JP2005310612A - Solid fuel cell - Google Patents

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隆人 千葉
Akihiko Takeda
昭彦 竹田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid fuel cell using an electrolyte having high proton conductivity and low methanol permeability, capable of obtaining high current density. <P>SOLUTION: This solid fuel cell has an electrolyte, and negative and positive electrodes provided adjacently to it. The electrolyte contains an organic material with proton conductivity in a hole of a porous film which does not swell with water and methanol, and the porosity of the porous film increases toward the negative electrode side from the positive electrode side. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体燃料電池に関し、さらに詳しくは直接メタノール形固体高分子燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid fuel cell, and more particularly to a direct methanol solid polymer fuel cell.

燃料電池は、水素と酸素を反応させて電気を発生させる発電装置であり、発電反応で水しか生成されないという優れた性質を有しているので、温暖化やオゾン層破壊といった地球環境問題に対処する省エネルギーの技術として注目されている。   A fuel cell is a power generation device that generates electricity by reacting hydrogen and oxygen, and has the excellent property that only water is generated by the power generation reaction, thus addressing global environmental problems such as global warming and ozone layer destruction. It is attracting attention as an energy-saving technology.

燃料電池には固体高分子形燃料電池、りん酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池がある。これらの中でも、固体高分子形燃料電池は、作動温度が低い、電解質が固体(高分子の薄膜)であるという利点がある。固体高分子形燃料電池は、メタノールを改質器を用いて水素に変換する改質型と、改質器を用いずに直接メタノールを使用する直接型(DMFC、Direct Methanol Polymer Fuel Cell)の二つに大別される。DMFCは、改質器が不要であるため、小型、軽量化が可能であり、来るべきユビキタス社会に向けた個人用の携帯情報端末(PDA、Personal Digital Assistance)等の電池や専用バッテリーとして、その実用化が期待されている。   Fuel cells include solid polymer fuel cells, phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, and solid oxide fuel cells. Among these, the polymer electrolyte fuel cell has an advantage that the operating temperature is low and the electrolyte is a solid (polymer thin film). There are two types of polymer electrolyte fuel cells: a reforming type that converts methanol into hydrogen using a reformer, and a direct type that uses methanol directly without using a reformer (DMFC, Direct Methanol Polymer Fuel Cell). It is roughly divided into two. Since DMFC does not require a reformer, it can be reduced in size and weight, and as a battery or dedicated battery for personal digital assistants (PDAs) for the coming ubiquitous society, Practical use is expected.

固体高分子形燃料電池の主な構成要素は、電極触媒、電解質、セパレータである。電解質として、高分子のプロトン伝導性電解質膜を使用する。プロトン伝導性電解質膜は、イオン交換膜や湿度センサー等の用途に用いられているが、近年、固体高分子形燃料電池における電解質としての用途においても注目を集めている。例えば、デュポン社のナフィオン(R)を代表とするスルホン酸基含有フッ素樹脂膜は、携帯用燃料電池における電解質としての利用が検討されている。   The main components of the polymer electrolyte fuel cell are an electrode catalyst, an electrolyte, and a separator. A polymer proton-conducting electrolyte membrane is used as the electrolyte. Proton conductive electrolyte membranes are used for applications such as ion exchange membranes and humidity sensors, but in recent years, they are also attracting attention for applications as electrolytes in polymer electrolyte fuel cells. For example, a sulfonic acid group-containing fluororesin membrane typified by DuPont's Nafion (R) has been studied for use as an electrolyte in portable fuel cells.

従来より知られているこれらのフッ素樹脂系プロトン伝導性膜は、メタノール透過性が大きいという欠点がある。プロトン伝導性膜をDMFC等の固体高分子形燃料電池の新たな用途において実用化を図るには、プロトン伝導性が高く、メタノール透過性が低い膜の開発が不可欠である。   These conventionally known fluororesin proton conductive membranes have a drawback of high methanol permeability. In order to put a proton conductive membrane into practical use in a new application of a polymer electrolyte fuel cell such as DMFC, development of a membrane having high proton conductivity and low methanol permeability is indispensable.

空孔を有する多孔質膜にプロトン伝導性ポリマーを含浸させて、プロトン伝導性膜を得る方法が種々提案されている。   Various methods for obtaining a proton conductive membrane by impregnating a porous membrane having pores with a proton conductive polymer have been proposed.

特許文献1は、メタノールの透過(クロスオーバー)をできるだけ抑制し、かつ高温(摂氏約130度以上)環境下での使用にも耐える電解質膜を提供することを目的に、メタノールおよび水に対して実質的に膨潤しない多孔性基材の細孔に、プロトン伝導性を有するポリマーを充填した電解質膜を開示している。多孔性基材としては、セラミック、ガラス、アルミナ等の無機材料、又はポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド等の耐熱性ポリマーが用いられる。また、これらの材料は、単独で用いても、2種以上を複合材料として用いてもよく、複合材料として用いる場合、その形態は二層以上が積層してなるものであってもよい、と記載されている。実施例では多孔性のフッ素樹脂を用いている。
WO00/54351号パンフレット
Patent Document 1 aims to provide an electrolyte membrane that suppresses methanol permeation (crossover) as much as possible and can withstand use in a high temperature (about 130 degrees Celsius) environment. An electrolyte membrane is disclosed in which pores of a porous substrate that does not substantially swell are filled with a polymer having proton conductivity. As the porous substrate, an inorganic material such as ceramic, glass or alumina, or a heat resistant polymer such as polytetrafluoroethylene or polyimide is used. In addition, these materials may be used alone, or two or more kinds may be used as a composite material. When used as a composite material, the form may be a laminate of two or more layers. Has been described. In the embodiment, a porous fluororesin is used.
WO00 / 54351 pamphlet

プロトン伝導性電解質膜が、固体燃料電池の電解質として実用化に耐えるためには、プロトン伝導性が十分に高いこと及びメタノール透過性が十分に低いことが重要な因子となる。特許文献1に記載の技術は、メタノール透過性の改良及び高温での使用に耐えることに着目したものであるが、プロトン伝導性が十分に高く、メタノール透過性が十分に低いといった両者の性能を満足するには十分でない。   In order for the proton conductive electrolyte membrane to withstand practical use as an electrolyte of a solid fuel cell, it is an important factor that the proton conductivity is sufficiently high and the methanol permeability is sufficiently low. The technique described in Patent Document 1 focuses on improving methanol permeability and enduring use at high temperatures. However, both technologies have sufficiently high proton conductivity and sufficiently low methanol permeability. Not enough to be satisfied.

したがって、本発明の目的は、プロトン伝導性が十分に高く、メタノール透過性が十分に低い電解質膜を用いた大きな電流密度が得られる固体燃料電池を提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to provide a solid fuel cell that can obtain a large current density using an electrolyte membrane having sufficiently high proton conductivity and sufficiently low methanol permeability.

本発明の上記目的は、
1) 電解質とそれに隣接して設けられたカソード極及びアノード極を有する固体燃料電池において、前記電解質は水及びメタノールに対して膨潤しない多孔質膜の空孔にプロトン伝導性有機物質を含有するものであって、前記多孔質膜の空孔率がアノード極側からカソード極側に向かって増大することを特徴とする固体燃料電池、
2) 前記多孔質膜は、アノード極に隣接する多孔質層の空孔率が30〜80%未満であり、カソード極に隣接する多孔質層の空孔率が60〜80%である、複数の多孔質層から形成されることを特徴とする1)記載の固体燃料電池、
3) 前記多孔質膜が無機材料から形成されることを特徴とする1)又は2)に記載の固体燃料電池、
4) 電解質とそれに隣接して設けられたカソード極及びアノード極を有する固体燃料電池において、前記電解質は水及びメタノールに対して膨潤しない多孔質膜の空孔にプロトン伝導性有機物質を含有するものであって、前記多孔質膜の平均空孔径がアノード極側からカソード極側に向かって増大することを特徴とする固体燃料電池、
5) 前記多孔質膜は、アノード極に隣接する多孔質層の平均空孔径が100〜300nm未満であり、カソード極に隣接する多孔質層の平均空孔径が300〜500nmである、複数の多孔質層から形成されることを特徴とする4)記載の固体燃料電池、
6) 前記多孔質膜が無機材料から形成されることを特徴とする4)又は5)に記載の固体燃料電池、
7) 電解質とそれに隣接して設けられたカソード極及びアノード極を有する固体燃料電池において、前記電解質は水及びメタノールに対して膨潤しない多孔質膜の空孔にプロトン伝導性有機物質を含有するものであって、前記多孔質膜の空孔率及び平均空孔径がアノード極側からカソード極側に向かって増大することを特徴とする固体燃料電池、
8) 前記多孔質膜は、アノード極に隣接する多孔質層の空孔率が30〜80%未満、平均空孔径が100〜300nm未満であり、カソード極に隣接する多孔質層の空孔率が60〜80%、平均空孔径が300〜500nmである、複数の多孔質層から形成されることを特徴とする7)記載の固体燃料電池、
9) 前記多孔質膜が無機材料から形成されることを特徴とする7)又は8)に記載の固体燃料電池、
10) 前記固体燃料電池が、直接メタノール形固体高分子燃料電池である1)乃至9)のいずれか1項に記載の固体燃料電池、
によって達成される。
The above object of the present invention is to
1) In a solid fuel cell having an electrolyte and a cathode electrode and an anode electrode provided adjacent to the electrolyte, the electrolyte contains a proton conductive organic substance in pores of a porous membrane that does not swell against water and methanol. A porosity of the porous membrane increases from the anode side toward the cathode side,
2) The porous membrane has a porosity of a porous layer adjacent to the anode electrode of 30 to less than 80% and a porosity of the porous layer adjacent to the cathode electrode of 60 to 80%. 1) The solid fuel cell according to 1), which is formed from a porous layer of
3) The solid fuel cell according to 1) or 2), wherein the porous membrane is formed of an inorganic material.
4) In a solid fuel cell having an electrolyte and a cathode electrode and an anode electrode provided adjacent to the electrolyte, the electrolyte contains a proton conductive organic substance in the pores of a porous membrane that does not swell against water and methanol. The average pore diameter of the porous membrane increases from the anode side toward the cathode side,
5) The porous membrane has a plurality of porous layers in which the average pore diameter of the porous layer adjacent to the anode electrode is less than 100 to 300 nm, and the average pore diameter of the porous layer adjacent to the cathode electrode is 300 to 500 nm. 4) The solid fuel cell according to 4), which is formed from a porous layer,
6) The solid fuel cell according to 4) or 5), wherein the porous membrane is formed of an inorganic material.
7) In a solid fuel cell having an electrolyte and a cathode electrode and an anode electrode provided adjacent thereto, the electrolyte contains a proton-conducting organic substance in the pores of a porous membrane that does not swell against water and methanol. A porosity and an average pore diameter of the porous membrane increase from the anode side toward the cathode side,
8) In the porous membrane, the porosity of the porous layer adjacent to the anode electrode is 30 to less than 80%, the average pore diameter is less than 100 to 300 nm, and the porosity of the porous layer adjacent to the cathode electrode is 7) The solid fuel cell according to 7), wherein the solid fuel cell is formed of a plurality of porous layers having an average pore diameter of 300 to 500 nm.
9) The solid fuel cell according to 7) or 8), wherein the porous membrane is formed of an inorganic material.
10) The solid fuel cell according to any one of 1) to 9), wherein the solid fuel cell is a direct methanol solid polymer fuel cell;
Achieved by:

