JP2005078955A - Fuel cell and liquid fuel for fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell with excellent output characteristics enabling down-sizing, weight saving and cost reduction, without necessarily needing safe and costly platinum or platinum alloy-group catalyst. <P>SOLUTION: For a direct type fuel cell having a pair of an anode and a cathode fitted with an interposition of an electrolyte and directly supplying liquid fuel to the anode, a benzyl alcohol derivative and cyclodextrin expressed in formula (1) are combined and used as the liquid fuel. In the formula, R denotes 1C-5C alkyl group, and m and n are integers of 0 to 3, respectively, satisfying: 0≤m+n≤5. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、液体燃料を直接アノードに供給する燃料電池、及び該燃料電池に使用する液体燃料に関する。   The present invention relates to a fuel cell that supplies liquid fuel directly to an anode, and a liquid fuel used in the fuel cell.

近年、環境問題や資源問題への対策が重要視され、その対策の一つとして燃料電池の開発が活発に行われている。特に、燃料のアルコールを改質またはガス化せずに直接発電に利用する直接メタノール型燃料電池(DMFC)は、構造がシンプルで小型化、軽量化が容易であるという点で、可搬型電源や分散型電源用として注目されている。   In recent years, countermeasures to environmental problems and resource problems have been emphasized, and fuel cells have been actively developed as one of the countermeasures. In particular, a direct methanol fuel cell (DMFC) that directly uses electricity for power generation without reforming or gasifying the fuel is simple in structure, small in size, and easy to reduce in weight. It is attracting attention as a distributed power source.

この直接メタノール型燃料電池の基本構造は、図7にみられるように、プロトン導電性の固体高分子膜よりなる電解質22、この電解質22を挟んで設けられた一対のカソード23及びアノード24を有するものである。そして、アノード24に燃料としてのメタノール水溶液等を供給し、カソード23に酸化剤ガスとして空気等を供給すると、アノード24ではメタノールと水が反応する電気化学反応によって炭酸ガスが生成するとともに水素イオン(プロトン)と電子を放出し、カソード23では電解質22を通過してきたプロトンと空気中の酸素と電子によって水が生成し、外部回路に電気エネルギーを得ることができる。アノード24及びカソード23には、出力特性を改善するために白金又は白金合金系の触媒が使用される。   As shown in FIG. 7, the basic structure of the direct methanol fuel cell includes an electrolyte 22 made of a proton conductive solid polymer membrane, and a pair of cathode 23 and anode 24 provided with the electrolyte 22 interposed therebetween. Is. When an aqueous methanol solution or the like as a fuel is supplied to the anode 24 and air or the like is supplied as an oxidant gas to the cathode 23, carbon dioxide is generated at the anode 24 by an electrochemical reaction in which methanol and water react, and hydrogen ions ( Proton) and electrons are emitted, and at the cathode 23, water is generated by protons that have passed through the electrolyte 22, oxygen in the air, and electrons, and electric energy can be obtained in an external circuit. For the anode 24 and the cathode 23, a platinum or platinum alloy-based catalyst is used in order to improve output characteristics.

しかしながら、直接メタノール型燃料電池は、(1)メタノール酸化の電極反応速度が遅いため、高価な白金または白金合金系触媒が不可欠である、(2)電極触媒がメタノール酸化の反応中間体である一酸化炭素により被毒をうける、(3)固体高分子電解質膜におけるメタノールの膜透過性(クロスオーバー)により出力が低下する、(4)メタノールおよびその酸化代謝物は人体にとって極めて危険であり厳重なパッケージングを必要とする、等の問題点を持っている。   However, direct methanol fuel cells (1) have a slow electrode reaction rate for methanol oxidation, and therefore an expensive platinum or platinum alloy catalyst is indispensable. (2) The electrode catalyst is a reaction intermediate for methanol oxidation. It is poisoned by carbon oxide, (3) Membrane permeability (crossover) of methanol in the solid polymer electrolyte membrane reduces output, (4) Methanol and its oxidative metabolites are extremely dangerous and severe for the human body It has problems such as requiring packaging.

このような問題点を解消するために、メタノールに代えてジメチルエーテルや、エタノール、イソプロピルアルコール等の脂肪族アルコールを使用することが種々提案されている。(例えば、特許文献1及び2参照)
しかしながら、ジメチルエーテルを使用する燃料電池では、メタノールを使用する以上の出力特性を得ることは困難である。
また、メタノールよりも炭素数の多い脂肪族アルコールを使用した場合は、その電極反応機構がメタノールのそれと類似しているために、直接メタノール型燃料電池が持つ根本的な問題点を全て解消することは困難である。
In order to solve such problems, various proposals have been made to use dimethyl ether, aliphatic alcohols such as ethanol and isopropyl alcohol in place of methanol. (For example, see Patent Documents 1 and 2)
However, in a fuel cell using dimethyl ether, it is difficult to obtain output characteristics more than using methanol.
Also, when using aliphatic alcohols with more carbon atoms than methanol, the electrode reaction mechanism is similar to that of methanol, so all the fundamental problems of direct methanol fuel cells must be eliminated. It is difficult.

本発明者等は、このような従来技術の持つ難点を克服するために、ベンジルアルコール類に着目し、その電極酸化反応について検討してきた(例えば、非特許文献1参照)。そして、今回液体燃料を直接アノードに供給する燃料電池の液体燃料として、特定のベンジルアルコール誘導体とシクロデキストリンを組み合わせて使用することによって、その出力特性等が著しく改善することを発見し本発明を完成した。   In order to overcome such difficulties of the prior art, the present inventors have focused on benzyl alcohols and studied the electrode oxidation reaction (see, for example, Non-Patent Document 1). And this time, it discovered that the output characteristics etc. were remarkably improved by using a specific benzyl alcohol derivative and cyclodextrin in combination as a liquid fuel of a fuel cell that supplies liquid fuel directly to the anode, and completed the present invention. did.

