伝導性の働きを担う。さらに、撥水性であるフル
オロカーボン鎖と親水性である強酸性官能基とが、膜中
で水分子のクラスター構造を形成し、水素イオン伝導性
パスを形成する。
Next, the electrolyte membrane and the catalyst layer will be described. The electrolyte membrane mainly has the following three functions. The first is
It is a function to take in and transfer hydrogen ions generated in the catalyst layer into the membrane. The second function is to form a conduction path by water molecules in order to quickly transmit the generated hydrogen ions. Third is to maintain a stable structure under the operating conditions of the fuel cell. In general, an electrolyte membrane having a structure in which the main chain has a fluorocarbon skeleton and has a strongly acidic functional group such as sulfonic acid or phosphonic acid at a side chain terminal thereof is used. The fluorocarbon skeleton has a structure excellent in thermal and chemical stability, and the strongly acidic functional group plays a role of hydrogen ion conductivity. Furthermore, the fluorocarbon chains that are water-repellent and the strongly acidic functional groups that are hydrophilic form a cluster structure of water molecules in the film, forming a hydrogen ion conductive path.

【0006】触媒層は、主に次の4つの機能を持ってい
る。その第一は、拡散層から供給された燃料または酸化
剤を触媒の反応サイトに供給する機能である。第二は、
触媒上で燃料より生成された水素イオンを速やかに電解
質膜へ供給するとともに、酸化剤が触媒上で反応するた
めに必要な水素イオンを速やかに電解質膜より取り出す
機能である。第三は、触媒上での反応により生成した電
子及び触媒上での反応に必要な電子を導電する機能であ
る。第四は、広い反応面積を有していて、触媒反応を速
やかに行う機能である。このように触媒層は、燃料及び
酸化剤の透過性能と水素イオンの透過性、電子導電性お
よび触媒性能のいずれにも優れていることが要求され
る。
[0006] The catalyst layer mainly has the following four functions. The first function is to supply the fuel or oxidant supplied from the diffusion layer to the reaction site of the catalyst. Second,
This is a function to quickly supply hydrogen ions generated from fuel on the catalyst to the electrolyte membrane, and to quickly extract hydrogen ions necessary for the oxidant to react on the catalyst from the electrolyte membrane. The third function is to conduct electrons generated by the reaction on the catalyst and electrons required for the reaction on the catalyst. Fourth, it has a large reaction area and has a function of rapidly performing a catalytic reaction. As described above, the catalyst layer is required to have excellent fuel and oxidant permeability, hydrogen ion permeability, electronic conductivity, and catalytic performance.

【0007】従来の一般的な技術として、ガス透過性能
については、触媒層に3次元的に連結した鎖状構造の発
達したアセチレンブラックのような炭素微粉末を用いた
り造孔材を加えたりして多孔質構造とすることにより対
処することが提案されている。水素イオン透過性能は、
水素イオン伝導性高分子電解質を触媒層中の触媒近傍に
分散して水素イオンネットワークを形成することによ
り、また電子導電性は、炭素微粉末や炭素繊維などの電
子導電性材料で触媒担体を構成することにより、それぞ
れ実現されている。そして、触媒性能は、白金に代表さ
れる反応活性の高い金属粒子を、数ナノメートルの非常
に微細な粒子として、数10〜数1000m2の比表面
積を持つ炭素微粉末上に担持し、触媒層中に高分散させ
ることにより改善されてきた。また、触媒層は、反応ガ
スを触媒上で速やかに反応させるために、反応ガスの拡
散経路をできるだけ短くする必要があり、数μm〜数1
0μm、好ましくは10μm以下の薄層に形成される。
As a conventional general technique, regarding gas permeation performance, a fine carbon powder such as acetylene black having a chain structure developed three-dimensionally connected to a catalyst layer is used, or a pore former is added. It has been proposed to deal with this by making the structure porous. Hydrogen ion permeability
By dispersing a hydrogen ion conductive polymer electrolyte near the catalyst in the catalyst layer to form a hydrogen ion network, the electronic conductivity is made up of an electron conductive material such as carbon fine powder or carbon fiber. By doing so, each is realized. Then, catalytic performance, a high metal particle reaction activity represented by Pt as very fine particles of several nanometers, and supported on carbon powder having a specific surface area of several tens to several hundreds of 1000 m 2, the catalyst It has been improved by having a high dispersion in the layer. Further, in order to cause the reaction gas to react quickly on the catalyst, it is necessary to make the diffusion path of the reaction gas as short as possible.
It is formed in a thin layer of 0 μm, preferably 10 μm or less.

【0008】さらに、燃料電池の電極触媒としては白金
触媒がカソードである空気極およびアノードである燃料
極に用いられる。燃料には水素が用いられるが、水素ガ
スのインフラは確立していないため、一般に、燃料とし
て天然ガスが用いられたり、液体であることの利便性か
らメタノールなどのアルコール類が用いられたりする。
ただし、これら炭化水素を含む燃料を水素リッチなガス
に改質した燃料またはメタノールといった液体燃料は、
電極触媒の被毒物質となる一酸化炭素を燃料ガス中もし
くは触媒反応時に生成する。改質装置内に一酸化炭素含
有量を低減する取り組みがなされているが、数十から数
百ppmの一酸化炭素が燃料に含有される。燃料に一酸
化炭素が含まれると、白金触媒の表面に一酸化炭素が吸
着し、水素の酸化反応を妨害する触媒被毒現象が生じ
る。
Further, as an electrode catalyst of a fuel cell, a platinum catalyst is used for an air electrode serving as a cathode and a fuel electrode serving as an anode. Hydrogen is used as a fuel, but the infrastructure of hydrogen gas has not been established. Therefore, in general, natural gas is used as the fuel, and alcohols such as methanol are used because of the convenience of being a liquid.
However, liquid fuels such as methanol or fuel obtained by reforming these hydrocarbon-containing fuels into hydrogen-rich gas,
Carbon monoxide, which is a poisoning substance of the electrode catalyst, is generated in the fuel gas or during the catalytic reaction. Efforts have been made to reduce the carbon monoxide content in reformers, but dozens to hundreds of ppm of carbon monoxide are contained in the fuel. When carbon monoxide is contained in the fuel, carbon monoxide is adsorbed on the surface of the platinum catalyst, and a catalyst poisoning phenomenon that hinders the oxidation reaction of hydrogen occurs.

