JP2006004695A - Membrane-electrode assembly of direct fuel cell, system and how to use the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide improvement of utilization factor by suppressing fuel transmission in a direct type fuel cell system. <P>SOLUTION: A membrane-electrode assembly 10 for a direct methanol fuel cell comprises an electrolyte layer 11, a cathode 13 joined one side of the electrolyte layer 11 to which air is supplied, and an anode 12 joined the other side of the electrolyte layer 11 by supporting a catalyst to which a methanol solution is supplied. The anode 12 is composed of a first catalyst layer 12a where the catalyst is supported, a magnetic layer 12b adjacent to the first catalyst layer 12a at the side of the electrolyte layer 11 where a magnetic body with an magnetic action is carried, and a second catalyst layer 12c adjacent to the side of the electrolyte layer 11 of the magnetic layer 12b. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、直接型燃料電池の膜電極接合体、システム及びシステムの使用方法に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly, a system, and a method of using the system of a direct fuel cell.

従来、直接型燃料電池の一種である直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)のシステムが特許文献1に開示されている。このDMFCシステムは、DMFC用膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を備えている。この膜電極接合体は、電解質層と、この電解質層の一面に接合され空気が供給されるカソード極と、電解質層の他面に接合されメタノール水溶液が供給されるアノード極とを有している。カソード極及びアノード極には触媒作用を奏する白金(Pt)、白金−ルテニウム(Pt−Ru)等の触媒が担持されている。   Conventionally, Patent Document 1 discloses a direct methanol fuel cell (DMFC) system, which is a type of direct fuel cell. This DMFC system includes a DMFC membrane electrode assembly (MEA). This membrane electrode assembly has an electrolyte layer, a cathode electrode joined to one surface of the electrolyte layer and supplied with air, and an anode electrode joined to the other surface of the electrolyte layer and supplied with an aqueous methanol solution. . A catalyst such as platinum (Pt) or platinum-ruthenium (Pt-Ru) having a catalytic action is supported on the cathode and anode.

そして、この膜電極接合体を図示しないセパレータで挟むことにより最小発電単位である燃料電池のセルが構成され、このセルが多数積層されて燃料電池スタックが構成される。アノード極にはメタノール水溶液供給手段によってメタノールが水とともに供給され、カソード極には空気供給手段によって空気が供給されるようになっている。こうしてDMFCシステムが構成される。   The membrane electrode assembly is sandwiched between separators (not shown) to form a fuel cell, which is the minimum power generation unit, and a number of these cells are stacked to form a fuel cell stack. Methanol is supplied to the anode electrode together with water by a methanol aqueous solution supply means, and air is supplied to the cathode electrode by air supply means. Thus, the DMFC system is configured.

この膜電極接合体では、アノード極に担持された触媒がPtである場合、Ptが以下の化1〜5に示す反応によりメタノールから水素イオンを生じる。   In this membrane / electrode assembly, when the catalyst supported on the anode electrode is Pt, Pt generates hydrogen ions from methanol by the reactions shown in the following chemical formulas 1 to 5.

(化1)
Pt+CH3OH→Pt-CH2OH+H++e-
(Chemical formula 1)
Pt + CH 3 OH → Pt—CH 2 OH + H + + e

(化2)
Pt-CH2OH→Pt-CHOH+H++e-
(Chemical formula 2)
Pt—CH 2 OH → Pt—CHOH + H + + e

(化3)
Pt-CHOH→Pt-COH+H++e-
(Chemical formula 3)
Pt—CHOH → Pt—COH + H + + e

(化4)
Pt-COH→Pt-CO+H++e-
(Chemical formula 4)
Pt—COH → Pt—CO + H + + e

(化5)
Pt-CO→Pt+CO2+2H++2e-
(Chemical formula 5)
Pt—CO → Pt + CO 2 + 2H + + 2e

こうして、アノード極における化6に示す反応により、燃料のメタノールから水素イオン、電子及び二酸化炭素が生成される。   Thus, hydrogen ions, electrons and carbon dioxide are generated from the fuel methanol by the reaction shown in Chemical Formula 6 at the anode electrode.

(化6)
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
(Chemical formula 6)
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e

そして、水素イオンはプロトン(H3+)の形で電解質層内をカソード極に向かって移動する。また、電子は、DMFCシステムに接続された負荷を通り、カソード極に流れる。 The hydrogen ions move in the form of protons (H 3 O + ) in the electrolyte layer toward the cathode electrode. Further, the electrons flow through the load connected to the DMFC system and flow to the cathode electrode.