特開2002−231265号公報JP 2002-231265 A 特開2003−217642号公報JP 2003-217642 A 2002年電気化学秋季大会予稿集、第93頁1D25Proceedings of the 2002 Electrochemical Fall Conference, p. 93, 1D25

本発明は、安全で、高価な白金や白金合金系触媒を必ずしも必要とせず、出力特性に優れるとともに、小型軽量化や低価格化が可能な燃料電池、及び該燃料電池用液体燃料を提供することを目的とする。   The present invention provides a fuel cell that does not necessarily require a safe and expensive platinum or platinum alloy catalyst, has excellent output characteristics, and can be reduced in size, weight, and cost, and a liquid fuel for the fuel cell. For the purpose.

本発明では、上記課題を解決するために、つぎのような構成を採用する。
1.電解質を挟んで設けられた一対のアノード及びカソードを有し、該アノードに液体燃料を直接供給する直接形燃料電池において、液体燃料として下記一般式(1)で表されるベンジルアルコール誘導体とシクロデキストリンを組み合わせて使用することを特徴とする燃料電池:
In the present invention, the following configuration is adopted in order to solve the above problems.
1. Benzyl alcohol derivative and cyclodextrin represented by the following general formula (1) as a liquid fuel in a direct fuel cell having a pair of anode and cathode provided with an electrolyte in between and supplying liquid fuel directly to the anode A fuel cell characterized by being used in combination:

Figure 2005078955
Figure 2005078955

(式中、Rは炭素数1〜5のアルキル基を表し、m及びnはそれぞれ0〜3の整数で、0
≦m+n≦5である。)
2.液体燃料として、上記一般式(1)で表されるベンジルアルコール誘導体とシクロデキストリンを無機酸水溶液又は酸性エタノール水溶液に溶解した溶液を使用することを特徴とする1に記載の燃料電池。
3.無機酸水溶液が硫酸水溶液であることを特徴とする2に記載の燃料電池。
4.ベンジルアルコール誘導体が4−ヒドロキシ−3−メトキシベンジルアルコールであることを特徴とする1〜3のいずれか記載の燃料電池。
5.シクロデキストリンがγ−シクロデキストリンであることを特徴とする1〜4のいずれかに記載の燃料電池。
6.ベンジルアルコール誘導体とシクロデキストリンの配合割合が、重量比で1:0.5〜1:20であることを特徴とする1〜5のいずれかに記載の燃料電池。
7.ベンジルアルコール誘導体とシクロデキストリンを無機酸水溶液に溶解した液体燃料のpHが1〜4であることを特徴とする2〜6のいずれかに記載の燃料電池。
8.ベンジルアルコール誘導体とシクロデキストリンを無機酸水溶液に溶解した液体燃料がさらに電解質を含有することを特徴とする2〜7のいずれかに記載の燃料電池。
9.液体燃料中のベンジルアルコール誘導体の濃度が0.001〜5モル/リットルであることを特徴とする1〜8のいずれかに記載の燃料電池。
10.電解質がプロトン導電性の固体高分子電解質膜であることを特徴とする1〜9のいずれかに記載の燃料電池。
11.上記一般式(1)で表されるベンジルアルコール誘導体とシクロデキストリンを無機酸水溶液に溶解した溶液からなる燃料電池用液体燃料。
12.無機酸水溶液が硫酸水溶液であることを特徴とする11に記載の燃料電池用液体燃料。
13.ベンジルアルコール誘導体が4−ヒドロキシ−3−メトキシベンジルアルコールであることを特徴とする請求項11又は12に記載の燃料電池用液体燃料。
14.シクロデキストリンがγ−シクロデキストリンであることを特徴とする11〜13のいずれかに記載の燃料電池用液体燃料。
15.ベンジルアルコール誘導体とシクロデキストリンの配合割合が、重量比で1:0.5〜1:20であることを特徴とする11〜14のいずれかに記載の燃料電池用液体燃料。
16.ベンジルアルコール誘導体とシクロデキストリンを無機酸水溶液に溶解した液体燃料のpHが1〜4であることを特徴とする11〜15のいずれかに記載の燃料電池用液体燃料。
17.ベンジルアルコール誘導体とシクロデキストリンを無機酸水溶液に溶解した液体燃料がさらに電解質を含有することを特徴とする11〜16のいずれかに記載の燃料電池用液体燃料。
18.液体燃料中のベンジルアルコール誘導体の濃度が0.001〜5モル/リットルであることを特徴とする11〜17のいずれかに記載の燃料電池用液体燃料。
19.交換可能なカートリッジ中に貯蔵したことを特徴とする11〜18のいずれかに記載の燃料電池用液体燃料。
(In the formula, R represents an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, m and n are each an integer of 0 to 3,
≦ m + n ≦ 5. )
2. 2. The fuel cell according to 1, wherein a solution in which the benzyl alcohol derivative represented by the general formula (1) and cyclodextrin are dissolved in an inorganic acid aqueous solution or an acidic ethanol aqueous solution is used as the liquid fuel.
3. 3. The fuel cell according to 2, wherein the inorganic acid aqueous solution is a sulfuric acid aqueous solution.
4). 4. The fuel cell according to any one of 1 to 3, wherein the benzyl alcohol derivative is 4-hydroxy-3-methoxybenzyl alcohol.
5). 5. The fuel cell according to any one of 1 to 4, wherein the cyclodextrin is γ-cyclodextrin.
6). 6. The fuel cell according to any one of 1 to 5, wherein the blending ratio of the benzyl alcohol derivative and cyclodextrin is 1: 0.5 to 1:20 by weight.
7). The fuel cell according to any one of 2 to 6, wherein the pH of a liquid fuel obtained by dissolving a benzyl alcohol derivative and cyclodextrin in an aqueous inorganic acid solution is 1 to 4.
8). 8. The fuel cell according to any one of 2 to 7, wherein the liquid fuel obtained by dissolving a benzyl alcohol derivative and cyclodextrin in an inorganic acid aqueous solution further contains an electrolyte.
9. The fuel cell according to any one of 1 to 8, wherein the concentration of the benzyl alcohol derivative in the liquid fuel is 0.001 to 5 mol / liter.
10. 10. The fuel cell according to any one of 1 to 9, wherein the electrolyte is a proton conductive solid polymer electrolyte membrane.
11. A liquid fuel for a fuel cell comprising a solution of the benzyl alcohol derivative represented by the general formula (1) and cyclodextrin dissolved in an inorganic acid aqueous solution.
12 12. The liquid fuel for a fuel cell according to 11, wherein the inorganic acid aqueous solution is a sulfuric acid aqueous solution.
13. The liquid fuel for a fuel cell according to claim 11 or 12, wherein the benzyl alcohol derivative is 4-hydroxy-3-methoxybenzyl alcohol.
14 The liquid fuel for a fuel cell according to any one of 11 to 13, wherein the cyclodextrin is γ-cyclodextrin.
15. The liquid fuel for a fuel cell according to any one of 11 to 14, wherein the blending ratio of the benzyl alcohol derivative and cyclodextrin is 1: 0.5 to 1:20 by weight.
16. The liquid fuel for fuel cells according to any one of 11 to 15, wherein the pH of the liquid fuel obtained by dissolving a benzyl alcohol derivative and cyclodextrin in an aqueous inorganic acid solution is 1 to 4.
17. The liquid fuel for fuel cells according to any one of 11 to 16, wherein the liquid fuel obtained by dissolving a benzyl alcohol derivative and cyclodextrin in an inorganic acid aqueous solution further contains an electrolyte.
18. The liquid fuel for a fuel cell according to any one of 11 to 17, wherein the concentration of the benzyl alcohol derivative in the liquid fuel is 0.001 to 5 mol / liter.
19. The liquid fuel for a fuel cell according to any one of 11 to 18, which is stored in a replaceable cartridge.