【0009】その解決策として、特開平6−24616
0号公報、特開平7−246336号公報、特開平7−
299359号公報、特開平8−66632号公報、特
開平8−509094号公報、特開平10−27005
6号公報、特開2000−467号公報、特開2000
−100447号公報などでは、Pt触媒をRuやM
o、Ni、Feなどとの合金として、吸着した一酸化炭
素を酸化除去する取り組みがなされている。さらに、特
開昭63−97232号公報や特開平3−22361号
公報に開示されているように、耐一酸化炭素被毒触媒の
多くはメタノール酸化触媒としても機能する。このよう
に用いる燃料に対し、適した金属触媒を選択する取り組
みがなされている。
As a solution, Japanese Patent Laid-Open Publication No. 6-24616 discloses
0, JP-A-7-246336, JP-A-7-246
299359, JP-A-8-66632, JP-A-8-509094, JP-A-10-27005
No. 6, JP-A-2000-467, JP-A-2000
Japanese Patent Application Laid-Open No. 10047/1999 and the like discloses that the Pt catalyst is Ru or M
Efforts have been made to oxidize and remove adsorbed carbon monoxide as an alloy with o, Ni, Fe and the like. Further, as disclosed in JP-A-63-97232 and JP-A-3-22361, many of the carbon monoxide resistant poisoning catalysts also function as methanol oxidation catalysts. Efforts have been made to select a suitable metal catalyst for the fuel used in this way.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】上記のような高分子電
解質膜を用いた燃料電池に、メタノールなどの液体燃料
を直接供給すると、メタノールが燃料極から空気極へ透
過するメタノール透過効果(メタノールクロスオーバ
ー)が発生する。水素を含有するガスを燃料に用いた場
合は、燃料極で式(1)に示した反応により生成した水
素イオンが、高分子電解質であるパーフルオロスルホン
酸膜中を、水分子を介して空気極へ伝達されて式(2)
の反応を行う。一方、メタノールを燃料に用いた場合、
燃料極において式(3)の反応により生成した水素イオ
ンの他に、未反応のメタノールが、高分子電解質膜であ
るパーフルオロスルホン酸膜中を透過し、空気極におい
て、式(2)の反応に加え、メタノールの直接酸化反応
が発生する。このため、電気化学的な反応の触媒サイト
が減少するとともに、酸素が消費され、空気極における
過電圧が大きくなり、充分な電池電圧が得られなくな
る。
When a liquid fuel such as methanol is directly supplied to a fuel cell using a polymer electrolyte membrane as described above, the methanol permeation effect (methanol crossing) in which methanol permeates from the fuel electrode to the air electrode. Over) occurs. When a gas containing hydrogen is used as the fuel, hydrogen ions generated by the reaction shown in the formula (1) at the fuel electrode flow through the perfluorosulfonic acid membrane, which is a polymer electrolyte, through water molecules to form air. Equation (2) transmitted to the pole
Is performed. On the other hand, when methanol is used as fuel,
In addition to the hydrogen ions generated by the reaction of the formula (3) at the fuel electrode, unreacted methanol permeates through the perfluorosulfonic acid membrane, which is a polymer electrolyte membrane, and at the air electrode, the reaction of the formula (2) In addition, a direct oxidation reaction of methanol occurs. For this reason, the number of catalyst sites for the electrochemical reaction is reduced, oxygen is consumed, the overvoltage at the air electrode increases, and a sufficient battery voltage cannot be obtained.

【0011】 H2→2H++2e- (1) 1/2O2+2H++2e- →H2O (2) CH3OH→CO+4H++4e- (3) CO+H2O→CO2+2H++2e- (4)H 2 → 2H + + 2e (1) 1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (2) CH 3 OH → CO + 4H + + 4e (3) CO + H 2 O → CO 2 + 2H + + 2e ( 4)

【0012】また、このメタノールのクロスオーバー現
象を低減するためには、燃料であるメタノールを数mo
l/Lの低濃度に希釈しなければならない。したがっ
て、電池寿命を延ばすためには、希釈された多量の燃料
を貯蔵するための容器を保持する必要があり、電池自体
のコンパクト化が困難であった。以上から明らかなよう
に、高性能の電池を得るためには、電解質膜にメタノー
ル透過を抑制する能力を付与することが課題とされる。
In order to reduce the crossover phenomenon of methanol, the fuel, methanol, must be reduced by several moles.
It must be diluted to a low concentration of 1 / L. Therefore, in order to extend the life of the battery, it is necessary to hold a container for storing a large amount of diluted fuel, and it has been difficult to make the battery itself compact. As is clear from the above, in order to obtain a high-performance battery, it is an issue to provide the electrolyte membrane with the ability to suppress methanol permeation.

【0013】さらに、メタノールを燃料に用いた場合
は、燃料極では式(3)の反応が生じるから、水素ガス
を燃料に用いた場合と比較し、燃料極では大きな過電圧
が必要となり、十分な電池電圧が得られない。高性能の
電池を得るためには、燃料極でのメタノール酸化反応を
円滑かつ速やかに行うことも同様に課題とされる。
Further, when methanol is used as a fuel, the reaction of the formula (3) occurs at the fuel electrode. Therefore, a large overvoltage is required at the fuel electrode as compared with the case where hydrogen gas is used as the fuel. Battery voltage cannot be obtained. In order to obtain a high-performance battery, it is also an issue to perform a methanol oxidation reaction at the fuel electrode smoothly and promptly.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに本発明の燃料電池は、水素イオン伝導性高分子電解
質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一
対の電極と、前記電極の一方に燃料を供給し他方に酸化
剤を供給する手段とを具備した燃料電池であって、前記
電極は前記水素イオン伝導性高分子電解質膜に接合され
た触媒層を有し、その触媒層は、表面の少なくとも一部
に電子伝導性の高分子化合物を担持した触媒粒子を含む
ことを特徴とする。前記高分子化合物は、複素環を有す
る高分子化合物であることが好ましい。
In order to solve the above problems, a fuel cell according to the present invention comprises a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes sandwiching the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, Means for supplying fuel to one of the electrodes and supplying an oxidizing agent to the other, wherein the electrode has a catalyst layer bonded to the proton conductive polymer electrolyte membrane, The catalyst layer is characterized by including catalyst particles having an electron conductive polymer compound supported on at least a part of the surface. The polymer compound is preferably a polymer compound having a heterocyclic ring.