一方、カソード極においては、化7に示す反応により、空気中に含まれる酸素と水素イオンと電子とから水が生成される。   On the other hand, at the cathode electrode, water is generated from oxygen, hydrogen ions and electrons contained in the air by the reaction shown in Chemical formula 7.

(化7)
3/2O2+6H++6e-→3H2
(Chemical formula 7)
3 / 2O 2 + 6H + + 6e → 3H 2 O

このような反応が連続して起こることにより、DMFCシステムは起電力を連続して発生することができる。また、このDMFCシステムは、燃料を水素とする固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)のシステムと、メタノールを燃料としつつ、予めメタノールを改質して水素に変換してPEFCに供給する改質型PEFCのシステムとは異なり、燃料の取り扱いが容易であるとともに、改質器を不要として全体の小型化及び軽量化を実現可能であるという長所を有している。   The DMFC system can continuously generate an electromotive force by continuously performing such a reaction. In addition, this DMFC system is a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) system that uses hydrogen as a fuel, and methanol is used as fuel to reform methanol in advance and convert it to hydrogen to PEFC. Unlike the system of the reforming PEFC to be supplied, the fuel handling is easy, and there is an advantage that it is possible to reduce the overall size and weight by eliminating the reformer.

特開2003−346836号公報JP 2003-346836 A

しかし、従来のDMFCシステムでは、アノード極の触媒上で反応しなかったメタノールが電解質層を透過してカソード極に至り(クロスオーバー現象)、メタノールが空気中に捨てられてしまうため、燃料の消費量が多くなるという問題がある。   However, in the conventional DMFC system, methanol that has not reacted on the catalyst on the anode electrode passes through the electrolyte layer to reach the cathode electrode (crossover phenomenon), and the methanol is thrown into the air. There is a problem that the amount increases.

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、直接型燃料電池システムにおいて、燃料の透過抑制による燃料の利用率向上を実現することを解決すべき課題としている。   The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and in the direct fuel cell system, it is an object to be solved to realize improvement in fuel utilization by suppressing fuel permeation.

本発明の直接型燃料電池用膜電極接合体は、電解質層と、該電解質層の一面に接合され空気が供給されるカソード極と、触媒が担持されて該電解質層の他面に接合され燃料水溶液が供給されるアノード極とを有する直接型燃料電池用膜電極接合体において、
前記アノード極には、磁気作用をもつ磁力体が担持されていることを特徴とする。
The membrane electrode assembly for a direct fuel cell according to the present invention includes an electrolyte layer, a cathode electrode joined to one surface of the electrolyte layer and supplied with air, a catalyst supported and joined to the other surface of the electrolyte layer. In a membrane electrode assembly for a direct fuel cell having an anode electrode supplied with an aqueous solution,
A magnetic body having a magnetic action is supported on the anode pole.

発明者の知見によれば、本発明の膜電極接合体の作用効果は以下のとおりである。すなわち、この膜電極接合体では、未反応の燃料は、アノード極に担持された磁力体の磁気作用により、反磁性体として、大きな排斥力を受ける。このため、未反応の燃料は、アノード極の触媒によって上記化1〜5に示すような反応をより確実に生じ、水素イオン、電子等により確実に分解される。換言すれば、未反応の燃料のクロスオーバー現象が抑制される。   According to the knowledge of the inventors, the effects of the membrane electrode assembly of the present invention are as follows. That is, in this membrane electrode assembly, the unreacted fuel receives a large rejection force as a diamagnetic material by the magnetic action of the magnetic material supported on the anode electrode. For this reason, the unreacted fuel causes the reactions shown in the above chemical formulas 1 to 5 more reliably by the anode electrode catalyst, and is reliably decomposed by hydrogen ions, electrons, and the like. In other words, the crossover phenomenon of unreacted fuel is suppressed.

したがって、本発明の膜電極接合体によれば、直接型燃料電池システムにおいて、燃料の透過抑制による燃料の利用率向上を実現することができる。   Therefore, according to the membrane electrode assembly of the present invention, in the direct fuel cell system, it is possible to improve the fuel utilization rate by suppressing the permeation of fuel.