本発明によれば、従来の直接メタノール型燃料電池のように、電極触媒がメタノール酸化の反応中間体である一酸化炭素による被毒を受けるおそれがなく、高価な白金又は白金合金系触媒を使用しなくても出力特性と安定性に優れる燃料電池を得ることができる。本発明の燃料電池では、従来の直接メタノール型燃料電池のように人体に有害な反応生成物が発生するおそれはなく、燃料電池の小型軽量化や低価格化が可能となる。   According to the present invention, unlike the conventional direct methanol fuel cell, the electrode catalyst is not subject to poisoning by carbon monoxide which is a reaction intermediate of methanol oxidation, and an expensive platinum or platinum alloy catalyst is used. Even if not, a fuel cell excellent in output characteristics and stability can be obtained. In the fuel cell of the present invention, unlike the conventional direct methanol fuel cell, there is no possibility that a reaction product harmful to the human body is generated, and the fuel cell can be reduced in size, weight and cost.

つぎに、図面を参照しながら本発明の燃料電池の好ましい形態について説明する。
図1は、本発明の燃料電池の単セル構造を示す概念図である。この燃料電池では、容器1内に固体高分子電解質膜であるイオン交換膜2と、それを挟んで設けられた一対のカソード3とアノード4を有し、それらの外側に酸化剤流路5と液体燃料収納部6を設けたものである。
Next, a preferred embodiment of the fuel cell of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a single cell structure of a fuel cell according to the present invention. In this fuel cell, a container 1 has an ion exchange membrane 2 which is a solid polymer electrolyte membrane, a pair of cathodes 3 and an anode 4 which are sandwiched between them, and an oxidant flow path 5 on the outside thereof. A liquid fuel storage unit 6 is provided.

イオン交換膜2は、アニオンまたはカチオンのいずれのイオン伝導タイプでもよいが、プロトン伝導タイプのものが好適に使用される。イオン交換膜2としては、パーフルオロアルキルスルホン酸ポリマーを代表とする高分子膜をはじめとする公知の材料すべてが使用できる。   The ion exchange membrane 2 may be either an anion or cation ion conduction type, but a proton conduction type is preferably used. As the ion exchange membrane 2, all known materials including a polymer membrane represented by perfluoroalkylsulfonic acid polymer can be used.

カソード3及びアノード4としては、例えばそれぞれ所定の触媒を塗付した多孔質カーボンペーパーを使用できる。カソード3とアノード4の間にイオン交換膜2を配置して挟持するか、又はホットプレス、キャスト製膜等により3者を接合して、膜一電極構造体を構成する。多孔質カーボンペーパーには、所望によりポリテトラフルオロエチレン等の撥水剤を添加又は積層してもよい。   As the cathode 3 and the anode 4, for example, porous carbon paper coated with a predetermined catalyst can be used. An ion exchange membrane 2 is disposed between the cathode 3 and the anode 4 and sandwiched, or the three members are joined by hot pressing, cast film formation or the like to form a membrane-one electrode structure. If necessary, a water repellent such as polytetrafluoroethylene may be added to or laminated on the porous carbon paper.

アノード4は、例えば白金又は白金合金を担持したカーボンをイオン伝導材料とともによく混合後、イオン交換膜2に当接させることで構成することができる。白金合金としては、白金と、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、鉄、ニッケル、金、コバルト、パラジウム、タングステン、モリブデン及び錫からなる群より選択される一種又は二種以上の元素との合金を用いることができる。   The anode 4 can be configured by, for example, mixing carbon carrying platinum or a platinum alloy together with an ion conductive material and then bringing the carbon into contact with the ion exchange membrane 2. The platinum alloy may be an alloy of platinum and one or more elements selected from the group consisting of ruthenium, iridium, osmium, iron, nickel, gold, cobalt, palladium, tungsten, molybdenum and tin. it can.