【0015】本発明は、また、水素イオン伝導性高分子
電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟
む一対の電極と、前記電極の一方に燃料を供給し他方に
酸化剤を供給する手段とを具備した燃料電池であって、
前記水素イオン伝導性高分子電解質膜は、液体燃料不透
過性の高分子化合物と水素イオン伝導性高分子化合物と
の複合体からなることを特徴とする燃料電池を提供す
る。前記液体燃料不透過性の高分子化合物は、直鎖脂肪
族系高分子化合物または直鎖芳香族系高分子化合物であ
ることが好ましい。前記水素イオン伝導性高分子化合物
は、非共有電子対を持つ複素環高分子化合物であること
が好ましい。前記燃料は、アルコール類、エーテル類、
およびケトン類からなる群より選ばれる。
The present invention also provides a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes sandwiching the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, and a fuel supply to one of the electrodes and an oxidant to the other. A fuel cell comprising:
The fuel cell is characterized in that the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane is composed of a composite of a liquid fuel impermeable polymer compound and a hydrogen ion conductive polymer compound. It is preferable that the liquid fuel impermeable polymer compound is a linear aliphatic polymer compound or a linear aromatic polymer compound. The hydrogen ion conductive polymer compound is preferably a heterocyclic polymer compound having an unshared electron pair. The fuel includes alcohols, ethers,
And ketones.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】本発明は、水素イオン伝導性高分
子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を
挟んだ触媒層を有する一対の電極とを具備し、前記電極
は、触媒金属表面の少なくとも一部に電子伝導性を有す
る高分子化合物を担持ないし被着した燃料電池に関す
る。すなわち、本発明の最大の特徴は、電極中の触媒金
属の少なくとも一部に電子伝導性の高分子化合物が接触
していることにある。この電子伝導性高分子化合物によ
り、前記触媒金属の有する液体燃料、例えば、メタノー
ルの酸化能を促進することができる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention comprises a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and a pair of electrodes having a catalyst layer sandwiching the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane. The present invention relates to a fuel cell in which at least a part of a metal surface carries or adheres a polymer compound having electron conductivity. That is, the greatest feature of the present invention is that at least a part of the catalytic metal in the electrode is in contact with the electron conductive polymer compound. With this electron conductive polymer compound, the oxidizing ability of the liquid fuel of the catalyst metal, for example, methanol can be promoted.

【0017】本発明に用いる電極は、次のようにして製
造するのが好ましい。まず、白金族金属触媒を担持した
炭素微粉末からなる触媒体と、水素イオン伝導性高分子
の分散液とを混合して触媒層形成用インクを調製し、こ
のインクから触媒層を形成する。次に、この触媒層を前
記電子伝導性高分子化合物のモノマー溶液に浸漬し、前
記モノマーの酸化重合反応を行わせて触媒金属の少なく
とも一部分に、この重合した高分子膜を被着する。
The electrode used in the present invention is preferably manufactured as follows. First, a catalyst body made of fine carbon powder carrying a platinum group metal catalyst and a dispersion of a hydrogen ion conductive polymer are mixed to prepare a catalyst layer forming ink, and a catalyst layer is formed from this ink. Next, the catalyst layer is immersed in a monomer solution of the electron conductive polymer compound, and an oxidative polymerization reaction of the monomer is performed, so that the polymerized polymer film is applied to at least a part of the catalyst metal.

【0018】上記の酸化重合反応は、FeCl3等のル
イス酸触媒による化学酸化重合法または1.5V v
s.Ag/AgCl程度の定電位を印加した定電位電解
重合による電気化学的酸化重合法を用いることができ
る。電解重合による電気化学的酸化重合法を用いた場
合、重合膜の膜厚などの諸特性を電気的に制御すること
ができる。すなわち、重合膜の制御により電極性能を容
易にコントロールすることができる。
The oxidative polymerization reaction is carried out by a chemical oxidative polymerization method using a Lewis acid catalyst such as FeCl 3 or 1.5 V v
s. An electrochemical oxidation polymerization method by constant potential electrolytic polymerization to which a constant potential of about Ag / AgCl is applied can be used. When the electrochemical oxidation polymerization method using electrolytic polymerization is used, various characteristics such as the thickness of the polymer film can be electrically controlled. That is, the electrode performance can be easily controlled by controlling the polymer film.

【0019】図3は、本発明による触媒層中の触媒体の
モデルを示す。9は、触媒層中の炭素微粒子を表し、こ
の炭素微粒子9に担持された金属触媒10の少なくとも
一部分に、電子伝導性の高分子化合物11が接触してい
る。これによって触媒金属10への燃料の供給が促進さ
れる。さらに、前記電子伝導性高分子化合物11は、触
媒金属の有するメタノール酸化能力を向上する。電子伝
導性高分子化合物には、酸化重合に適し、かつ導電性を
有する複素環高分子化合物を用いることができる。ポリ
ピロール、ポリアニリン、ポリチオフェンなどが前記電
子伝導性高分子化合物として適している。
FIG. 3 shows a model of the catalyst body in the catalyst layer according to the present invention. Reference numeral 9 denotes carbon fine particles in the catalyst layer, and the electron conductive polymer compound 11 is in contact with at least a part of the metal catalyst 10 supported on the carbon fine particles 9. Thereby, the supply of the fuel to the catalyst metal 10 is promoted. Further, the electron conductive polymer compound 11 improves the methanol oxidation ability of the catalyst metal. As the electron conductive polymer compound, a heterocyclic polymer compound which is suitable for oxidative polymerization and has conductivity can be used. Polypyrrole, polyaniline, polythiophene and the like are suitable as the electron conductive polymer compound.