すなわち、本発明者は、水及びメタノールに対して膨潤しない多孔質膜の空孔にプロトン伝導性有機物質を含有する電解質膜であって、多孔質膜の空孔率ないしは平均空孔径がアノード極側からカソード極側に向かって増大する構成とすることによって、アノード極側の多孔質膜は緻密に、カソード極側はプロトン伝導性有機物質の含有割合が多くなり、プロトン伝導性が十分に高く、メタノール透過性が十分に低い電解質膜が得られ、且つ、このような電解質膜を固体燃料電池の電解質とすることにより、大きな電流密度の電池が得られることを見出し、本発明をなすに至った。   That is, the inventor of the present invention provides an electrolyte membrane containing a proton conductive organic substance in pores of a porous membrane that does not swell with respect to water and methanol, and the porosity or average pore size of the porous membrane is an anode electrode. By making the structure increase from the side toward the cathode side, the porous membrane on the anode side is dense and the content of the proton conductive organic material is increased on the cathode side, so that the proton conductivity is sufficiently high. It has been found that an electrolyte membrane having a sufficiently low methanol permeability can be obtained, and that a battery with a large current density can be obtained by using such an electrolyte membrane as an electrolyte of a solid fuel cell, thereby achieving the present invention. It was.

本発明によれば、プロトン伝導性が十分に高く、メタノール透過性が十分に低い電解質膜を得ることができ、これを固体燃料電池の電解質として用いることにより、大きな電流密度が得られる固体燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, an electrolyte membrane having sufficiently high proton conductivity and sufficiently low methanol permeability can be obtained, and by using this as an electrolyte of a solid fuel cell, a solid fuel cell capable of obtaining a large current density Can be provided.

本発明は、固体燃料電池の電解質として、特定構造の電解質を用いる点に特徴がある。第1の発明にあっては、電解質は水及びメタノールに対して膨潤しない多孔質膜の空孔にプロトン伝導性有機物質を含有するものであって、多孔質膜の空孔率がアノード極側からカソード極側に向かって増大することを特徴とする(請求項1に記載の発明)、第2の発明にあっては、電解質は水及びメタノールに対して膨潤しない多孔質膜の空孔にプロトン伝導性有機物質を含有するものであって、多孔質膜の平均空孔径がアノード極側からカソード極側に向かって増大することを特徴とする(請求項4に記載の発明)、第3の発明にあっては、電解質は水及びメタノールに対して膨潤しない多孔質膜の空孔にプロトン伝導性有機物質を含有するものであって、多孔質膜の空孔率及び平均空孔径がアノード極側からカソード極側に向かって増大することを特徴とする(請求項7に記載の発明)。   The present invention is characterized in that an electrolyte having a specific structure is used as the electrolyte of the solid fuel cell. In the first invention, the electrolyte contains a proton conductive organic substance in the pores of the porous membrane that does not swell with water and methanol, and the porosity of the porous membrane is on the anode side. In the second invention, the electrolyte increases in the pores of the porous membrane that does not swell against water and methanol. A proton-conducting organic substance is contained, and the average pore diameter of the porous membrane increases from the anode side toward the cathode side (the invention according to claim 4). In the invention, the electrolyte contains a proton conductive organic substance in the pores of the porous membrane that does not swell with respect to water and methanol, and the porosity and average pore diameter of the porous membrane are anodes. Increase from the pole side toward the cathode side Characterized by (claim 7).

本発明に係る特定構造の電解質を製造する好ましい実施形態について説明する。   A preferred embodiment for producing an electrolyte having a specific structure according to the present invention will be described.

第1の工程は、空孔率ないしは平均空孔径が厚み方向で勾配を持った多孔質膜を形成する工程である。この工程は、可燃性支持体上に、所望の空孔率ないしは平均空孔径を与える無機微粒子と可燃性有機微粒子を含む分散液の複数層を同時ないしは順次に積層・乾燥し、次いで、焼成する工程を含む。第2の工程は、第1の工程で形成した多孔質膜にプロトン伝導性有機物質を充填させる工程である。   The first step is a step of forming a porous film in which the porosity or average pore diameter has a gradient in the thickness direction. In this step, a plurality of layers of a dispersion liquid containing inorganic fine particles and combustible organic fine particles giving a desired porosity or average pore diameter are laminated or dried simultaneously or sequentially on a combustible support, and then fired. Process. The second step is a step of filling the porous membrane formed in the first step with a proton conductive organic substance.

本発明に係る多孔質膜を形成する工程の用いることができる可燃性支持体としては、濾紙などの紙、不織布などの布、ポリエチレンテレフタレートなどの高分子フィルム等、可燃性であれば任意の素材で形成した支持体を用いることができる。支持体の表面は平滑であることが好ましい。平滑であれば、得られる電解質膜の面も平滑となり、固体高分子形燃料電池の電解質とした場合に、電極と電解質膜との界面での接触が密となる。支持体の表面粗さは特に制限はないが、無機微粒子及び可燃性有機微粒子を含む分散液を積層する面の表面粗さRzが3μm以下であることが好ましい。表面粗さRzは、JISのRz(最大高さ)に相当する十点平均面粗さのことをいい、粗さの曲面から基準面積分だけ抜き取った部分の平均面を基準面として、最高から5番目までの山の標高の平均値と最深から5番目までの谷底の深さの平均値との距離を入力換算したものである。測定には、例えば、東京精密(株)製の触針式の3次元粗さ計(サーフコム570A−3DF)を用いることができる。また、無機微粒子及び可燃性有機微粒子を含む分散液を積層することによる支持体の反り(カール)、たわみなどを防ぐために、分散液を積層する面とは反対側の面に、バッキング層を設けることが好ましい場合もある。   The combustible support that can be used in the step of forming the porous membrane according to the present invention includes paper such as filter paper, cloth such as non-woven fabric, polymer film such as polyethylene terephthalate and the like as long as it is combustible. Can be used. The surface of the support is preferably smooth. If it is smooth, the surface of the obtained electrolyte membrane will also be smooth, and when it is set as the electrolyte of a polymer electrolyte fuel cell, the contact in the interface of an electrode and an electrolyte membrane will become close. The surface roughness of the support is not particularly limited, but the surface roughness Rz of the surface on which the dispersion liquid containing inorganic fine particles and combustible organic fine particles is laminated is preferably 3 μm or less. The surface roughness Rz is the ten-point average surface roughness corresponding to JIS Rz (maximum height), and the average surface of the portion extracted from the surface of the roughness by the reference area is used as the reference surface. This is an input conversion of the distance between the average value of the elevation of the fifth mountain and the average value of the depth of the valley from the deepest to the fifth. For the measurement, for example, a stylus type three-dimensional roughness meter (Surfcom 570A-3DF) manufactured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd. can be used. In addition, a backing layer is provided on the surface opposite to the surface on which the dispersion liquid is laminated in order to prevent warping (curl), deflection, etc. of the support by laminating the dispersion liquid containing inorganic fine particles and combustible organic fine particles. It may be preferable.

無機微粒子としては、シリカ(SiO2)、アルミナ(Al23)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ホウ素(B23)、チタニア(TiO2)等や、Ti、Al、B、Zrの水酸化物が挙げられる。これらは、一種類でもいくつかの種類のものを混合して用いても良い。本発明においては、シリカ(SiO2)が好ましい。また、シリカ(SiO2)の中でも非晶質シリカが好ましく、乾式法、湿式法、エアロゲル法いずれの製法によるものでも良いが、湿式法のコロイダルシリカが最も好ましい。 Examples of the inorganic fine particles include silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), boron oxide (B 2 O 3 ), titania (TiO 2 ), Ti, Al, B, and Zr. The hydroxide is mentioned. These may be used alone or in combination of several kinds. In the present invention, silica (SiO 2 ) is preferable. Of the silica (SiO 2 ), amorphous silica is preferable, and any of a dry method, a wet method, and an airgel method may be used, but wet type colloidal silica is most preferable.

本発明においては、無機微粒子の粒径としては、平均粒径が一次平均粒径で10nm以上のものが好ましく、より好ましくは10〜100nm、さらに好ましくは10〜50nmのものが好ましい。なお、無機微粒子の平均粒径は、走査型電子顕微鏡により観察して、無作為に粒子1,000個の長径を測定し、一次平均粒径を算出する。   In the present invention, the inorganic fine particles preferably have an average particle size of 10 nm or more, more preferably 10 to 100 nm, and still more preferably 10 to 50 nm, as a primary average particle size. The average particle diameter of the inorganic fine particles is observed with a scanning electron microscope, the long diameter of 1,000 particles is randomly measured, and the primary average particle diameter is calculated.