イオン伝導材料は、イオン交換膜2と同じ材料であると好ましい結果が得られる。アノード4をイオン交換膜2に当接させる方法としては、ホットプレス、キャスト製膜をはじめとする公知の方法が使用できる。白金又は白金合金を担持したカーボン以外にも、アノード4として、貴金属又はそれらを担持したもの(電極触媒)や、有機金属錯体又はそれを焼成したものなど公知のものを使用できる。米国特許第5759712号明細書に開示されているような貴金属又は貴金属薄膜若しくはそれらの積層体を、アノード4として使用することもできる。   A preferable result is obtained when the ion conductive material is the same material as the ion exchange membrane 2. As a method for bringing the anode 4 into contact with the ion exchange membrane 2, known methods such as hot pressing and cast film formation can be used. In addition to carbon carrying platinum or a platinum alloy, known anodes 4 such as noble metals or those carrying them (electrode catalyst), organometallic complexes or those obtained by firing them can be used. A noble metal or a noble metal thin film or a laminate thereof as disclosed in US Pat. No. 5,759,712 can also be used as the anode 4.

本発明の燃料電池では、直接アノードに供給する液体燃料として、上記一般式(1)で表されるベンジルアルコール誘導体とシクロデキストリンを組み合わせて使用することによって、従来のメタノール等の脂肪族アルコールを使用する燃料電池とは全く異なる酸化の電極反応が生じる。
すなわち、メタノールから二酸化炭素への酸化反応は、熱力学的には水素の酸化とほぼ等しい標準酸化還元電位を持つが、実際はメタノールの水酸基から電子が引き抜かれることは困難であり、電極との電子移動速度がきわめて遅いために大きな過電圧を要する。この過電圧を下げるために、白金等の貴金属触媒が用いられるが、このときの電極反応機構としてメタノールが電極触媒上に一旦吸着し、反応中間体の吸着種である一酸化炭素へと酸化された後、さらに二酸化炭素へと酸化されることが分光学的な研究から明らかになっている。この吸着一酸化炭素が電極触媒の被毒を起す。
In the fuel cell of the present invention, a conventional aliphatic alcohol such as methanol is used as a liquid fuel supplied directly to the anode by using a combination of the benzyl alcohol derivative represented by the general formula (1) and cyclodextrin. Oxidation electrode reaction is completely different from that of a fuel cell.
That is, the oxidation reaction from methanol to carbon dioxide has a standard oxidation-reduction potential that is thermodynamically almost equal to that of hydrogen, but in reality, it is difficult to extract electrons from the hydroxyl group of methanol. A large overvoltage is required because the moving speed is very slow. In order to lower this overvoltage, a noble metal catalyst such as platinum is used, but as an electrode reaction mechanism at this time, methanol was once adsorbed on the electrode catalyst and oxidized to carbon monoxide which is an adsorbed species of the reaction intermediate. Later, it has become clear from spectroscopic studies that it is further oxidized to carbon dioxide. This adsorbed carbon monoxide causes poisoning of the electrocatalyst.

これに対して、ベンジルアルコール類は、水酸基が結合している炭素原子に比較的電子密度が大きい芳香環を持つため、その電極反応は芳香環の一電子酸化によるカチオンラジカルの生成により開始される。このため、その酸化反応は芳香環に結合した官能基の電子供与性に依存し、電極表面の性質にはあまり影響されない。
したがって、電極反応の触媒依存性は、従来の燃料電池よりも極めて小さく、電極として高価な白金や白金白金系触媒を使用しなくても、優れた出力特性を得ることができる。
In contrast, since benzyl alcohols have an aromatic ring with a relatively high electron density at the carbon atom to which the hydroxyl group is bonded, the electrode reaction is initiated by the generation of a cation radical by one-electron oxidation of the aromatic ring. . For this reason, the oxidation reaction depends on the electron donating property of the functional group bonded to the aromatic ring and is not significantly affected by the properties of the electrode surface.
Therefore, the catalyst dependence of the electrode reaction is extremely smaller than that of a conventional fuel cell, and excellent output characteristics can be obtained without using expensive platinum or a platinum-platinum-based catalyst as an electrode.

カソード3は、アノード4と同種の材料により構成することができる。カソード3側には、上方に酸化剤流路5に酸化剤(多くの場合空気)を導入するための酸化剤導入孔(図示せず)が設けられる一方、下方に未反応空気と生成物(多くの場合水)を排出するための酸化剤排出孔(図示せず)が設けられる。この場合、強制吸気及び/または強制排気手段を付設してもよい。また、容器1に空気の自然対流孔を設けてもよい。   The cathode 3 can be made of the same material as the anode 4. On the cathode 3 side, an oxidant introduction hole (not shown) for introducing an oxidant (in many cases air) into the oxidant flow path 5 is provided on the upper side, while unreacted air and products ( In many cases, an oxidant discharge hole (not shown) for discharging water) is provided. In this case, forced intake and / or forced exhaust means may be provided. The container 1 may be provided with a natural convection hole for air.

アノード4の外側には、液体燃料収納部6が設けられる。液体燃料収納部6は、固定された収納部とする以外に、交換可能なカートリッジに本発明の液体燃料を貯蔵した燃料収納部(図示せず)との流通路であってもよい。燃料は、自然対流及び/又は強制対流により攪拌可能とすることが好ましい。液体燃料を交換可能なカートリッジに収納する場合には、カートリッジの寸法や形状は適宜選択することができる。   A liquid fuel storage unit 6 is provided outside the anode 4. The liquid fuel storage unit 6 may be a flow path with a fuel storage unit (not shown) in which the liquid fuel of the present invention is stored in a replaceable cartridge, in addition to the fixed storage unit. The fuel is preferably stirrable by natural and / or forced convection. When the liquid fuel is stored in a replaceable cartridge, the size and shape of the cartridge can be selected as appropriate.