【0020】また、本発明は、別の観点において、水素
イオン伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性
高分子電解質膜を挟んだ触媒層を有する一対の電極とを
具備し、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜が、液体
燃料不透過性高分子化合物と水素イオン伝導性高分子化
合物とからなる複合膜である燃料電池に関する。液体燃
料不透過性高分子化合物は、適切な液体燃料不透過能を
有する材料を選択することができる。液体燃料不透過能
は、メタノールを燃料に用いたTOC(Total Organic
Carbon)測定により、数値化ができる。液体燃料不透過
性高分子化合物は、そのままでは高分子電解質膜に必要
な水素イオン伝導性を有していない。そこで、本発明で
は、水素イオン伝導性高分子化合物と複合化することに
より、高分子電解質として機能させる。
According to another aspect of the present invention, there is provided a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, and a pair of electrodes having a catalyst layer sandwiching the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane. The present invention relates to a fuel cell in which an ion-conductive polymer electrolyte membrane is a composite membrane composed of a liquid fuel-impermeable polymer compound and a hydrogen ion-conductive polymer compound. As the liquid fuel impermeable polymer compound, a material having an appropriate liquid fuel impermeability can be selected. Liquid fuel impermeability is measured by TOC (Total Organic) using methanol as fuel.
Carbon) measurement can be digitized. The liquid fuel impermeable polymer compound does not have the hydrogen ion conductivity required for the polymer electrolyte membrane as it is. Thus, in the present invention, by functioning as a composite with a hydrogen ion conductive polymer compound, the compound functions as a polymer electrolyte.

【0021】この複合膜を形成するには、例えば、ま
ず、液体燃料不透過性高分子化合物の膜をイオン伝導性
高分子化合物のモノマー中に浸漬してモノマーを前記膜
中に含浸させる。次いで、この膜をFeCl3等のルイ
ス酸触媒を含む溶液中に浸漬し、前記モノマーの酸化重
合反応を行わせる。) 水素イオン伝導性高分子化合物には、酸化重合に適し、
かつイオン導電性を有する複素環高分子化合物を用いる
ことができる。ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオ
フェンが適している。さらに、この液体燃料不透過性を
有する高分子電解質複合膜を用いることにより、高濃度
の燃料の使用が可能になり、電池の高性能化、長寿命化
及びコンパクト化が可能になる。
In order to form the composite membrane, for example, first, a liquid fuel-impermeable polymer compound membrane is immersed in a monomer of the ion-conductive polymer compound to impregnate the monomer into the membrane. Next, this film is immersed in a solution containing a Lewis acid catalyst such as FeCl 3 to cause an oxidative polymerization reaction of the monomer. ) Hydrogen ion conductive polymer compounds are suitable for oxidative polymerization,
Further, a heterocyclic polymer compound having ionic conductivity can be used. Polypyrrole, polyaniline, polythiophene are suitable. Further, by using the polymer electrolyte composite membrane having liquid fuel impermeability, it is possible to use a high-concentration fuel, and it is possible to achieve higher performance, longer life, and compactness of the battery.

【0022】[0022]

【実施例】以下に本発明の実施例を詳しく説明するが、
本発明はそれらのみに限定されるものではない。
The present invention will now be described in detail with reference to Examples.
The present invention is not limited only to them.

【0023】《実施例1》導電性炭素粉末としてケッチ
ェンブラックEC(ケッチェンブラック・インターナシ
ョナル社製ファーネスブラック)に、白金触媒およびル
テニウム触媒を担持させた。カーボン粉末と白金とルテ
ニウムの重量比は45:30:25とした。この触媒粉
末10g、水35gおよび高分子電解質のアルコール分
散液(旭硝子社製、商品名:9%FFS)70gを計り
とり、超音波攪拌機を用いて分散させ、触媒層形成用イ
ンクXを作成した。また、上記と同じカーボン粉末に、
白金触媒を担持させた。カーボン粉末と白金との重量比
は50:50とした。この触媒粉末10g、水35gお
よび上記と同じ高分子電解質のアルコール分散液70g
を計りとり、超音波攪拌機を用いて分散させ、触媒層形
成用インクYを作成した。
Example 1 A platinum catalyst and a ruthenium catalyst were supported on Ketjen Black EC (furnace black manufactured by Ketjen Black International) as conductive carbon powder. The weight ratio of the carbon powder, platinum and ruthenium was 45:30:25. 10 g of this catalyst powder, 35 g of water and 70 g of a polymer electrolyte alcohol dispersion (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., trade name: 9% FFS) were weighed and dispersed using an ultrasonic stirrer to prepare a catalyst layer forming ink X. . Also, in the same carbon powder as above,
A platinum catalyst was supported. The weight ratio between the carbon powder and platinum was 50:50. 10 g of this catalyst powder, 35 g of water and 70 g of an alcohol dispersion of the same polymer electrolyte as above
Was measured and dispersed using an ultrasonic stirrer to prepare an ink Y for forming a catalyst layer.

【0024】硝酸水溶液で洗浄した後、硫酸水溶液で電
解洗浄した金電極上に、触媒層形成用インクXを塗布
し、乾燥して触媒層Xを有する電極Xを作製した。ピロ
ールを0.25mol/L、炭酸ナトリウムを0.2m
ol/L含む水溶液を15分間窒素で脱気した後、この
水溶液中に電極Xを浸漬し、1.5V vs Ag/Ag
Cl3の定電位で30分間電解して、触媒層の表面にポ
リピロールを生成させた。こうして表面にポリピロール
を配置した触媒層Aを有する電極Aを作製した。作用電
極に電極A、対電極に金ワイヤー、参照電極にAg/A
gCl3を用い、メタノールおよび硫酸を各々1.0m
ol/L含む水溶液中で走査速度50mA/sec、走
査範囲−0.12〜+1.2V vsAg/AgCl3
条件でサイクリックボルタムメトリー測定を行った。比
較例として電極Xを用いて同様の試験を行った。
After washing with an aqueous solution of nitric acid, an ink X for forming a catalyst layer was applied onto the gold electrode which was electrolytically washed with an aqueous solution of sulfuric acid, and dried to produce an electrode X having the catalyst layer X. 0.25 mol / L pyrrole, 0.2 m sodium carbonate
ol / L of the aqueous solution was degassed with nitrogen for 15 minutes, and then the electrode X was immersed in this aqueous solution, and 1.5 V vs. Ag / Ag
Electrolysis was performed for 30 minutes at a constant potential of Cl 3 to generate polypyrrole on the surface of the catalyst layer. Thus, an electrode A having a catalyst layer A having polypyrrole disposed on the surface was produced. Electrode A for working electrode, gold wire for counter electrode, Ag / A for reference electrode
Using gCl 3 , methanol and sulfuric acid were each 1.0 m
In an aqueous solution containing ol / L, cyclic voltammetry was performed under the conditions of a scanning speed of 50 mA / sec and a scanning range of −0.12 to +1.2 V vs. Ag / AgCl 3 . The same test was performed using the electrode X as a comparative example.