可燃性有機微粒子としては、最終的には燃えて無くなるものであれば任意の素材の有機微粒子を用いることができるが、分散液に用いる分散媒としての溶媒に膨潤しないものが好ましい。本発明においては、分散媒としては安全面の観点から水が好ましいので、可燃性有機微粒子としては、水に溶解ないしは膨潤しない、アクリル樹脂、スチレン樹脂、スチレン/アクリル系樹脂、スチレン/ジビニルベンゼン系樹脂、スチレン/ブタジエン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ウレタン系樹脂、等のポリマービーズを用いることができる。   As the flammable organic fine particles, organic fine particles of any material can be used as long as they are finally burned away, but those that do not swell in the solvent as a dispersion medium used in the dispersion are preferable. In the present invention, water is preferable as the dispersion medium from the viewpoint of safety, and as the flammable organic fine particles, acrylic resin, styrene resin, styrene / acrylic resin, styrene / divinylbenzene type that does not dissolve or swell in water. Polymer beads such as resin, styrene / butadiene resin, polyester resin, and urethane resin can be used.

第1の本発明に係る多孔質膜は、空孔率がアノード極側からカソード極側に向かって増大するものであるが、多孔質膜は複数の多孔質層を積層して作製することができる。この場合、アノード極に隣接する多孔質層の空孔率は概ね20%以上であることが好ましく、プロトン伝導性、メタノール透過性の観点から、特に好ましくは30%〜80%未満である。また、カソード極に隣接する多孔質層の空孔率は80%以下であることが好ましく、プロトン伝導性、メタノール透過性の観点から、特に好ましくは60〜80%である。   The porous film according to the first aspect of the present invention has a porosity that increases from the anode side toward the cathode side, and the porous film can be produced by laminating a plurality of porous layers. it can. In this case, the porosity of the porous layer adjacent to the anode electrode is preferably approximately 20% or more, and particularly preferably 30% to less than 80% from the viewpoint of proton conductivity and methanol permeability. In addition, the porosity of the porous layer adjacent to the cathode electrode is preferably 80% or less, and particularly preferably 60 to 80% from the viewpoint of proton conductivity and methanol permeability.

空孔率は、単位面積当S(cm2)あたりの質量W(g)、平均厚みt(μm)及び密度d(g/cm3)から次式により算出することができる。 The porosity can be calculated from the mass W (g) per unit area S (cm 2 ), the average thickness t (μm), and the density d (g / cm 3 ) by the following equation.

空孔率(%)=(1−(104・W/(S・t・d)))×100
多孔質膜の空孔率は、多孔質膜を作製する際の無機微粒子と可燃性有機微粒子の体積比率にほぼ依存する。例えば、多孔質膜の空孔率を30〜80%未満とするには、無機微粒子を概ね20〜70体積%、可燃性有機微粒子を30〜80体積%の割合(無機微粒子と可燃性有機微粒子の体積の総和を1とする)で調整すればよい。また、空孔率を60〜80%とするには、無機微粒子を概ね20〜40体積%、可燃性有機微粒子を60〜80体積%の割合(無機微粒子と可燃性有機微粒子の体積の総和を1とする)で調整すればよい。
Porosity (%) = (1- (10 4 · W / (S · t · d))) × 100
The porosity of the porous film is almost dependent on the volume ratio of the inorganic fine particles and the combustible organic fine particles when the porous film is produced. For example, in order to set the porosity of the porous film to less than 30 to 80%, the ratio of inorganic fine particles to about 20 to 70% by volume and combustible organic fine particles to 30 to 80% by volume (inorganic fine particles and combustible organic fine particles The total sum of the volumes may be adjusted to 1). In order to adjust the porosity to 60 to 80%, the ratio of inorganic fine particles to 20 to 40% by volume and combustible organic fine particles to 60 to 80% by volume (the sum of the volume of inorganic fine particles and combustible organic fine particles 1).

第2の本発明に係る多孔質膜は、平均空孔径がアノード極側からカソード極側に向かって増大するものであるが、多孔質膜は複数の多孔質層を積層して作製することができる。この場合、アノード極に隣接する多孔質層の平均空孔径は概ね50nm以上であることが好ましく、プロトン伝導性、メタノール透過性の観点から、特に好ましくは100〜300nm未満である。また、カソード極に隣接する多孔質層の平均空孔径は、概ね800nm以下であることが好ましく、プロトン伝導性、メタノール透過性の観点から、特に好ましくは300nm〜500nm以下である。   The porous membrane according to the second aspect of the present invention has an average pore diameter that increases from the anode side toward the cathode side. The porous membrane can be produced by laminating a plurality of porous layers. it can. In this case, the average pore diameter of the porous layer adjacent to the anode electrode is preferably approximately 50 nm or more, and particularly preferably from 100 to less than 300 nm from the viewpoint of proton conductivity and methanol permeability. Further, the average pore diameter of the porous layer adjacent to the cathode electrode is preferably about 800 nm or less, and particularly preferably 300 nm to 500 nm or less from the viewpoint of proton conductivity and methanol permeability.

可燃性有機微粒子の平均粒径は、本発明に係る多孔質膜の平均空孔径に関係する。したがって、所望とする平均空孔径を与える平均粒径を持った可燃性有機微粒子を選択する。本発明に係る多孔質膜は、無機微粒子と可燃性有機微粒子を含む分散液を可燃性支持体上に積層し、焼成する工程を経て形成されるので、無機微粒子同志が固着して薄膜を形成する。薄膜内で、可燃性有機微粒子が占有していた部分が薄膜内で無数の空孔を形成する。この無数の空孔の平均空孔径は、概ね可燃性微粒子の平均粒径に相当する。例えば、可燃性有機微粒子として、平均粒径が83nmのポリスチレン微粒子を用いた場合には平均空孔径は80nm、112nmのポリスチレン微粒子を用いた場合には平均空孔径は110nm、304nmのポリスチレン微粒子を用いた場合には平均空孔径は300nm、464nmのポリスチレン微粒子を用いた場合には平均空孔径は460nmであった。平均空孔径の測定は、島津製作所(株)製ポアサイザー9310を用い、水銀圧入式ポロシメーター法により測定した。測定値は1の位は四捨五入した値である。   The average particle diameter of the combustible organic fine particles is related to the average pore diameter of the porous film according to the present invention. Therefore, combustible organic fine particles having an average particle diameter that gives a desired average pore diameter are selected. The porous film according to the present invention is formed by laminating a dispersion containing inorganic fine particles and flammable organic fine particles on a flammable support and firing it, so that the inorganic fine particles adhere to form a thin film. To do. In the thin film, the portion occupied by the combustible organic fine particles forms innumerable pores in the thin film. The average pore size of these innumerable pores generally corresponds to the average particle size of combustible fine particles. For example, when polystyrene particles having an average particle diameter of 83 nm are used as combustible organic fine particles, polystyrene particles having an average pore diameter of 110 nm and 304 nm are used when polystyrene particles having an average pore diameter of 80 nm and 112 nm are used. In the case where polystyrene fine particles having an average pore diameter of 300 nm and 464 nm were used, the average pore diameter was 460 nm. The average pore diameter was measured by a mercury intrusion porosimeter method using a pore sizer 9310 manufactured by Shimadzu Corporation. The measured values are rounded off to the first decimal place.

第3の本発明に係る多孔質膜は、空孔率及び平均空孔径がアノード極側からカソード極側に向かって増大するものであるが、多孔質膜は複数の多孔質層を積層して作製することができる。この場合、アノード極に隣接する多孔質層の空孔率が概ね20%以上、平均空孔径は概ね50nm以上であることが好ましく、プロトン伝導性、メタノール透過性の観点から、特に好ましくは空孔率が30〜80%未満、平均空孔径が100〜300nm未満である。また、カソード極に隣接する多孔質層の空孔率が80%以下、平均空孔径が概ね800nm以下であることが好ましく、プロトン伝導性、メタノール透過性の観点から、特に好ましくは、空孔率が60〜80%、平均空孔径300nm〜500nm以下である。   The porous membrane according to the third aspect of the present invention has a porosity and an average pore diameter that increase from the anode side toward the cathode side. The porous membrane is formed by laminating a plurality of porous layers. Can be produced. In this case, the porosity of the porous layer adjacent to the anode electrode is preferably about 20% or more, and the average pore diameter is preferably about 50 nm or more. From the viewpoint of proton conductivity and methanol permeability, it is particularly preferable that the porosity is The rate is 30 to less than 80%, and the average pore diameter is 100 to less than 300 nm. Further, the porosity of the porous layer adjacent to the cathode electrode is preferably 80% or less, and the average pore diameter is preferably about 800 nm or less. From the viewpoint of proton conductivity and methanol permeability, the porosity is particularly preferable. Is 60 to 80% and the average pore diameter is 300 nm to 500 nm or less.

次に、本発明に係る無機微粒子及び可燃性有機微粒子を含む分散液の調製方法について説明する。無機微粒子と可燃性有機微粒子の使用割合は上記の通りであるが、固形分濃度として5〜80質量%、好ましくは10〜40質量%となるように調製すればよい。   Next, a method for preparing a dispersion containing inorganic fine particles and combustible organic fine particles according to the present invention will be described. The use ratio of the inorganic fine particles and the combustible organic fine particles is as described above, but the solid content concentration may be 5 to 80% by mass, preferably 10 to 40% by mass.

分散媒としては水系溶媒が好ましい。水系溶媒としては、水及びアルコール類など各種既知のものが使用できるが、水または水を主成分とする混合溶媒が好ましく使用される。   As the dispersion medium, an aqueous solvent is preferable. Various known solvents such as water and alcohols can be used as the aqueous solvent, but water or a mixed solvent containing water as a main component is preferably used.