図1の燃料電池の概念図は単セル構造を表すものであるが、本発明の燃料電池としては、この単セルをそのまま使用することができる。また、複数のセルを直列及び/又は並列接続して実装燃料電池とすることもできる。セル同士の接続方法としては、例えばバイポーラ板を使用する接続方式等、公知の方式はいずれも使用することができる。   Although the conceptual diagram of the fuel cell of FIG. 1 represents a single cell structure, this single cell can be used as it is as the fuel cell of the present invention. A plurality of cells may be connected in series and / or in parallel to form a mounted fuel cell. As a method for connecting cells, any known method such as a connection method using a bipolar plate can be used.

つぎに、本発明の燃料電池で使用する液体燃料について、詳細に説明する。
本発明では、上記燃料電池のアノードに供給する液体燃料として、下記一般式(1)で表されるベンジルアルコール誘導体とシクロデキストリンを組み合わせて使用することを特徴とする。
Next, the liquid fuel used in the fuel cell of the present invention will be described in detail.
In the present invention, as a liquid fuel supplied to the anode of the fuel cell, a benzyl alcohol derivative represented by the following general formula (1) and a cyclodextrin are used in combination.

Figure 2005078955
Figure 2005078955

上記一般式(1)において、Rは炭素数1〜5の低級アルキル基を表し、m及びnはそれぞれ0〜3の整数を表し0≦m+n≦5である。
Rの具体例としては、メチル、エチル、n−プロピル、i−プロピル、n−ブチル、i−ブチル等が挙げられるが、メチル及びエチルが好ましい。
一般式(1)で表されるベンジルアルコール誘導体の好ましい例としては、ベンジルアルコール、モノ−又はジ−ヒドロキシベンジルアルコール、モノ−又はジ−メトキシベンジルアルコール、ヒドロキシメトキシベンジルアルコール、ヒドロキシエトキシベンジルアルコール等が挙げられる。これらのベンジルアルコール誘導体において、ヒドロキシ基やアルコキシ基の置換位置は特に限定されず、例えばモノヒドロキシベンジルアルコールでは、2−ヒドロキシ体、3−ヒドロキシ体、4−ヒドロキシ体のいずれをも使用することができる。これらのベンジルアルコール誘導体は、単独で、又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
In the general formula (1), R represents a lower alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, m and n each represents an integer of 0 to 3, and 0 ≦ m + n ≦ 5.
Specific examples of R include methyl, ethyl, n-propyl, i-propyl, n-butyl, i-butyl and the like, and methyl and ethyl are preferable.
Preferred examples of the benzyl alcohol derivative represented by the general formula (1) include benzyl alcohol, mono- or di-hydroxybenzyl alcohol, mono- or di-methoxybenzyl alcohol, hydroxymethoxybenzyl alcohol, hydroxyethoxybenzyl alcohol and the like. Can be mentioned. In these benzyl alcohol derivatives, the substitution position of the hydroxy group or alkoxy group is not particularly limited. For example, in monohydroxybenzyl alcohol, any of 2-hydroxy, 3-hydroxy, and 4-hydroxy can be used. it can. These benzyl alcohol derivatives can be used alone or in combination of two or more.

シクロデキストリンは、D−グルコースがα−1、4結合により環状構造を形成した大環状化合物で、重合度6のα−シクロデキストリン、重合度7のβ−シクロデキストリン、重合度8のγ−シクロデキストリンが一般的であるが、さらに重合度の高いδ−及びε−シクロデキストリンも知られている。本発明で使用するシクロデキストリンとしては、これら公知のシクロデキストリンはいずれも使用することができ、これらは単独で、又は2種以上を組み合わせて使用することができる。シクロデキストリンとしては、γ−シクロデキストリンを使用することが好ましい。   Cyclodextrin is a macrocyclic compound in which D-glucose forms a cyclic structure by α-1,4 bonds. It is α-cyclodextrin having a polymerization degree of 6, β-cyclodextrin having a polymerization degree of 7, and γ-cyclohexane having a polymerization degree of 8. Dextrins are common, but δ- and ε-cyclodextrins with a higher degree of polymerization are also known. Any of these known cyclodextrins can be used as the cyclodextrin used in the present invention, and these can be used alone or in combination of two or more. As the cyclodextrin, γ-cyclodextrin is preferably used.

ベンジルアルコール誘導体は、芳香族炭化水素としての性状を有し、プロトン導電性の固体高分子電解質膜との親和性が極めて低く、従来燃料電池に用いられているメタノール等の脂肪族アルコールとは酸化の電極反応が全く異なり、クロスオーバーによる出力低下や、メタノール使用時の一酸化炭素による触媒の被毒を防止することができるものである。
しかしながら、ベンジルアルコール誘導体は水性溶液中への溶解度が比較的小さく、また酸化生成物は重合を起し反応時間の経過とともに出力の低下を招く傾向がみられる。本発明では、ベンジルアルコール誘導体と大環状化合物であるシクロデキストリンを共存させることによって、水性溶液への溶解性と溶解安定性を改善し、燃料電池としての出力特性を著しく改善することに成功したものである。
ベンジルアルコール誘導体とシクロデキストリンの配合割合は、重量比で1:0.5〜1:20、特に1:1〜1:10とすることが好ましい。
Benzyl alcohol derivatives have properties as aromatic hydrocarbons, have extremely low affinity with proton conductive solid polymer electrolyte membranes, and are not oxidized with aliphatic alcohols such as methanol used in conventional fuel cells. The electrode reactions are completely different, and it is possible to prevent the decrease in output due to crossover and the poisoning of the catalyst by carbon monoxide when methanol is used.
However, the benzyl alcohol derivative has a relatively low solubility in an aqueous solution, and the oxidation product tends to undergo polymerization and cause a decrease in output as the reaction time elapses. In the present invention, the coexistence of a benzyl alcohol derivative and a cyclodextrin, which is a macrocyclic compound, has improved the solubility and dissolution stability in an aqueous solution and succeeded in significantly improving the output characteristics as a fuel cell. It is.
The blending ratio of the benzyl alcohol derivative and the cyclodextrin is preferably 1: 0.5 to 1:20, particularly 1: 1 to 1:10 by weight.