【0025】《実施例2》上記のようにして作製した電
極Aから剥がした触媒層Aをアノード、上記触媒層形成
用インクYから作製した触媒層Yをカソードとして、水
素イオン伝導性高分子電解質膜(米国デュポン社製:N
afion112)に貼りつけてMEA−Aを組み立て
た。次に、カーボン粉末(電気化学工業社製、商品名:
デンカブラック)150gと、ポリテトラフルオロエチ
レンの水分散液(ダイキン製、商品名:ルブロンLDW
−40)50gを混合して撥水層インクを作成し、これ
をカーボンペーパー(東レ製、商品名:TGPH060
H)の一方の面に塗工し、熱風乾燥機を用いて380℃
で熱処理して拡散層を形成した。こうして作製した一対
の拡散層を上記のMEA−Aの両面に接合して、セルA
を組み立てた。比較例として、上記触媒層Xをアノー
ド、上記触媒層Yをカソードとしてそれぞれ前記と同じ
水素イオン伝導性高分子電解質膜に貼りつけてMEA−
Xを作製した。そして、それぞれの触媒層に前記と同じ
拡散層を接合してセルXを作製した。
Example 2 A hydrogen ion conductive polymer electrolyte was prepared by using the catalyst layer A peeled off from the electrode A prepared as described above as an anode and the catalyst layer Y prepared from the catalyst layer forming ink Y as a cathode. Membrane (Dupont, USA: N
afion112) to assemble MEA-A. Next, carbon powder (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., trade name:
Aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene (Denkin, trade name: Lubron LDW)
-40) was mixed with 50 g to prepare a water-repellent layer ink, and this was coated with carbon paper (trade name: TGPH060, manufactured by Toray Industries, Inc.).
H) coated on one side and 380 ° C using hot air dryer
To form a diffusion layer. The pair of diffusion layers thus produced was joined to both sides of the above MEA-A to form a cell A
Was assembled. As a comparative example, the catalyst layer X was used as an anode, and the catalyst layer Y was used as a cathode.
X was produced. Then, the same diffusion layer as described above was joined to each of the catalyst layers, thereby producing a cell X.

【0026】《実施例3》液体燃料不透過性高分子化合
物であるポリイミド(PI)膜(膜厚30μm)(東レ
・デュポン社製、商品名:カプトン)を用いた。これを
6cm角に裁断し、100%ピロール液(関東化学社
製)に24時間浸漬した後、純水で洗浄した。つづいて
1.0mol/LのFeCl3水溶液に24時間浸漬し
て、ポリイミド膜に含浸されたピロールの化学酸化重合
を行わせた後、純水で洗浄した。こうしてポリイミド−
ポリピロール(PI−Py)複合膜を作製した。前記ポ
リイミド−ポリピロール複合膜を水素イオン伝導性高分
子電解質とし、そのアノード側に上記触媒層X、カソー
ド側に触媒層Yをそれぞれ貼りつけてMEA−Bを作製
し、さらに実施例2と同じ拡散層を接合してセルBを作
製した。
Example 3 A polyimide (PI) film (thickness: 30 μm) (a product name: Kapton, manufactured by Du Pont-Toray Co., Ltd.), which is a liquid fuel-impermeable polymer compound, was used. This was cut into a 6 cm square, immersed in a 100% pyrrole solution (manufactured by Kanto Kagaku) for 24 hours, and then washed with pure water. Subsequently, the film was immersed in a 1.0 mol / L aqueous solution of FeCl 3 for 24 hours to perform chemical oxidative polymerization of pyrrole impregnated in the polyimide film, and then washed with pure water. Thus polyimide-
A polypyrrole (PI-Py) composite membrane was produced. The polyimide-polypyrrole composite membrane was used as a hydrogen ion conductive polymer electrolyte, the catalyst layer X was adhered to the anode side thereof, and the catalyst layer Y was adhered to the cathode side thereof to produce MEA-B. The layers were joined to form cell B.

【0027】《実施例4》液体燃料不透過性高分子化合
物であるポリプロピレン(PP)膜(膜厚30μm)
(東レ社製:トレファン50−2500)を用い、実施
例3と同様の方法でポリプロピレン−ポリピロール(P
P−Py)複合膜を作製した。この複合膜に、触媒層X
とYを貼りつけてMEA−Cを作製し、さらに拡散層を
接合してセルCを作製した。
Example 4 A polypropylene (PP) film (thickness: 30 μm) which is a liquid fuel impermeable polymer compound
(Toray Co., Ltd .: Trefan 50-2500) in the same manner as in Example 3, using polypropylene-polypyrrole (P
A P-Py) composite film was produced. The catalyst layer X
And Y were pasted to produce MEA-C, and a diffusion layer was joined to produce Cell C.

【0028】《実施例5》液体燃料不透過性高分子化合
物であるポリフッ化ビニリデン(PVdF)膜(膜厚3
0μm)を用い、実施例3と同様の方法でポリフッ化ビ
ニリデン−ポリピロール(PVdF−Py)複合膜を作
製し、触媒層X、Yおよび拡散層を接合してMEA−D
及びセルDを作製した。これらの比較例として、水素イ
オン伝導性高分子電解質にNafion膜を用い、同様
の方法で触媒層X、Yおよび拡散層を接合してセルYを
作製した。
Example 5 A polyvinylidene fluoride (PVdF) film (thickness: 3) which is a liquid fuel impermeable polymer compound
0 μm), a polyvinylidene fluoride-polypyrrole (PVdF-Py) composite membrane was prepared in the same manner as in Example 3, and the catalyst layers X and Y and the diffusion layer were joined to form MEA-D.
And cell D. As a comparative example, a cell Y was prepared by using a Nafion membrane as the proton conductive polymer electrolyte and bonding the catalyst layers X and Y and the diffusion layer in the same manner.