無機微粒子と可燃性有機微粒子を分散する分散助剤としては、例えば、高級脂肪酸塩、アルキル硫酸塩、アルキルエステル硫酸塩、アルキルスルホン酸塩、スルホコハク酸塩、ナフタレンスルホン酸塩、アルキルリン酸塩、ポリオキシアルキレンアルキルエーテルリン酸塩、ポリオキシアルキレンアルキルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレングリコール、グリセリンエステル、ソルビタンエステル、ポリオキシエチレン脂肪酸アミド、アミンオキシド等の各種の界面活性剤を用いることができる。   Examples of the dispersion aid for dispersing inorganic fine particles and combustible organic fine particles include higher fatty acid salts, alkyl sulfates, alkyl ester sulfates, alkyl sulfonates, sulfosuccinates, naphthalene sulfonates, alkyl phosphates, Various surfactants such as polyoxyalkylene alkyl ether phosphate, polyoxyalkylene alkyl phenyl ether, polyoxyethylene polyoxypropylene glycol, glycerin ester, sorbitan ester, polyoxyethylene fatty acid amide, and amine oxide can be used. .

分散する分散方法としては、例えば、ボールミル、サンドミル、アトライター、ロールミル、アジテータ、ヘンシェルミキサ、コロイドミル、超音波ホモジナイザー、パールミル、湿式ジェットミル、ペイントシェーカー等が挙げられ、これらは単独であるいは適宜組み合わせて用いることができる。   Examples of the dispersion method for dispersion include a ball mill, a sand mill, an attritor, a roll mill, an agitator, a Henschel mixer, a colloid mill, an ultrasonic homogenizer, a pearl mill, a wet jet mill, and a paint shaker. These may be used alone or in appropriate combination. Can be used.

可燃性支持体上に無機微粒子及び可燃性有機微粒子を含む分散液を積層する工程としては、分散液を減圧吸引濾過器を用いてメンブレンフィルタでろ過を行い、ろ紙上に無機微粒子及び可燃性有機微粒子を含む層を堆積させ乾燥する方法、あるいは、分散液を可燃性支持体に塗布して乾燥する方法などがある。   The step of laminating a dispersion containing inorganic fine particles and flammable organic fine particles on a flammable support is carried out by filtering the dispersion with a membrane filter using a vacuum suction filter, and forming inorganic fine particles and flammable organic on the filter paper. There are a method in which a layer containing fine particles is deposited and dried, or a method in which a dispersion is applied to a combustible support and dried.

本発明に係る多孔質膜を複数の多孔質層を積層して製作する方法としては、公知の任意の技術を採用することができる。例えば、可燃性支持体上に所望の空孔率ないしは平均空孔径になるように調整した無機微粒子及び可燃性有機微粒子を含む分散液を順次ないしは同時重層で塗布、乾燥する方法、ろ紙上に所望の空孔率ないしは平均空孔径になるように調整した無機微粒子及び可燃性有機微粒子を含む分散液を順次堆積する方法、等を挙げることができる。   Any known technique can be adopted as a method for producing the porous film according to the present invention by laminating a plurality of porous layers. For example, a method in which a dispersion containing inorganic fine particles and combustible organic fine particles adjusted to have a desired porosity or average pore size on a combustible support is applied sequentially or simultaneously in a multilayer, and dried. And a method of sequentially depositing a dispersion liquid containing inorganic fine particles and combustible organic fine particles adjusted to have a porosity or an average pore size.

本発明においては、無機微粒子及び可燃性有機微粒子を含む分散液を可燃性支持体に塗布する方式が好ましい。塗布方式としては、例えば、ロールコーティング法、ロッドバーコーティング法、エアナイフコーティング法、スプレーコーティング法、カーテン塗布方法、エクストルージョン法等よく知られた塗布方式を採用することができる。   In the present invention, a method of applying a dispersion containing inorganic fine particles and combustible organic fine particles to a combustible support is preferred. As a coating method, for example, a well-known coating method such as a roll coating method, a rod bar coating method, an air knife coating method, a spray coating method, a curtain coating method, or an extrusion method can be employed.

無機微粒子から形成された多孔質膜を形成するには、無機微粒子及び可燃性有機微粒子を含む分散液を積層した可燃性支持体を、窒素雰囲気中で電気炉で加熱処理して焼成する。加熱処理は、例えばケイ化モリブデンといった発熱体を備えた電気炉を用いて行うことができ、1000℃以下、より好ましくは400〜900℃で行われる。加熱のための時間は、目的とする質多孔膜の大きさにより適宜設定することが可能であり、具体的には例えば2時間程度の加熱時間を用いることができる。加熱時間が長すぎると焼結が進行しすぎて、平均空孔径が小さくなるおそれがある。焼成工程の後に冷却するが、この冷却の温度については特に制限はないが、取扱いの容易性といった点では、多孔質膜を室温にまで冷却することが好ましい。多孔質膜を得るための加熱処理における昇温速度および降温速度は、適宜設定することができる。昇温速度及び降温速度の双方について200〜300℃/hとすることが好ましい。   In order to form a porous film formed of inorganic fine particles, a flammable support on which a dispersion containing inorganic fine particles and flammable organic fine particles is laminated is heated in an electric furnace in a nitrogen atmosphere and fired. The heat treatment can be performed using, for example, an electric furnace provided with a heating element such as molybdenum silicide, and is performed at 1000 ° C. or lower, more preferably at 400 to 900 ° C. The time for heating can be set as appropriate depending on the size of the target porous film. Specifically, for example, a heating time of about 2 hours can be used. If the heating time is too long, the sintering proceeds too much and the average pore diameter may be reduced. Although cooling is performed after the firing step, the temperature of this cooling is not particularly limited, but it is preferable to cool the porous film to room temperature in terms of ease of handling. The temperature increase rate and the temperature decrease rate in the heat treatment for obtaining the porous film can be appropriately set. It is preferable to set it as 200-300 degrees C / h about both a temperature increase rate and a temperature decrease rate.

本発明に係る多孔質膜の膜厚は特に制限はないが、概ね500μm以下であり、好ましくは300μm以下、より好ましくは50〜200μmである。   The thickness of the porous membrane according to the present invention is not particularly limited, but is generally about 500 μm or less, preferably 300 μm or less, and more preferably 50 to 200 μm.

以上は、無機微粒子及び可燃性有機微粒子を含む分散液を積層した可燃性支持体を、窒素雰囲気中で電気炉で加熱処理して焼成することにより、多孔質膜を製造する方法について説明した。本発明に係る多孔質膜は、上記製造方法によって得られるものの他に、種々の樹脂からなるものを用いることができる。そのような樹脂として、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂、6,6−ナイロンほか、種々のポリアミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル樹脂、ジメチルフェニレンオキサイド、ポリエーテルエーテルケトン等のポリエーテル樹脂、エチレン、プロピレン等のα−オレフィン、ノルボルネン等の脂環式不飽和炭化素、ブタジエン、イソプレン等の共役ジエン等の(共)重合体、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂や、また、エチレン−プロピレンゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブチルゴム、ノルボルネンゴム等のエラストマーやそれらの水添物等の脂肪族炭化水素樹脂を挙げることができる。   The above has described a method for producing a porous film by burning a flammable support on which a dispersion containing inorganic fine particles and flammable organic fine particles is laminated, in a nitrogen atmosphere by heat treatment in an electric furnace. As the porous membrane according to the present invention, those made of various resins can be used in addition to those obtained by the above production method. Examples of such resins include fluorine resins such as polytetrafluoroethylene, 6,6-nylon, various polyamide resins, polyester resins such as polyethylene terephthalate, polyether resins such as dimethylphenylene oxide and polyether ether ketone, Α-olefins such as ethylene and propylene, alicyclic unsaturated hydrocarbons such as norbornene, (co) polymers such as conjugated dienes such as butadiene and isoprene, such as polyethylene resins, polypropylene resins, and ethylene-propylene rubbers And aliphatic hydrocarbon resins such as elastomers such as butadiene rubber, isoprene rubber, butyl rubber and norbornene rubber, and hydrogenated products thereof.

本発明に係る多孔質膜の空孔にプロトン伝導性有機物質を充填する方法は、特に限定されるものでない。例えば、多孔質膜にプロトン伝導性ポリマー溶液を塗布する方法、多孔質膜をプロトン伝導性ポリマー溶液に浸漬する方法などにより、多孔質膜の空孔にプロトン伝導性有機物質を充填することができる。その際、超音波を使用したり、減圧にすることによりプロトン伝導性有機物質を空孔に充填し易くすることができる。   The method for filling the pores of the porous membrane according to the present invention with the proton conductive organic material is not particularly limited. For example, the pores of the porous membrane can be filled with a proton conductive organic substance by a method of applying a proton conductive polymer solution to the porous membrane or a method of immersing the porous membrane in the proton conductive polymer solution. . At that time, it is possible to easily fill the pores with the proton conductive organic material by using ultrasonic waves or reducing the pressure.

また、重合性のプロトン伝導性有機物質を多孔質膜の空孔に充填させ、In−situ重合することもできる。具体的には、多孔質膜の空孔表面をプラズマ、紫外線、電子線、ガンマ線等のエネルギーにより活性化した後、その表面上にイオン交換基を持つモノマーを接触させ、または塗布し、多孔質膜表面上および空孔内部においてグラフト重合反応を生じさせ、空孔を実質的にプロトン伝導性ポリマーで充填する。あるいは、重合性のプロトン伝導性有機物質を気化させてプラズマ重合を行う、などの方法を行っても良い。また、重合性のプロトン伝導性有機物質に重合開始剤を添加して加熱するなどにより重合することもできる。   Alternatively, in-situ polymerization can be performed by filling the pores of the porous membrane with a polymerizable proton conductive organic substance. Specifically, after the pore surface of the porous film is activated by energy such as plasma, ultraviolet ray, electron beam, gamma ray, etc., a monomer having an ion exchange group is contacted or coated on the surface, and the porous surface A graft polymerization reaction is caused on the membrane surface and inside the pores, and the pores are substantially filled with a proton conducting polymer. Alternatively, a method of vaporizing a polymerizable proton conductive organic material and performing plasma polymerization may be performed. Moreover, it can also superpose | polymerize by adding a polymerization initiator to a polymerizable proton conductive organic substance and heating.