本発明では、上記ベンジルアルコール誘導体とシクロデキストリンを、硫酸、塩酸等の無機水溶液又は酸性エタノール水溶液に溶解した溶液としたものを、燃料電池用の液体燃料として使用する。
無機酸水溶液としては硫酸水溶液を使用することが好ましく、硫酸の濃度は液体燃料のpHが1〜4、特に1〜2となるように調整することが好ましい。
In the present invention, a solution obtained by dissolving the benzyl alcohol derivative and cyclodextrin in an inorganic aqueous solution such as sulfuric acid or hydrochloric acid or an aqueous acidic ethanol solution is used as a liquid fuel for a fuel cell.
As the inorganic acid aqueous solution, a sulfuric acid aqueous solution is preferably used, and the concentration of sulfuric acid is preferably adjusted so that the pH of the liquid fuel is 1 to 4, particularly 1 to 2.

液体燃料中には、支持電解質として硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸バリウム等の電解質、特に中性電解質を添加することが好ましい。このような電解質を添加することによって、硫酸濃度を抑えて溶液のpHを1以上に調整することで、酸化反応による溶液の白濁を防止し、高い酸化ピーク電流を維持することが可能となる。
液体燃料中のベンジルアルコール誘導体の濃度は、0.001〜5モル/リットル、特に0.01〜1モル/リットルとすることが好ましい。
In the liquid fuel, it is preferable to add an electrolyte such as sodium sulfate, potassium sulfate, calcium sulfate, magnesium sulfate, and barium sulfate, particularly a neutral electrolyte, as a supporting electrolyte. By adding such an electrolyte, by adjusting the pH of the solution to 1 or more while suppressing the sulfuric acid concentration, it becomes possible to prevent white turbidity of the solution due to the oxidation reaction and maintain a high oxidation peak current.
The concentration of the benzyl alcohol derivative in the liquid fuel is preferably 0.001 to 5 mol / liter, particularly 0.01 to 1 mol / liter.

つぎに、本発明の燃料電池で使用する液体燃料について、実施例によりさらに説明するが、以下の具体例は本発明を限定するものではない。
以下の例では、図2に示す3電極式の電気化学セルを使用してサイクリックボルタメトリーを行い、液体燃料の酸化還元特性をテストした。図2において、11は試料溶液(液体燃料)、12は作用電極、13は基準電極、14は補助電極、15はポテンショスタット、16は関数発生器、そして17は記録計を表す。
Next, the liquid fuel used in the fuel cell of the present invention will be further described with reference to examples. However, the following specific examples do not limit the present invention.
In the following example, cyclic voltammetry was performed using the three-electrode electrochemical cell shown in FIG. 2 to test the redox characteristics of the liquid fuel. In FIG. 2, 11 is a sample solution (liquid fuel), 12 is a working electrode, 13 is a reference electrode, 14 is an auxiliary electrode, 15 is a potentiostat, 16 is a function generator, and 17 is a recorder.

(実施例1)
0.1M硫酸ナトリウム水溶液に、バニリルアルコール(4−ヒドロキシ−3−メトキシベンジルアルコール)0.01M及びγ−シクロデキストリン0.02Mを溶解させて、硫酸でpHを調製してpH1の溶液を得た。この溶液を試料溶液11として使用し、図2の作用極12として白金電極、補助電極14として白金線、基準電極13として銀塩化銀電極を用いた電気化学セルによりサイクリックボルタメトリーを行なった。掃引速度50mV/s.におけるサイクリックボルタモグラムを図3に示す。
図3において、点線は繰り返しの電位掃引による電流値の減少を示すが、この試料溶液では繰返しの電位掃引によっても、電流値は殆んど減少しないことがわかる。
(Example 1)
Dissolve 0.01M vanillyl alcohol (4-hydroxy-3-methoxybenzyl alcohol) and 0.02M γ-cyclodextrin in 0.1M sodium sulfate aqueous solution, and adjust the pH with sulfuric acid to obtain a pH1 solution. It was. This solution was used as the sample solution 11, and cyclic voltammetry was performed with an electrochemical cell using a platinum electrode as the working electrode 12 in FIG. 2, a platinum wire as the auxiliary electrode 14, and a silver-silver chloride electrode as the reference electrode 13. Sweep speed 50 mV / s. A cyclic voltammogram is shown in FIG.
In FIG. 3, the dotted line shows a decrease in current value due to repeated potential sweeping, but it can be seen that the current value hardly decreases even with repeated potential sweeping in this sample solution.

(比較例1)
実施例1において、γ−シクロデキストリンを使用せずに溶液を調製した以外は、実施例1と同様にしてサイクリックボルタメトリーを行った。その結果を、図4に示す。
図4において、点線は繰り返しの電位掃引による電流値の減少を示すが、この試料溶液では繰返しの電位掃引によって、実施例1に比較して電流値の減少がみられる。
(Comparative Example 1)
In Example 1, cyclic voltammetry was performed in the same manner as in Example 1 except that the solution was prepared without using γ-cyclodextrin. The result is shown in FIG.
In FIG. 4, the dotted line indicates a decrease in the current value due to repeated potential sweep, but in this sample solution, a decrease in the current value is observed as compared with Example 1 due to repeated potential sweep.