【0029】単電池の作製:次に、以上のように作製し
た各セルの外周部にマニホールド孔を有したゴム製のガ
スケット板を接合した。このセルシートの両面に、外寸
が12×12cm2、厚みが1.5mm、ガス流路の深
さが0.8mmの樹脂含浸黒鉛板からなるセパレータ板
を重ね合わせて単電池を構成した。単電池の両端部に
は、金メッキしたステンレス鋼製の集電板、電気絶縁材
からなる絶縁板、および端板を順次重ね、これらを締結
ロッドで固定した。その締結圧はセパレータ板の単位面
積当たり20kgf/cm2とした。以上の方法でセル
−A、セル−B、セル−C、セル−D、セル−X、およ
びセル−Yからそれぞれ電池A、電池B、電池C、電池
D、電池X及び電池Yを組み立てた。
Production of unit cell: Next, a rubber gasket plate having a manifold hole was joined to the outer periphery of each cell produced as described above. A unit cell was formed by laminating a separator plate made of a resin-impregnated graphite plate having an outer dimension of 12 × 12 cm 2 , a thickness of 1.5 mm, and a gas channel depth of 0.8 mm on both sides of the cell sheet. A current-collecting plate made of gold-plated stainless steel, an insulating plate made of an electric insulating material, and an end plate were sequentially stacked on both ends of the unit cell, and these were fixed with fastening rods. The fastening pressure was 20 kgf / cm 2 per unit area of the separator plate. Battery A, Battery B, Battery C, Battery D, Battery X, and Battery Y were assembled from Cell-A, Cell-B, Cell-C, Cell-D, Cell-X, and Cell-Y, respectively, by the above method. .

【0030】上記の各電池のアノードに液体燃料の代表
例として2mol/lのメタノール水溶液を温度60℃
で供給し、カソードには70℃のバブラーを通して空気
を供給し、電池温度75℃、空気利用率40%の条件
で、直接型メタノール燃料電池としての放電試験を行っ
た。また、同様の測定条件下で、各液体燃料不透過性高
分子化合物の膜厚を変え、電池の放電試験を行い、電流
密度200mA/cm2における電池電圧を比較した。
さらに、液体燃料であるメタノール濃度を1〜10mo
l/Lの範囲で変えて電池の放電試験を行い、電流密度
200mA/cm2における電池電圧を比較した。
A 2 mol / l aqueous methanol solution as a representative example of a liquid fuel was applied to the anode of each of the above cells at a temperature of 60 ° C.
The cathode was supplied with air through a bubbler at 70 ° C., and a discharge test as a direct methanol fuel cell was performed under the conditions of a cell temperature of 75 ° C. and an air utilization of 40%. Further, under the same measurement conditions, the thickness of each liquid fuel-impermeable polymer compound was changed, and a discharge test of the battery was performed. The battery voltage at a current density of 200 mA / cm 2 was compared.
Further, the concentration of methanol as a liquid fuel is adjusted to 1 to 10 mo.
The discharge test of the battery was performed by changing the range of 1 / L, and the battery voltage at a current density of 200 mA / cm 2 was compared.

【0031】評価試験:上記実施例の触媒層Aを有する
電極A、および比較例の触媒層Xを有する電極Xをそれ
ぞれ用いた、サイクリックボルタムメトリー測定の結
果、電極A及び電極Xともに+0.5V及び+0.7V
にピークが観察された。これより電極A及び電極Xにお
いて式(3)に示されたメタノールの酸化反応が触媒上
で生じていることが分かる。また、表1に+0.5V、
および0.7Vの電位における電極A及び電極Xの酸化
電流値を示した。
Evaluation test: As a result of cyclic voltammetry measurement using each of the electrode A having the catalyst layer A of the above example and the electrode X having the catalyst layer X of the comparative example, both the electrodes A and X were +0. 0.5V and + 0.7V
A peak was observed. This indicates that the oxidation reaction of methanol represented by the formula (3) occurs on the catalyst at the electrodes A and X. Table 1 shows + 0.5V,
And the oxidation current value of the electrode A and the electrode X at a potential of 0.7 V.

【0032】[0032]

【表1】 [Table 1]

【0033】電極Aを用いた場合、すなわち触媒金属の
少なくとも一部分にポリピロールが接触している場合、
電極Xに比較して+0.5Vにおけるメタノール酸化電
流値は1.2mA/cm2から1.7mA/cm2(+
0.5V)へと増加することが分かった。これは、触媒
金属に担持されたポリピロールがメタノールの供給を促
進し、また触媒のメタノール酸化能力を向上させたこと
によると思われる。
When electrode A is used, that is, when polypyrrole contacts at least a part of the catalyst metal,
Compared with the electrode X, the methanol oxidation current value at +0.5 V was from 1.2 mA / cm 2 to 1.7 mA / cm 2 (+
0.5 V). This is presumably because polypyrrole supported on the catalyst metal promoted the supply of methanol and improved the methanol oxidation ability of the catalyst.

【0034】図4は触媒層Aを用いた本発明の電池A、
および触媒層Xを用いた比較例の電池Xの電流−電圧特
性の比較を示す。いずれの電池も電解質膜にパーフルオ
ロスルホン酸膜を用いたため、メタノールのクロスオー
バーにより、高出力は得られなかった。しかし、電流密
度200mA/cm2における電池電圧を比較すると、
電池Aは電池Xより高いことが示された。これは、触媒
層のポリピロールの効果が実際の電池でも得られること
を示している。
FIG. 4 shows a battery A of the present invention using a catalyst layer A,
7 shows a comparison of current-voltage characteristics of a battery X of a comparative example using the catalyst layer X. In each of the batteries, a perfluorosulfonic acid membrane was used as the electrolyte membrane, and thus high output was not obtained due to crossover of methanol. However, comparing the battery voltage at a current density of 200 mA / cm 2 ,
Battery A was shown to be higher than Battery X. This indicates that the effect of polypyrrole in the catalyst layer can be obtained in an actual battery.