プロトン伝導性有機物質としては、プロトン伝導性を有するモノマーやポリマーが用いられる。酸素の溶解性および拡散性に優れたプロトン伝導性モノマーとしては、例えばトリフルオロメタンスルホン酸、テトラフルオロエタンジスルホン酸等のフッ素化スルホン酸の誘導体、(HO)2OP(CF2)PO(OH)2、(HO)2OP(CF22PO(OH)2等のフッ素化二リン酸の誘導体、(CF3SO2CH2SO2CF2CF22、CF3SO2NHSO249等のフッ素化スルホニル酸の誘導体が挙げられる。また、同様な性質を有するプロトン伝導性ポリマーとしては、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂等が挙げられる。ナフィオン112(商品名、デュポン社製)、ナフィオン117(商品名、デュポン社製)やDOW膜(商品名、ダウ・ケミカル社製)等として入手できる。 As the proton conductive organic substance, a monomer or polymer having proton conductivity is used. Examples of proton conductive monomers excellent in oxygen solubility and diffusibility include fluorinated sulfonic acid derivatives such as trifluoromethanesulfonic acid and tetrafluoroethanedisulfonic acid, (HO) 2 OP (CF 2 ) PO (OH) 2 , (HO) 2 OP (CF 2 ) 2 PO (OH) 2 and other fluorinated diphosphate derivatives, (CF 3 SO 2 CH 2 SO 2 CF 2 CF 2 ) 2 , CF 3 SO 2 NHSO 2 C And derivatives of fluorinated sulfonyl acids such as 4 F 9 . Examples of the proton conductive polymer having similar properties include ion exchange resins having an organic fluorine-containing polymer as a skeleton, such as perfluorocarbon sulfonic acid resins. It can be obtained as Nafion 112 (trade name, manufactured by DuPont), Nafion 117 (trade name, manufactured by DuPont) or DOW membrane (trade name, manufactured by Dow Chemical).

その他にスルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレン等のスルホアルキル化プラスチック系電解質等が有る。なお、これらの電解質材料のスルホン酸当量としては0.5〜2.0ミリ当量/g乾燥樹脂程度、好ましくは0.7〜1.6ミリ当量/g乾燥樹脂である。スルホン酸当量が0.5ミリ当量/g乾燥樹脂より小さい場合はイオン伝導抵抗が大きくなり、2.0ミリ当量/g乾燥樹脂より大きい場合には水に溶解しやすくなる。   In addition, sulfonated polyether ketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfone, sulfonated polysulfide, sulfonated polyphenylene and other sulfonated plastic electrolytes, sulfoalkylated polyetheretherketone, sulfoalkyl There are sulfoalkylated plastic electrolytes such as sulfonated polyethersulfone, sulfoalkylated polyetherethersulfone, sulfoalkylated polysulfone, sulfoalkylated polysulfide, and sulfoalkylated polyphenylene. The sulfonic acid equivalent of these electrolyte materials is about 0.5 to 2.0 meq / g dry resin, preferably 0.7 to 1.6 meq / g dry resin. When the sulfonic acid equivalent is less than 0.5 meq / g dry resin, the ionic conduction resistance increases, and when it is greater than 2.0 meq / g dry resin, it becomes easier to dissolve in water.

また、フッ素系電解質材料として、例えば、
一般式 CF2=CF−(OCF2CFX)m−Oq−(CF2)n−A
(式中、m=0〜3、n=0〜12、q=0又は1、X=F又はCF3、A=スルホン酸型官能基)で表されるフロロビニル化合物とテトラフロロエチレン、ヘキサフロロプロピレン、クロロトリフロロエチレン又はパーフロロアルキルビニルエーテルの如きパーフロロオレフィンとの共重合体が挙げられる。フロロビニル化合物の好ましい例としては、例えば、CF2=CFO(CF2)aSO2F、CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)aSO2F、CF2=CF(CF2)bSO2F、CF2=CF(OCF2CF(CF3))cO(CF22SO2F(ここに、a=1〜8、b=0〜8、c=1〜5の整数)を用いることもできる。
Moreover, as a fluorine-type electrolyte material, for example,
Formula CF 2 = CF- (OCF 2 CFX ) m-Oq- (CF 2) n-A
(Wherein, m = 0 to 3, n = 0 to 12, q = 0 or 1, X = F or CF 3 , A = sulfonic acid type functional group), tetrafluoroethylene, hexafluoro And copolymers with perfluoroolefins such as propylene, chlorotrifluoroethylene or perfluoroalkyl vinyl ether. Preferable examples of the fluorovinyl compound include, for example, CF 2 ═CFO (CF 2 ) aSO 2 F, CF 2 ═CFOCF 2 CF (CF 3 ) O (CF 2 ) aSO 2 F, CF 2 ═CF (CF 2 ) bSO 2 F, CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3 )) cO (CF 2 ) 2 SO 2 F (where a = 1 to 8, b = 0 to 8, c = 1 to 5) It can also be used.

本発明に係る電解質膜の平均膜厚は、特に制限はないが、通常は500μm以下であり、好ましくは300μm以下、より好ましくは50〜200μmである。膜厚は1/10000シックネスゲージで測定できる。平均膜厚は任意の箇所を5点を測定し、その平均を算出することにより求めることができる。   The average film thickness of the electrolyte membrane according to the present invention is not particularly limited, but is usually 500 μm or less, preferably 300 μm or less, more preferably 50 to 200 μm. The film thickness can be measured with a 1/10000 thickness gauge. The average film thickness can be obtained by measuring five points at arbitrary locations and calculating the average.

本発明に係る電解質膜はメタノール燃料電池に用いることができる。特に直接メタノール形固体高分子燃料電池に好ましく用いることができる。   The electrolyte membrane according to the present invention can be used in a methanol fuel cell. In particular, it can be preferably used for a direct methanol solid polymer fuel cell.

次に、直接メタノール形固体高分子燃料電池について、図1を参照して説明する。図1は、本発明に係る電解質膜を電解質膜して用いた直接メタノール形固体高分子燃料電池の一実施形態を示す概略図である。   Next, a direct methanol solid polymer fuel cell will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of a direct methanol solid polymer fuel cell using an electrolyte membrane according to the present invention as an electrolyte membrane.

図1において、それぞれ符号1は電解質(符号12で示すアノード極側の多孔質層と符号13で示すカソード極側の多孔質層と符号11で示す中間多孔質層の3層で構成)、符号2はアノード極(燃料極)、符号3はカソード極(空気極)、符号4は外部回路を表す。燃料としては、メタノール水溶液を用いる。   In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an electrolyte (consisting of three layers: a porous layer on the anode electrode side indicated by reference numeral 12, a porous layer on the cathode electrode side indicated by reference numeral 13, and an intermediate porous layer indicated by reference numeral 11). 2 represents an anode electrode (fuel electrode), 3 represents a cathode electrode (air electrode), and 4 represents an external circuit. As the fuel, an aqueous methanol solution is used.

アノード極2では、メタノールは水と反応して二酸化炭素と水素イオン(H+)を生成して電子(e-)を放出する。水素イオン(H+)は、電解質1を通ってカソード極3に向い、電子(e-)は外部回路4に流れる。一方、二酸化炭素を含むメタノール成分が減少した水溶液A′は系外に排出される。アノード極2での反応は下記式で表される。 At the anode 2, methanol reacts with water to generate carbon dioxide and hydrogen ions (H + ) and release electrons (e ). Hydrogen ions (H + ) pass through the electrolyte 1 toward the cathode electrode 3, and electrons (e ) flow to the external circuit 4. On the other hand, the aqueous solution A ′ in which the methanol component containing carbon dioxide is reduced is discharged out of the system. The reaction at the anode 2 is represented by the following formula.

CH3OH+H2O → CO2+6H++6e-
カソード極3では、空気B中の酸素と電解質1を通ってきた水素イオン(H+)と外部回路4からきた電子(e-)とが反応して水を生成する。一方、水を含む酸素が減少した空気B′は系外に排出される。カソード極3での反応は下記式で表される。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e
At the cathode 3, oxygen in the air B, hydrogen ions (H + ) that have passed through the electrolyte 1, and electrons (e ) from the external circuit 4 react to generate water. On the other hand, the air B ′ in which oxygen containing water is reduced is discharged out of the system. The reaction at the cathode electrode 3 is represented by the following formula.

3/2O2+6H++6e- → 3H2
燃料電池の全体の反応としては次式のようになる。
3 / 2O 2 + 6H + + 6e → 3H 2 O
The overall reaction of the fuel cell is as follows:

CH3OH+3/2O2 → CO2+2H2
アノード極2の構造は従来から知られている構造とすることができる。例えば、電解質1側から触媒層及び触媒層を支持する支持体から構成される。また、カソード極3の構造も従来から知られている構造とすることができる。例えば、電解質1側から触媒層及び触媒層を支持する支持体から構成される。
CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
The structure of the anode 2 can be a conventionally known structure. For example, it is comprised from the support body which supports a catalyst layer and a catalyst layer from the electrolyte 1 side. The structure of the cathode electrode 3 can also be a conventionally known structure. For example, it is comprised from the support body which supports a catalyst layer and a catalyst layer from the electrolyte 1 side.

アノード極2及びカソード極3の触媒としては、公知の触媒を用いることができる。例えば、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、金などの貴金属触媒、また、白金−ルテニウム、鉄ーニッケルーコバルト−モリブデン−白金などの合金が用いられる。   As the catalyst for the anode electrode 2 and the cathode electrode 3, known catalysts can be used. For example, a noble metal catalyst such as platinum, palladium, ruthenium, iridium, or gold, or an alloy such as platinum-ruthenium, iron-nickel-cobalt-molybdenum-platinum, or the like is used.