(実施例2)
0.5M硫酸水溶液に、バニリルアルコール0.01M及びγ−シクロデキストリン0.02Mを溶解させて試料溶液Aを調製した。この試料溶液Aを使用して、実施例1と同様にしてサイクリックボルタメトリーを行った結果を図5に実線Aで示す。また、比較のために、0.5M硫酸水溶液にバニリルアルコール0.01Mのみを溶解させた試料溶液B、ならびに0.5M硫酸水溶液にメタノール0.5Mを溶解させた試料溶液Cについて、同様にしてサイクリックボルタメトリーを行った結果を、それぞれ図5に破線B及び点線Cで示す。
(Example 2)
Sample solution A was prepared by dissolving 0.01 M vanillyl alcohol and 0.02 M γ-cyclodextrin in 0.5 M sulfuric acid aqueous solution. Using this sample solution A, the result of cyclic voltammetry performed in the same manner as in Example 1 is shown by the solid line A in FIG. For comparison, sample solution B in which only 0.01 M vanillyl alcohol is dissolved in 0.5 M sulfuric acid aqueous solution and sample solution C in which 0.5 M methanol is dissolved in 0.5 M sulfuric acid aqueous solution are similarly processed. The results of cyclic voltammetry are shown by a broken line B and a dotted line C in FIG.

図5によれば、バニリルアルコールは、メタノールに比べて濃度が1/50であるにもかかわらず、メタノール酸化とほぼ同じ電位で、より大きな酸化ピーク電流を示し酸化されることがわかる。また、γ−シクロデキストリンを併用した場合には、より高いピーク電流値が得られる。
そして、バニリルアルコールを単独で溶解した試料溶液Bの場合には、電位掃引を繰り返すと、時間の経過により溶液の白濁が起こり、ピーク電流値は減少し3時間経過で10%程度となる。これは、ベンジルアルコールの酸化生成物が重合を起こしたことによるものと考えられる。
これに対して、γ−シクロデキストリンを併用した試料溶液Aの場合には、時間の経過による溶液の白濁は起こらず、高い酸化ピーク電流値を長時間に亘って維持することが可能である。
According to FIG. 5, it can be seen that vanillyl alcohol is oxidized with a larger oxidation peak current at substantially the same potential as methanol oxidation, although the concentration is 1/50 compared with methanol. Further, when γ-cyclodextrin is used in combination, a higher peak current value can be obtained.
In the case of the sample solution B in which vanillyl alcohol is dissolved alone, when the potential sweep is repeated, the solution becomes clouded over time, and the peak current value is reduced to about 10% after 3 hours. This is considered to be due to the polymerization of the oxidation product of benzyl alcohol.
On the other hand, in the case of the sample solution A combined with γ-cyclodextrin, the solution does not become clouded over time, and a high oxidation peak current value can be maintained for a long time.

(参考例1)
図2に示す電気化学セルにおいて、作用電極12として白金電極に代えて、グラッシーカーボン円板電極を使用した。硫酸ナトリウム0.2Mを含む0.05M硫酸水溶液に、バニリルアルコール0.01Mを溶解させて試料溶液を調製し、サイクリックボルタメトリーを行った結果を図6に示す。
また、比較のために、0.5M硫酸水溶液にメタノール0.5Mを溶解させた試料溶液について、作用電極12として白金電極を使用した図2の電気化学セルを用いてサイクリックボルタメトリーを行った結果を図6に点線で示す。
図6によれば、ベンジルアルコール誘導体を成分とする液体燃料の場合には、グラッシーカーボンのような電極触媒作用が期待できない比較的安価な電極材料を使用しても、白金電極と同様の酸化還元特性が認められた。したがって、燃料電池の大幅な低コスト化が可能となると考えられる。
(Reference Example 1)
In the electrochemical cell shown in FIG. 2, a glassy carbon disk electrode was used as the working electrode 12 instead of the platinum electrode. FIG. 6 shows the results of cyclic voltammetry by preparing a sample solution by dissolving 0.01M vanillyl alcohol in a 0.05M sulfuric acid aqueous solution containing 0.2M sodium sulfate.
For comparison, cyclic voltammetry was performed on a sample solution obtained by dissolving 0.5 M of methanol in a 0.5 M sulfuric acid aqueous solution using the electrochemical cell of FIG. 2 using a platinum electrode as the working electrode 12. The results are shown by dotted lines in FIG.
According to FIG. 6, in the case of a liquid fuel containing a benzyl alcohol derivative as a component, even when a relatively inexpensive electrode material such as glassy carbon that cannot be expected to have an electrode catalytic action is used, the same oxidation-reduction as a platinum electrode is achieved. Characteristics were observed. Therefore, it is considered that the cost of the fuel cell can be greatly reduced.

本発明の燃料電池の単セル構造を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the single cell structure of the fuel cell of this invention. 液体燃料の酸化還元特性を試験した電気化学セルの模式図である。It is the schematic diagram of the electrochemical cell which tested the oxidation reduction characteristic of the liquid fuel. 実施例1で得られたサイクリックボルタモグラムである。2 is a cyclic voltammogram obtained in Example 1. FIG. 比較例1で得られたサイクリックボルタモグラムである。2 is a cyclic voltammogram obtained in Comparative Example 1. 実施例2で得られたサイクリックボルタモグラムである。3 is a cyclic voltammogram obtained in Example 2. FIG. 参考例1で得られたサイクリックボルタモグラムである。2 is a cyclic voltammogram obtained in Reference Example 1. 従来の直接メタノール型燃料電池の基本構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the basic structure of the conventional direct methanol fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

1 容器
2、22 固体高分子電解質膜
3、23 カソード
4、24 アノード
5 酸化剤流路
6 液体燃料収納部
11 試料溶液
12 作用電極
13 基準電極
14 補助電極
15 ポテンショスタット
16 関数発生器
17 記録計
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Container 2, 22 Solid polymer electrolyte membrane 3, 23 Cathode 4, 24 Anode 5 Oxidant flow path 6 Liquid fuel storage part 11 Sample solution 12 Working electrode 13 Reference electrode 14 Auxiliary electrode 15 Potentiostat 16 Function generator 17 Recorder

Claims (19)