【0035】図5は液体燃料不透過性高分子化合物と水
素イオン伝導性高分子化合物からなる複合膜を用いた電
池B、電池C、電池D、電池E及び比較例の電池Yの電
流−電圧特性を示す。比較例の電池Yは、高電流密度領
域で電池電圧が急激に低下するのに対し、本発明による
複合膜を用いた電池B、電池C、および電池Dは、高電
流密度領域でも安定な出力を得られることが示された。
なかでも電池C、すなわちポリプロピレン−ポリピロー
ル複合膜を電解質膜に用いたものは、高い電池電圧を示
した。このことからメタノールを燃料とする燃料電池に
本発明の複合膜を用いることが可能であることが示され
た。なかでもポリプロピレンを液体燃料不透過性高分子
化合物として選択した複合膜は、高い電池電圧を与える
ことが分かる。
FIG. 5 shows the current-voltage of the batteries B, C, D, E and the battery Y of the comparative example using the composite membrane comprising the liquid fuel impermeable polymer compound and the hydrogen ion conductive polymer compound. Show characteristics. In the battery Y of the comparative example, the battery voltage sharply decreases in the high current density region, whereas the batteries B, C, and D using the composite membrane according to the present invention have stable outputs even in the high current density region. Was obtained.
Above all, the battery C, that is, the one using the polypropylene-polypyrrole composite membrane as the electrolyte membrane showed a high battery voltage. This indicates that the composite membrane of the present invention can be used in a fuel cell using methanol as a fuel. Among them, it can be seen that the composite membrane in which polypropylene was selected as the liquid fuel impermeable polymer compound gives a high battery voltage.

【0036】図6は電池B、電池C、電池D及び比較例
の電池Yにおいて、複合膜のベースとなる液体燃料不透
過性高分子化合物の膜厚を変えた時の電流密度200m
A/cm2における電池電圧の比較を示した。比較例の
電池Yは、膜厚が120μm付近で最も高い電圧を示し
た。これに対し、電池B、電池C、および電池Dは、膜
厚が30μm以下でそれぞれ最も高い電圧を示した。な
かでも電池B、すなわちポリイミド−ポリピロール複合
膜を用いた電池は、膜厚が10μm程度で最高値を示し
た。これは、比較例の電池Yは、電解質膜のパーフルオ
ロスルホン酸膜がメタノールを透過しやすいために12
0μm程度の膜厚がないとメタノールクロスオーバーを
十分に制御することができない。これに対し、本発明の
複合膜は、メタノール透過性が低く、膜厚が薄くなって
も十分メタノールのクロスオーバーを抑制し、また、膜
厚が薄くなることで水素イオン伝導性も向上し、高い電
池性能が得られた。
FIG. 6 shows a current density of 200 m when the thickness of the liquid fuel-impermeable polymer compound serving as the base of the composite membrane was changed in the batteries B, C, D and the battery Y of the comparative example.
A comparison of the battery voltage at A / cm 2 is shown. Battery Y of the comparative example showed the highest voltage when the film thickness was around 120 μm. On the other hand, Battery B, Battery C, and Battery D exhibited the highest voltage when the film thickness was 30 μm or less. Above all, the battery B, that is, the battery using the polyimide-polypyrrole composite film, showed the highest value when the film thickness was about 10 μm. This is because in the battery Y of the comparative example, since the perfluorosulfonic acid membrane of the electrolyte membrane easily permeated methanol,
If there is no film thickness of about 0 μm, methanol crossover cannot be sufficiently controlled. On the other hand, the composite membrane of the present invention has low methanol permeability, sufficiently suppresses the crossover of methanol even when the film thickness is small, and also improves the hydrogen ion conductivity by reducing the film thickness, High battery performance was obtained.

【0037】図7は電池B、電池C、電池D及び比較例
の電池Yの各燃料極に供給するメタノール水溶液のメタ
ノール濃度を変えた場合の電流密度200mA/cm2
における電池電圧の比較を示した。比較例の電池Yは、
メタノール濃度が2mol/Lまで電池電圧は上昇した
が、その後は急激に低下した。一方、電池B、電池C、
および電池Dは、メタノール濃度5mol/Lと電池Y
の2倍以上の濃度で最も高い電池電圧を示した。この結
果から本発明の複合膜は、メタノールの高濃度域で電池
特性を向上する効果が現れることが分かる。これは、本
発明の電池は、同容量の燃料を用いた場合、比較例の電
池に比べ、長寿命となることを示している。
FIG. 7 shows a current density of 200 mA / cm 2 when the methanol concentration of the aqueous methanol solution supplied to each fuel electrode of the batteries B, C, D and the battery Y of the comparative example was changed.
The comparison of the battery voltage in the above was shown. Battery Y of the comparative example is
The battery voltage rose to a methanol concentration of 2 mol / L, but then dropped sharply. On the other hand, battery B, battery C,
And the battery D, the methanol concentration 5 mol / L and the battery Y
The highest battery voltage was shown at a concentration of twice or more of the above. From these results, it can be seen that the composite membrane of the present invention has an effect of improving battery characteristics in a high methanol concentration region. This indicates that the battery of the present invention has a longer life than the battery of the comparative example when the fuel of the same capacity is used.

【0038】上記の実施例では、液体燃料不透過性高分
子化合物にポリイミド、ポリプロピレン、およびポリフ
ッ化ビニリデンを用いたが、これらに限定されるもので
はない。ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレン
スルフィド、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合
体、ポリイミド、ポリエチレン、ポリベンズイミダゾー
ルなども用いることができる。さらに、実施例では、水
素イオン伝導性高分子化合物にポリピロールを用いた
が、これに限定されることはなく、ポリアニリン、ポリ
チオフェンなども用いられる。また、液体燃料にメタノ
ールを用いたが、これに限定されることはなく、エタノ
ールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエー
テル類、あるいはケトン類を用いることもできる。液体
燃料はあらかじめ加熱し、ガス状にして供給しても良
い。
In the above embodiment, polyimide, polypropylene, and polyvinylidene fluoride are used as the liquid fuel impermeable polymer compound, but the present invention is not limited to these. Polyethylene terephthalate, polyphenylene sulfide, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyimide, polyethylene, polybenzimidazole and the like can also be used. Further, in the examples, polypyrrole was used as the proton conductive polymer compound, but the present invention is not limited to this, and polyaniline, polythiophene, and the like may be used. Further, although methanol was used as the liquid fuel, the invention is not limited to this, and alcohols such as ethanol, ethers such as dimethyl ether, or ketones can also be used. The liquid fuel may be heated in advance and supplied in gaseous form.