触媒層は導電性を改善する目的で電子伝導体(導電材)材料を含むことが好ましい。電子伝導体(導電材)としては、特に限定されるものではないが、電子伝導性と耐触性の点から無機導電性物質が好ましく用いられる。なかでも、カーボンブラック、黒鉛質や炭素質の炭素材、あるいは金属や半金属が挙げられる。ここで、炭素材としては、チャネルブラック、サーマルブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが、電子伝導性と比表面積の大きさの点から好ましく用いられる。特に、白金担持カーボンなどのように、触媒を担持した電子伝導体(導電材)として用いられる。   The catalyst layer preferably contains an electron conductor (conductive material) material for the purpose of improving conductivity. The electron conductor (conductive material) is not particularly limited, but an inorganic conductive material is preferably used from the viewpoints of electron conductivity and touch resistance. Among these, carbon black, graphite or carbonaceous carbon material, metal or metalloid can be mentioned. Here, as the carbon material, carbon black such as channel black, thermal black, furnace black, and acetylene black is preferably used from the viewpoint of electron conductivity and specific surface area. In particular, it is used as an electron conductor (conductive material) carrying a catalyst, such as platinum-carrying carbon.

触媒層を支持する支持体、すなわち、電極基材としては、電気抵抗が低く、集電を行えるものであれば、特に限定されることなく用いることが可能である。電極基材の構成材としては、例えば、導電性物質を主とするものが挙げられ、この導電性物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材、前述のナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等が挙げられる。   The support that supports the catalyst layer, that is, the electrode base material, can be used without particular limitation as long as it has a low electrical resistance and can collect current. Examples of the constituent material of the electrode base material include those mainly composed of a conductive substance. Examples of the conductive substance include a fired body from polyacrylonitrile, a fired body from pitch, and carbon such as graphite and expanded graphite. Examples include raw materials, the aforementioned nanocarbon materials, stainless steel, molybdenum, and titanium.

電極基材の導電性無機物質の形態は特に限定されず、例えば繊維状或いは粒子状で用いられるが、ガス透過性の点から繊維状導電性無機物質(無機導電性繊維)、特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた電極基材としては、織布或いは不織布いずれの構造も使用可能である。例えば、東レ(株)製カーボンペーパーTGPシリーズ、SOシリーズ、E−TEK社製カーボンクロスなどが用いられる。織布としては、平織、斜文織、朱子織、紋織、綴織など、特に限定されること無く用いられる。また、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、スパンボンド法、ウォータージェットパンチ法、メルトブロー法によるもの等、特に限定されること無く用いられる。また編物であっても構わない。これらの布帛において、特に炭素繊維を用いた場合、耐炎化紡績糸を用いた平織物を炭化或いは黒鉛化した織布、耐炎化糸をニードルパンチ法やウォータージェットパンチ法等による不織布加工した後に炭化あるいは黒鉛化した不織布、耐炎化糸或いは炭化糸或いは黒鉛化糸を用いた抄紙法によるマット不織布等が好ましく用いられる。特に、薄く強度のある布帛が得られる点から不織布を用いるのが好ましい。また、カーボンナノファイバ等を用いることも有効である(特開2003−109618号公報参照)。   The form of the conductive inorganic substance of the electrode base material is not particularly limited, and for example, it is used in the form of fibers or particles. From the viewpoint of gas permeability, fibrous conductive inorganic substances (inorganic conductive fibers), particularly carbon fibers are used. preferable. As an electrode base material using inorganic conductive fibers, either a woven fabric or a non-woven fabric structure can be used. For example, carbon paper TGP series, SO series manufactured by Toray Industries, Inc., carbon cloth manufactured by E-TEK, etc. are used. As the woven fabric, a plain weave, a twill weave, a satin weave, a crest weave, a binding weave and the like are used without particular limitation. The nonwoven fabric is not particularly limited, and may be a papermaking method, a needle punch method, a spun bond method, a water jet punch method, a melt blow method, or the like. It may be a knitted fabric. In particular, when carbon fibers are used in these fabrics, carbonized plain fabric using flame-resistant spun yarn is carbonized or graphitized, and flame-resistant yarn is carbonized after being processed into a nonwoven fabric by the needle punch method or water jet punch method. Alternatively, a graphitized nonwoven fabric, a flame-resistant yarn, a carbonized yarn, or a mat nonwoven fabric by a paper making method using a graphitized yarn is preferably used. In particular, it is preferable to use a non-woven fabric because a thin and strong fabric can be obtained. It is also effective to use carbon nanofibers or the like (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-109618).

電極基材として炭素繊維からなる無機導電性繊維を用いた場合、炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維等が挙げられる。なかでも、PAN系炭素繊維が好ましい。   When inorganic conductive fibers made of carbon fibers are used as the electrode substrate, examples of the carbon fibers include polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fibers, phenol-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, and rayon-based carbon fibers. Of these, PAN-based carbon fibers are preferable.

導電性無機粒子としては、SiO2、ZrO2、B23、TiO2、Al23及び、場合によりTi、Al、B及びZrの水酸化物、そしてそれらの任意組み合わせが挙げられ、SiO2が好ましい。 Examples of the conductive inorganic particles include SiO 2 , ZrO 2 , B 2 O 3 , TiO 2 , Al 2 O 3, and optionally hydroxides of Ti, Al, B and Zr, and any combination thereof. SiO 2 is preferred.

固体高分子電解質膜と電極とを接合して膜−電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を製造する方法としては、例えば、カーボン粒子に担持させた白金触媒粉をポリテトラフロロエチレン懸濁液と混合し、カーボンペーパーに塗布し、熱処理して触媒層を形成後、電解質膜と同一の電解質溶液を触媒層に塗布し、電解質膜とホットプレスして一体化する方法が有る。この他、電解質膜と同一の電解質溶液を、予め白金触媒粉にコーティングする方法、触媒ペーストを電解質膜へ塗布する方法、電解質膜に電極を無電解鍍金する方法、電解質膜に白金属の金属錯イオンを吸着させた後、還元する方法等がある。   As a method for producing a membrane-electrode assembly (MEA) by joining a solid polymer electrolyte membrane and an electrode, for example, a polytetrafluoroethylene suspension of platinum catalyst powder supported on carbon particles is used. There is a method in which a catalyst layer is formed by mixing with a carbon paper, heat-treating to form a catalyst layer, and then applying the same electrolyte solution as the electrolyte membrane to the catalyst layer, and hot pressing with the electrolyte membrane for integration. In addition, a method in which the same electrolyte solution as the electrolyte membrane is coated on platinum catalyst powder in advance, a method in which a catalyst paste is applied to the electrolyte membrane, a method in which an electrode is electrolessly plated on the electrolyte membrane, and a metal complex of white metal on the electrolyte membrane. There is a method of reducing ions after adsorbing them.

以上の様にして作製した電解質膜と電極との接合体の外側に、燃料流路と酸化剤流路を形成する溝が形成された集電体としての燃料配流板(セパレータ)と、酸化剤配流板(セパレータ)とを配したものを単セルとし、この単セルを複数個、冷却板等を介して積層することにより、燃料電池が構成される。セパレータは集電機能を備えていても良い。   A fuel distribution plate (separator) as a current collector in which grooves for forming a fuel flow path and an oxidant flow path are formed outside the joined body of the electrolyte membrane and the electrode produced as described above, and an oxidant A fuel cell is formed by stacking a plurality of single cells via a cooling plate or the like, with a single cell provided with a flow distribution plate (separator). The separator may have a current collecting function.

本発明の燃料電池に採用できる燃料としては、水素ガス、メタノール、エタノール、1−プロパノール、ジメチルエーテル、アンモニア等が挙げられるが、メタノールが好ましい。   Examples of the fuel that can be used in the fuel cell of the present invention include hydrogen gas, methanol, ethanol, 1-propanol, dimethyl ether, ammonia, and the like, and methanol is preferable.

以下、実施例により本発明の燃料電池について更に詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Hereinafter, the fuel cell of the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.

(実施例1)
《プロトン伝導性電解質膜の製造》
〈多孔質膜の作製〉
(多孔質膜No.1の作製)
ポリスチレン微粒子(Seradyn社製、平均粒径474nm)とコロイダルシリカ(商品名:スノーテックス10、日産化学社製、平均粒径20nm)の混合物(ポリスチレン微粒子25体積%、コロイダルシリカ75体積%)を希薄界面活性剤水溶液中に高速ホモジナイザーを用いて撹拌、分散させた。分散液の濃度は30質量%となるように調整した(第1層塗布液という)。第1層塗布液を、表面粗さRzが1μmのポリエチレンテレフタレート支持体上に、ドクターブレードを用いて乾燥膜厚が60μmとなるように塗布した(第1層という)。
(Example 1)
<Manufacture of proton conductive electrolyte membrane>
<Preparation of porous membrane>
(Preparation of porous membrane No. 1)
Dilute a mixture of polystyrene fine particles (made by Seradyn, average particle size 474 nm) and colloidal silica (trade name: Snowtex 10, Nissan Chemical Co., average particle size 20 nm) (polystyrene fine particles 25% by volume, colloidal silica 75% by volume). The mixture was stirred and dispersed in an aqueous surfactant solution using a high-speed homogenizer. The concentration of the dispersion was adjusted to 30% by mass (referred to as the first layer coating solution). The first layer coating solution was applied on a polyethylene terephthalate support having a surface roughness Rz of 1 μm using a doctor blade so that the dry film thickness was 60 μm (referred to as the first layer).

次いで、ポリスチレン微粒子(Seradyn社製、平均粒径474nm)とコロイダルシリカ(商品名:スノーテックス10、日産化学社製、平均粒径20nm)の混合物(ポリスチレン微粒子35体積%、コロイダルシリカ65体積%)を希薄界面活性剤水溶液中に高速ホモジナイザーを用いて撹拌、分散させた。分散液の濃度は30質量%となるように調整した(第2層塗布液という)。第2層塗布液を、第1層上にドクターブレードを用いて乾燥膜厚が60μmとなるように塗布した(第2層という)。   Next, a mixture of polystyrene fine particles (manufactured by Seradyn, average particle size 474 nm) and colloidal silica (trade name: Snowtex 10, Nissan Chemical Co., average particle size 20 nm) (polystyrene fine particles 35% by volume, colloidal silica 65% by volume) Was stirred and dispersed in a dilute surfactant aqueous solution using a high-speed homogenizer. The concentration of the dispersion was adjusted to be 30% by mass (referred to as the second layer coating solution). The second layer coating solution was applied on the first layer using a doctor blade so that the dry film thickness was 60 μm (referred to as the second layer).