電解質を挟んで設けられた一対のアノード及びカソードを有し、該アノードに液体燃料を直接供給する直接形燃料電池において、液体燃料として下記一般式(1)で表されるベンジルアルコール誘導体とシクロデキストリンを組み合わせて使用することを特徴とする燃料電池:
Figure 2005078955
(式中、Rは炭素数1〜5のアルキル基を表し、m及びnはそれぞれ0〜3の整数で、0
≦m+n≦5である。)
Benzyl alcohol derivative and cyclodextrin represented by the following general formula (1) as a liquid fuel in a direct fuel cell having a pair of anode and cathode provided with an electrolyte in between and supplying liquid fuel directly to the anode A fuel cell characterized by being used in combination:
Figure 2005078955
(In the formula, R represents an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, m and n are each an integer of 0 to 3,
≦ m + n ≦ 5. )
液体燃料として、上記一般式(1)で表されるベンジルアルコール誘導体とシクロデキストリンを無機酸水溶液又は酸性エタノール水溶液に溶解した溶液を使用することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。 2. The fuel cell according to claim 1, wherein a solution obtained by dissolving the benzyl alcohol derivative represented by the general formula (1) and cyclodextrin in an inorganic acid aqueous solution or an acidic ethanol aqueous solution is used as the liquid fuel. 無機酸水溶液が硫酸水溶液であることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 2, wherein the inorganic acid aqueous solution is a sulfuric acid aqueous solution. ベンジルアルコール誘導体が4−ヒドロキシ−3−メトキシベンジルアルコールであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか記載の燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the benzyl alcohol derivative is 4-hydroxy-3-methoxybenzyl alcohol. シクロデキストリンがγ−シクロデキストリンであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein the cyclodextrin is γ-cyclodextrin. ベンジルアルコール誘導体とシクロデキストリンの配合割合が、重量比で1:0.5〜1:20であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein a mixing ratio of the benzyl alcohol derivative and the cyclodextrin is 1: 0.5 to 1:20 by weight. ベンジルアルコール誘導体とシクロデキストリンを無機酸水溶液に溶解した液体燃料のpHが1〜4であることを特徴とする請求項2〜6のいずれかに記載の燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 2 to 6, wherein the pH of the liquid fuel in which the benzyl alcohol derivative and cyclodextrin are dissolved in an inorganic acid aqueous solution is 1 to 4. ベンジルアルコール誘導体とシクロデキストリンを無機酸水溶液に溶解した液体燃料がさらに電解質を含有することを特徴とする請求項2〜7のいずれかに記載の燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 2 to 7, wherein the liquid fuel obtained by dissolving benzyl alcohol derivative and cyclodextrin in an aqueous inorganic acid solution further contains an electrolyte. 液体燃料中のベンジルアルコール誘導体の濃度が0.001〜5モル/リットルであることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 8, wherein the concentration of the benzyl alcohol derivative in the liquid fuel is 0.001 to 5 mol / liter. 電解質がプロトン導電性の固体高分子電解質膜であることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 9, wherein the electrolyte is a proton conductive solid polymer electrolyte membrane. 上記一般式(1)で表されるベンジルアルコール誘導体とシクロデキストリンを無機酸水溶液に溶解した溶液からなる燃料電池用液体燃料。 A liquid fuel for a fuel cell comprising a solution of the benzyl alcohol derivative represented by the general formula (1) and cyclodextrin dissolved in an inorganic acid aqueous solution. 無機酸水溶液が硫酸水溶液であることを特徴とする請求項11に記載の燃料電池用液体燃料。 The liquid fuel for a fuel cell according to claim 11, wherein the inorganic acid aqueous solution is a sulfuric acid aqueous solution. ベンジルアルコール誘導体が4−ヒドロキシ−3−メトキシベンジルアルコールであることを特徴とする請求項11又は12に記載の燃料電池用液体燃料。 The liquid fuel for a fuel cell according to claim 11 or 12, wherein the benzyl alcohol derivative is 4-hydroxy-3-methoxybenzyl alcohol. シクロデキストリンがγ−シクロデキストリンであることを特徴とする請求項11〜13のいずれかに記載の燃料電池用液体燃料。 The liquid fuel for a fuel cell according to claim 11, wherein the cyclodextrin is γ-cyclodextrin. ベンジルアルコール誘導体とシクロデキストリンの配合割合が、重量比で1:0.5〜1:20であることを特徴とする請求項11〜14のいずれかに記載の燃料電池用液体燃料。 The liquid fuel for a fuel cell according to any one of claims 11 to 14, wherein a blending ratio of the benzyl alcohol derivative and the cyclodextrin is 1: 0.5 to 1:20 by weight. ベンジルアルコール誘導体とシクロデキストリンを無機酸水溶液に溶解した液体燃料のpHが1〜4であることを特徴とする請求項11〜15のいずれかに記載の燃料電池用液体燃料。 The liquid fuel for a fuel cell according to any one of claims 11 to 15, wherein the pH of the liquid fuel obtained by dissolving a benzyl alcohol derivative and cyclodextrin in an aqueous inorganic acid solution is 1 to 4. ベンジルアルコール誘導体とシクロデキストリンを無機酸水溶液に溶解した液体燃料がさらに電解質を含有することを特徴とする請求項11〜16のいずれかに記載の燃料電池用液体燃料。 The liquid fuel for a fuel cell according to any one of claims 11 to 16, wherein the liquid fuel obtained by dissolving a benzyl alcohol derivative and cyclodextrin in an inorganic acid aqueous solution further contains an electrolyte. 液体燃料中のベンジルアルコール誘導体の濃度が0.001〜5モル/リットルであることを特徴とする請求項11〜17のいずれかに記載の燃料電池用液体燃料。 The liquid fuel for a fuel cell according to any one of claims 11 to 17, wherein the concentration of the benzyl alcohol derivative in the liquid fuel is 0.001 to 5 mol / liter. 交換可能なカートリッジ中に貯蔵したことを特徴とする請求項11〜18のいずれかに記載の燃料電池用液体燃料。 The liquid fuel for a fuel cell according to any one of claims 11 to 18, which is stored in a replaceable cartridge.
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