【0039】[0039]

【発明の効果】以上のように本発明の触媒層によれば、
触媒金属の有する燃料酸化能が向上し、より高い性能を
発揮する燃料電池を提供することができる。また、液体
燃料不透過性高分子化合物と水素イオン伝導性高分子化
合物を複合化した電解質膜により、電解質膜中の燃料透
過量が制御でき、より高い性能を発揮する燃料電池を提
供することができる。
As described above, according to the catalyst layer of the present invention,
It is possible to provide a fuel cell in which the catalyst metal has an improved fuel oxidizing ability and exhibits higher performance. In addition, an electrolyte membrane in which a liquid fuel-impermeable polymer compound and a hydrogen ion-conductive polymer compound are combined can control the amount of fuel permeated through the electrolyte membrane, thereby providing a fuel cell exhibiting higher performance. it can.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】燃料電池の構成要素であるMEAを示す縦断面
略図である。
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view showing an MEA which is a component of a fuel cell.

【図2】燃料電池の単電池の構成を示す縦断面略図であ
る。
FIG. 2 is a schematic longitudinal sectional view showing a configuration of a unit cell of a fuel cell.

【図3】本発明の触媒層のモデルを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a model of a catalyst layer of the present invention.

【図4】本発明の実施例の電池A及び比較例の電池Xの
電流−電圧特性を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing current-voltage characteristics of a battery A of an example of the present invention and a battery X of a comparative example.

【図5】本発明の実施例の電池B、C、D及び比較例の
電池Yの電流−電圧特性を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing current-voltage characteristics of batteries B, C, and D of an example of the present invention and battery Y of a comparative example.

【図6】本発明の実施例の電池B、C、D及び比較例の
電池Yの複合膜の厚さと電流密度200mA/cm2
おける電圧電圧の比較を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a comparison between the thickness of the composite film and the voltage and voltage at a current density of 200 mA / cm 2 of the batteries B, C, and D of the example of the present invention and the battery Y of the comparative example.

【図7】本発明の実施例の電池B、C、D及び比較例の
電池Yの燃料極へ供給するメタノールの濃度と電流密度
200mA/cm2における電圧電圧の比較を示す図で
ある。
FIG. 7 is a diagram showing a comparison between the concentration of methanol supplied to the fuel electrode and the voltage and voltage at a current density of 200 mA / cm 2 in the batteries B, C, and D of the example of the present invention and the battery Y of the comparative example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 高分子電解質膜 2 触媒層 3 拡散層 4 電極 5 MEA 6 セパレータ板 7 ガス流路 8 単電池 9 炭素粒子 10 触媒粒子 11 電子伝導性高分子化合物 REFERENCE SIGNS LIST 1 polymer electrolyte membrane 2 catalyst layer 3 diffusion layer 4 electrode 5 MEA 6 separator plate 7 gas channel 8 unit cell 9 carbon particle 10 catalyst particle 11 electron conductive polymer compound

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 8/10 H01M 8/10 // B01D 71/34 B01D 71/34 Fターム(参考) 4D006 GA12 HA41 KE18Q MA03 MA09 MA10 MB06 MC23 MC23X MC28 MC28X MC29 MC29X MC58 MC58X MC71 MC71X NA12 NA51 NA54 PA01 PB32 PC80 5H018 AA06 AA07 AS02 AS03 EE03 EE05 EE17 5H026 AA06 AA08 CX05 EE18 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01M 8/10 H01M 8/10 // B01D 71/34 B01D 71/34 F-term (Reference) 4D006 GA12 HA41 KE18Q MA03 MA09 MA10 MB06 MC23 MC23X MC28 MC28X MC29 MC29X MC58 MC58X MC71 MC71X NA12 NA51 NA54 PA01 PB32 PC80 5H018 AA06 AA07 AS02 AS03 EE03 EE05 EE17 5H026 AA06 AA08 CX05 EE18

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前
記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一対の電極
と、前記電極の一方に燃料を供給し他方に酸化剤を供給
する手段とを具備した燃料電池であって、前記電極は前
記水素イオン伝導性高分子電解質膜に接合された触媒層
を有し、その触媒層は、表面の少なくとも一部に電子伝
導性の高分子化合物を担持した触媒粒子を含むことを特
徴とする燃料電池。
1. A hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes sandwiching the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, and means for supplying fuel to one of the electrodes and supplying an oxidant to the other. In a fuel cell, the electrode has a catalyst layer bonded to the proton conductive polymer electrolyte membrane, and the catalyst layer carries an electron conductive polymer compound on at least a part of its surface. A fuel cell comprising the catalyst particles prepared as described above.
【請求項2】 前記高分子化合物が、複素環を有する高
分子化合物である請求項1記載の燃料電池。
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the polymer compound is a polymer compound having a heterocyclic ring.
【請求項3】 水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前
記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一対の電極
と、前記電極の一方に燃料を供給し他方に酸化剤を供給
する手段とを具備した燃料電池であって、前記水素イオ
ン伝導性高分子電解質膜は、液体燃料不透過性の高分子
化合物と水素イオン伝導性高分子化合物との複合体から
なることを特徴とする燃料電池。
3. A hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes sandwiching the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, and means for supplying fuel to one of the electrodes and supplying an oxidizing agent to the other. The fuel cell according to claim 1, wherein the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane is a composite of a liquid fuel impermeable polymer compound and a hydrogen ion conductive polymer compound.
【請求項4】 前記液体燃料不透過性の高分子化合物
が、直鎖脂肪族系高分子化合物または直鎖芳香族系高分
子化合物である請求項3記載の燃料電池。
4. The fuel cell according to claim 3, wherein the liquid fuel-impermeable polymer compound is a straight-chain aliphatic polymer compound or a straight-chain aromatic polymer compound.
【請求項5】 前記水素イオン伝導性高分子化合物が、
非共有電子対を持つ複素環高分子化合物である請求項3
または4記載の燃料電池。
5. The hydrogen ion conductive polymer compound,
4. A heterocyclic polymer having an unshared electron pair.
Or the fuel cell according to 4.
【請求項6】 前記燃料が、アルコール類、エーテル
類、およびケトン類からなる群より選ばれる請求項1〜
5のいずれかに記載の燃料電池。
6. The fuel according to claim 1, wherein the fuel is selected from the group consisting of alcohols, ethers, and ketones.
6. The fuel cell according to any one of 5.
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