さらに、ポリスチレン微粒子(Seradyn社製、平均粒径474nm)とコロイダルシリカ(商品名:スノーテックス10、日産化学社製、平均粒径20nm)の混合物(ポリスチレン微粒子50体積%、コロイダルシリカ50体積%)を希薄界面活性剤水溶液中に高速ホモジナイザーを用いて撹拌、分散させた。分散液の濃度は30質量%となるように調整した(第3層塗布液という)。第3層塗布液を、第2層上にドクターブレードを用いて乾燥膜厚が60μmとなるように塗布した(第3層という)。   Further, a mixture of polystyrene fine particles (made by Seradyn, average particle size 474 nm) and colloidal silica (trade name: Snowtex 10, manufactured by Nissan Chemical Industries, average particle size 20 nm) (polystyrene fine particles 50 vol%, colloidal silica 50 vol%) Was stirred and dispersed in a dilute surfactant aqueous solution using a high-speed homogenizer. The concentration of the dispersion was adjusted to be 30% by mass (referred to as the third layer coating solution). The third layer coating solution was applied on the second layer using a doctor blade so that the dry film thickness was 60 μm (referred to as the third layer).

支持体上に第1層〜第3層を積層した試料を、昇温速度を200℃/hに設定した電気炉で、800℃で約1時間に亘って焼成し、膜厚180μmの多孔質膜を得た(多孔質膜No.1)。   A sample in which the first to third layers are laminated on a support is baked at 800 ° C. for about 1 hour in an electric furnace set at a heating rate of 200 ° C./h, and is porous with a film thickness of 180 μm. A membrane was obtained (porous membrane No. 1).

(多孔質膜No.2〜6の作製)
多孔質膜No.1の作製において、第1層塗布液〜第3層塗布液のポリスチレン微粒子及びコロイダルシリカを表1に記載のように代えた以外は、多孔質膜No.1の作製と同様にして多孔質膜No.2〜6を作製した。
(Preparation of porous membrane No. 2-6)
Porous membrane no. 1 except that the polystyrene fine particles and the colloidal silica in the first layer coating solution to the third layer coating solution were replaced as shown in Table 1. 1 in the same manner as in the preparation of No. 1 2-6 were produced.

Figure 2005310612
Figure 2005310612

(多孔質膜No.7の作製)
ポリスチレン微粒子(Seradyn社製、平均粒径474nm)とコロイダルシリカ(商品名:スノーテックス10、日産化学社製、平均粒径20nm)の混合物(ポリスチレン微粒子30体積%、コロイダルシリカ70体積%)を希薄界面活性剤水溶液中に高速ホモジナイザーを用いて撹拌、分散させた。分散液の濃度は30質量%となるように調整し、表面粗さRzが1μmのポリエチレンテレフタレート支持体上に、ドクターブレードを用いて乾燥膜厚が180μmとなるように塗布した。その後、昇温速度を200℃/hに設定した電気炉で、800℃で約1時間に亘って焼成し、膜厚180μmの多孔質膜を得た(多孔質膜No.7)。
(Preparation of porous membrane No. 7)
Dilute a mixture of polystyrene fine particles (made by Seradyn, average particle size 474 nm) and colloidal silica (trade name: Snowtex 10, manufactured by Nissan Chemical Industries, average particle size 20 nm) (polystyrene fine particles 30% by volume, colloidal silica 70% by volume). The mixture was stirred and dispersed in an aqueous surfactant solution using a high-speed homogenizer. The concentration of the dispersion was adjusted to 30% by mass, and applied to a polyethylene terephthalate support having a surface roughness Rz of 1 μm using a doctor blade so that the dry film thickness was 180 μm. Then, it baked for about 1 hour at 800 degreeC with the electric furnace which set the temperature increase rate to 200 degrees C / h, and obtained the porous film with a film thickness of 180 micrometers (porous film No. 7).

多孔質膜No.1〜7の平均空孔径及び空孔率を表2に記した。   Porous membrane no. Table 2 shows the average pore diameter and porosity of 1-7.

空孔率は、単位面積当S(cm2)あたりの質量W(g)、平均厚みt(μm)及び密度d(g/cm3)から次式により算出した。1の位は四捨五入した。 The porosity was calculated from the mass W (g) per unit area S (cm 2 ), the average thickness t (μm), and the density d (g / cm 3 ) by the following formula. The 1's place is rounded off.

空孔率(%)=(1−(104・W/(S・t・d)))×100
平均空孔径の測定は、島津製作所(株)製ポアサイザー9310を用い、水銀圧入式ポロシメーター法により測定した。測定値は1の位は四捨五入した。
Porosity (%) = (1- (10 4 · W / (S · t · d))) × 100
The average pore diameter was measured by a mercury intrusion porosimeter method using a pore sizer 9310 manufactured by Shimadzu Corporation. The measured value is rounded off to the first decimal place.

Figure 2005310612
Figure 2005310612

〈プロトン伝導性電解質膜の作製〉
上記で作製した多孔質膜No.1〜7のそれぞれに、下記の方法でプロトン伝導性有機物質を充填し、プロトン伝導性電解質膜(プロトン伝導性電解質膜No.1〜7)を作製した。
<Preparation of proton conductive electrolyte membrane>
Porous membrane No. produced above. Each of 1 to 7 was filled with a proton conductive organic material by the following method to produce proton conductive electrolyte membranes (proton conductive electrolyte membranes Nos. 1 to 7).

イソプロピルアルコール:水==4:1中にモノマ−として2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸と架橋剤としてN,N’メチレン−ビスアクリルアミドと重合開始剤としてAIBN(N,N’−アゾビスイソバレロニトリル)を質量比で100:20:1となるよう混合し、混合液の中に多孔質膜を浸漬させた。この状態でゆっくり加熱し60℃で2時間保温し、更にゆっくり加熱し80℃で2時間保温した。この操作を3回繰り返し、プロトン伝導性電解質膜を作製した。プロトン伝導性電解質膜の平均膜厚は180μmであった。平均膜厚は1/10000シックネスゲージで任意の箇所を5点測定し、その平均を算出して求めた。また、コントロールとして膜厚180μmのナフィオン117(デュポン社製)も用意した。   In isopropyl alcohol: water == 4: 1, 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid as a monomer, N, N′methylene-bisacrylamide as a crosslinking agent, and AIBN (N, N′-azobis as a polymerization initiator) Isovaleronitrile) was mixed at a mass ratio of 100: 20: 1, and the porous membrane was immersed in the mixed solution. In this state, the mixture was slowly heated and kept at 60 ° C. for 2 hours, further slowly heated and kept at 80 ° C. for 2 hours. This operation was repeated three times to produce a proton conductive electrolyte membrane. The average film thickness of the proton conductive electrolyte membrane was 180 μm. The average film thickness was obtained by measuring five arbitrary points with a 1/10000 thickness gauge and calculating the average. As a control, Nafion 117 (manufactured by DuPont) having a film thickness of 180 μm was also prepared.

《評価》
〈メタノール透過性〉
図2に示すH型セルにプロトン伝導性電解質膜を挟み、Aセルに入れた0.1Mの硫酸を含む2Mメタノール水溶液からBセルの純水中に透過してくるメタノールの透過係数を70℃で測定した。
<Evaluation>
<Methanol permeability>
A proton conductive electrolyte membrane is sandwiched between the H-type cell shown in FIG. 2, and the permeability coefficient of methanol permeating into the pure water of the B cell from the 2M methanol aqueous solution containing 0.1 M sulfuric acid in the A cell is 70 ° C. Measured with

試料としては、プロトン伝導性電解質膜No.1〜6の第1層をAセル側に、第3層をBセル側に配置した試料を、それぞれ試料No.1〜6とした。また、プロトン伝導性電解質膜No.1〜6の第3層をAセル側に、第1層をBセル側に配置した試料を、それぞれ比較試料No.1〜6とした。プロトン伝導性電解質膜No.7は比較試料No.7とし、また、ナフィオン117をコントロール試料とした。   As a sample, proton conductive electrolyte membrane No. Samples in which the first layers 1 to 6 are arranged on the A cell side and the third layer on the B cell side are designated as sample Nos. 1-6. In addition, proton conductive electrolyte membrane No. Samples having the third layers 1 to 6 on the A cell side and the first layer on the B cell side were respectively referred to as comparative sample Nos. 1-6. Proton conductive electrolyte membrane No. 7 is a comparative sample No. 7 and Nafion 117 was used as a control sample.

結果を表3に示す。   The results are shown in Table 3.

Figure 2005310612
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表3の結果から、本発明に係る試料はメタノール透過性が改良されていることがわかる。特に、多孔質膜の空孔率及び平均空孔径がアノード極側からカソード極側に向かって増大するように構成した多孔質膜から作製したプロトン伝導性電解質膜である試料5及び6はメタノール透過性が飛躍的に改良されていることがわかる。   From the results in Table 3, it can be seen that the sample according to the present invention has improved methanol permeability. In particular, Samples 5 and 6, which are proton-conducting electrolyte membranes made from a porous membrane constructed such that the porosity and average pore diameter of the porous membrane increase from the anode side toward the cathode side, are permeated with methanol. It can be seen that the sex is dramatically improved.

(実施例2)
実施例1で作製したプロトン伝導性電解質膜(電解質膜No.1〜7)及びナフィオン117を用いて膜−電極接合体(MEA)を下記の方法で作製した。
(Example 2)
Using the proton conductive electrolyte membrane (electrolyte membrane Nos. 1 to 7) and Nafion 117 produced in Example 1, a membrane-electrode assembly (MEA) was produced by the following method.

〈電極の作製〉
炭素繊維クロス基材に20%ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)撥水処理を行ったのち、PTFEを20質量%含むカーボンブラック分散液を塗工した後、350℃で加熱して電極基材を作製した。この電極基材上に、Pt−Ru担持カーボンとナフィオン(デュポン社製)溶液からなるアノード極触媒塗液を塗工、乾燥してアノード極を、また、Pt担持カーボンとナフィオン(デュポン社製)溶液からなるカソード極触媒塗液を塗工、乾燥してカソード極を作製した。
<Production of electrode>
After carbon fiber cloth substrate is treated with 20% polytetrafluoroethylene (PTFE) for water repellency, a carbon black dispersion containing 20% by mass of PTFE is applied and heated at 350 ° C. to produce an electrode substrate. did. On this electrode substrate, an anode electrode catalyst coating solution composed of a Pt—Ru-supported carbon and Nafion (DuPont) solution is applied and dried to form an anode electrode, and Pt-supported carbon and Nafion (DuPont). The cathode electrode catalyst coating solution comprising a solution was applied and dried to prepare a cathode electrode.

〈膜−電極接合体(MEA)の作製〉
実施例1で作製したプロトン伝導性電解質膜(電解質膜No.1〜7)及びナフィオン117を、それぞれアノード極とカソード極で夾持し加熱プレスすることで膜−電極複合体(MEA)を作製した。
<Production of membrane-electrode assembly (MEA)>
A membrane-electrode assembly (MEA) is produced by holding the proton conductive electrolyte membrane (electrolyte membrane Nos. 1 to 7) and Nafion 117 produced in Example 1 between the anode electrode and the cathode electrode and heating and pressing. did.

プロトン伝導性電解質膜No.1〜6の第1層をアノード極側に、第3層をカソード極側に配置した試料を、それぞれMEANo.1〜6とした。また、プロトン伝導性電解質膜No.1〜6の第3層をアノード極側に、第1層をカソード極側に配置した試料を、それぞれ比較MEANo.比較1〜比較6とした。プロトン伝導性電解質膜No.7はMEANo.比較7とし、また、ナフィオン117をコントロール試料とした。   Proton conductive electrolyte membrane No. Samples in which the first layers 1 to 6 are arranged on the anode electrode side and the third layer on the cathode electrode side are respectively MEANo. 1-6. In addition, proton conductive electrolyte membrane No. Samples in which the third layers 1 to 6 are arranged on the anode electrode side and the first layer on the cathode electrode side are respectively referred to as comparative MEA Nos. It was set as Comparative 1 to Comparative 6. Proton conductive electrolyte membrane No. 7 is MEANo. Comparative 7 was used, and Nafion 117 was used as a control sample.

表4に、MEAの各試料において使用した多孔質膜の空孔率、平均空孔径の値を示した。   Table 4 shows the values of the porosity and average pore diameter of the porous membrane used in each sample of MEA.

Figure 2005310612
Figure 2005310612

《評価》
〈電流電圧特性及び直列抵抗成分〉
各MEA試料をセパレータに挟みアノード極側に2Mメタノール水溶液、カソード極側に空気を流して燃料電池を70℃で作動し、電流電圧特性および膜抵抗(直列抵抗成分)をインピーダンスメータKFM2030(菊水電子工業)を用いて評価を行った。電圧0.4Vでの電流密度及び直列抵抗成分の結果を表5に示す。
<Evaluation>
<Current-voltage characteristics and series resistance components>
Each MEA sample is sandwiched between separators, 2M methanol aqueous solution on the anode side, air is flowed on the cathode side, and the fuel cell is operated at 70 ° C. The current-voltage characteristics and membrane resistance (series resistance component) are impedance meter KFM2030 (Kikusui Electronics). Evaluation was carried out using (Industry). Table 5 shows the results of current density and series resistance component at a voltage of 0.4V.

Figure 2005310612
Figure 2005310612

表5の結果から、本発明に係る試料はプロトン伝導性の評価を表す直列抵抗成分が小さく、プロトン伝導性がよく、比較試料に比べて電流密度が大きく、燃料電池として優れていることがわかる。多孔質膜の空孔率及び平均空孔径が均一な試料である比較試料7は、直列抵抗成分が小さくプロトン伝導性はよいが、表3に結果からわかるように本発明の試料に比べてメタノール透過係数が大きいので、電流密度が小さく、燃料電池としての性能は十分でないことがわかる。   From the results of Table 5, it can be seen that the sample according to the present invention has a small series resistance component representing the evaluation of proton conductivity, good proton conductivity, a large current density compared to the comparative sample, and is excellent as a fuel cell. . Comparative sample 7, which is a sample having a uniform porosity and average pore diameter of the porous membrane, has a small series resistance component and good proton conductivity. However, as can be seen from the results shown in Table 3, methanol is compared with the sample of the present invention. Since the permeability coefficient is large, the current density is small and it can be seen that the performance as a fuel cell is not sufficient.

本発明の直接メタノール形固体高分子燃料電池の一実施形態を示す概略図である。It is the schematic which shows one Embodiment of the direct methanol type solid polymer fuel cell of this invention. メタノール透過性を評価するためのH型セルの概略図である。It is the schematic of the H-type cell for evaluating methanol permeability.

符号の説明Explanation of symbols

1 電解質膜
2 アノード極(燃料極)
3 カソード極(空気極)
4 外部回路
1 Electrolyte membrane 2 Anode electrode (fuel electrode)
3 Cathode electrode (air electrode)
4 External circuit

Claims (10)

電解質とそれに隣接して設けられたカソード極及びアノード極を有する固体燃料電池において、前記電解質は水及びメタノールに対して膨潤しない多孔質膜の空孔にプロトン伝導性有機物質を含有するものであって、前記多孔質膜の空孔率がアノード極側からカソード極側に向かって増大することを特徴とする固体燃料電池。 In a solid fuel cell having an electrolyte and a cathode electrode and an anode electrode provided adjacent to the electrolyte, the electrolyte contains a proton conductive organic substance in pores of a porous membrane that does not swell against water and methanol. The porosity of the porous membrane increases from the anode side toward the cathode side. 前記多孔質膜は、アノード極に隣接する多孔質層の空孔率が30〜80%未満であり、カソード極に隣接する多孔質層の空孔率が60〜80%である、複数の多孔質層から形成されることを特徴とする請求項1記載の固体燃料電池。 The porous membrane has a plurality of porous layers in which the porosity of the porous layer adjacent to the anode electrode is less than 30 to 80%, and the porosity of the porous layer adjacent to the cathode electrode is 60 to 80%. 2. The solid fuel cell according to claim 1, wherein the solid fuel cell is formed of a porous layer. 前記多孔質膜が無機材料から形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の固体燃料電池。 The solid fuel cell according to claim 1, wherein the porous membrane is formed of an inorganic material. 電解質とそれに隣接して設けられたカソード極及びアノード極を有する固体燃料電池において、前記電解質は水及びメタノールに対して膨潤しない多孔質膜の空孔にプロトン伝導性有機物質を含有するものであって、前記多孔質膜の平均空孔径がアノード極側からカソード極側に向かって増大することを特徴とする固体燃料電池。 In a solid fuel cell having an electrolyte and a cathode and an anode provided adjacent thereto, the electrolyte contains a proton conductive organic substance in the pores of a porous membrane that does not swell against water and methanol. And the average pore diameter of the porous membrane increases from the anode side toward the cathode side. 前記多孔質膜は、アノード極に隣接する多孔質層の平均空孔径が100〜300nm未満であり、カソード極に隣接する多孔質層の平均空孔径が300〜500nmである、複数の多孔質層から形成されることを特徴とする請求項4記載の固体燃料電池。 The porous membrane has a plurality of porous layers in which an average pore diameter of the porous layer adjacent to the anode electrode is less than 100 to 300 nm, and an average pore diameter of the porous layer adjacent to the cathode electrode is 300 to 500 nm The solid fuel cell according to claim 4, wherein the solid fuel cell is formed from the following. 前記多孔質膜が無機材料から形成されることを特徴とする請求項4又は5に記載の固体燃料電池。 6. The solid fuel cell according to claim 4, wherein the porous membrane is formed of an inorganic material. 電解質とそれに隣接して設けられたカソード極及びアノード極を有する固体燃料電池において、前記電解質は水及びメタノールに対して膨潤しない多孔質膜の空孔にプロトン伝導性有機物質を含有するものであって、前記多孔質膜の空孔率及び平均空孔径がアノード極側からカソード極側に向かって増大することを特徴とする固体燃料電池。 In a solid fuel cell having an electrolyte and a cathode and an anode provided adjacent thereto, the electrolyte contains a proton conductive organic substance in the pores of a porous membrane that does not swell against water and methanol. A solid fuel cell, wherein the porosity and average pore diameter of the porous membrane increase from the anode side toward the cathode side. 前記多孔質膜は、アノード極に隣接する多孔質層の空孔率が30〜80%未満、平均空孔径が100〜300nm未満であり、カソード極に隣接する多孔質層の空孔率が60〜80%、平均空孔径が300〜500nmである、複数の多孔質層から形成されることを特徴とする請求項7記載の固体燃料電池。 The porous membrane has a porosity of the porous layer adjacent to the anode electrode of 30 to less than 80%, an average pore diameter of less than 100 to 300 nm, and a porosity of the porous layer adjacent to the cathode electrode of 60. The solid fuel cell according to claim 7, wherein the solid fuel cell is formed of a plurality of porous layers having an average pore diameter of 300 to 500 nm of ˜80%. 前記多孔質膜が無機材料から形成されることを特徴とする請求項7又は8に記載の固体燃料電池。 The solid fuel cell according to claim 7 or 8, wherein the porous membrane is formed of an inorganic material. 前記固体燃料電池が、直接メタノール形固体高分子燃料電池である請求項1乃至9のいずれか1項に記載の固体燃料電池。 The solid fuel cell according to any one of claims 1 to 9, wherein the solid fuel cell is a direct methanol solid polymer fuel cell.
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