本発明に係る直接型燃料電池は、燃料として、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコールを用いる直接アルコール型燃料電池の他、ジメチルエーテル(DME)を燃料に用いる直接ジメチルエーテル型燃料電池等であり得る。   The direct fuel cell according to the present invention can be a direct alcohol fuel cell using dimethyl ether (DME) as a fuel, in addition to a direct alcohol fuel cell using an alcohol such as methanol, ethanol, propanol or the like as a fuel.

本発明の膜電極接合体は、電解質層、カソード極及びアノード極を有する。電解質としては、ナフィオン(登録商標)等のイオン交換樹脂を採用することができる。カソード極は、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等の導電性のある基材と、この基材に固定した少なくとも触媒及び電解質とからなり得る。基材は撥水性及びガス透過性を有するものであり得る。撥水性を有するものとするためには、カーボンクロス等の基材に撥水材を塗布しておくことができる。アノード極は、基材と、この基材に固定した少なくとも触媒及び電解質とからなり得る。   The membrane electrode assembly of the present invention has an electrolyte layer, a cathode electrode, and an anode electrode. As the electrolyte, an ion exchange resin such as Nafion (registered trademark) can be employed. The cathode electrode can be composed of a conductive base material such as carbon cloth, carbon paper, carbon felt, etc., and at least a catalyst and an electrolyte fixed to the base material. The substrate can have water repellency and gas permeability. In order to have water repellency, a water repellent material can be applied to a substrate such as carbon cloth. The anode electrode can be composed of a substrate and at least a catalyst and an electrolyte fixed to the substrate.

磁力体は磁気作用をもつものである。この磁力体としては、白金−鉄(Pt−Fe)、白金−コバルト(Pt−Co)、白金−鉄−ロジウム(Pt−Fe−Lo)が好適であり、さらには表面が被覆されたネオジウム−鉄−ホウ素磁石、サマリウム−コバルト磁石、フェライト磁石等の永久磁石を採用することができる。さらに、磁力体は、磁性体からなる電極用磁性担体であってもよく、この電極用磁性担体を導電性磁性体で被覆した後で先述した永久磁石をその外周面に担持したものであってもよい。電極用磁性担体としては、鉄、コバルト、ニッケル、鉄−コバルト合金、鉄−ニッケル合金、アルニコ等、一元系金属又は二元系以上の多元系合金を採用することができる。また、導電性磁性体としては、カーボン等を採用することができる。   The magnetic body has a magnetic action. As this magnetic body, platinum-iron (Pt-Fe), platinum-cobalt (Pt-Co), platinum-iron-rhodium (Pt-Fe-Lo) is preferable, and further, neodymium having a coated surface. Permanent magnets such as iron-boron magnets, samarium-cobalt magnets, and ferrite magnets can be employed. Further, the magnetic body may be a magnetic carrier for electrodes made of a magnetic body, and the permanent magnet described above is supported on the outer peripheral surface after the magnetic carrier for electrodes is coated with a conductive magnetic body. Also good. As the magnetic carrier for electrodes, a single metal or a multi-component alloy of binary or higher such as iron, cobalt, nickel, iron-cobalt alloy, iron-nickel alloy, alnico, etc. can be employed. Moreover, carbon etc. can be employ | adopted as an electroconductive magnetic body.

アノード極に磁力体を担持した膜電極接合体は以下のように製造され得る。まず、導電性磁性体、磁力体等を用意する。そして、導電性磁性体と磁力体と電解質溶液とを混合してペーストを作製し、このペーストを基材に塗布した後、乾燥させてアノード極を形成する。また、基材に少なくとも触媒及び電解質溶液を混合したペーストを塗布した後、乾燥させてカソード極を製造する。得られたカソード極、アノード極及び電解質層を接合する。こうして膜電極接合体を得る。   A membrane electrode assembly in which a magnetic body is supported on the anode pole can be manufactured as follows. First, a conductive magnetic body, a magnetic body, etc. are prepared. Then, a conductive magnetic body, a magnetic body, and an electrolyte solution are mixed to produce a paste, and this paste is applied to a substrate and then dried to form an anode electrode. Further, after applying a paste in which at least the catalyst and the electrolyte solution are mixed to the base material, the paste is dried to manufacture the cathode electrode. The obtained cathode electrode, anode electrode and electrolyte layer are joined. In this way, a membrane electrode assembly is obtained.

また、上記のように、アノード極を構成した後、カソード極、アノード極及び電解質層を接合し、膜電極接合体を得る。そして、この膜電極接合体を磁場におくことにより、磁力体を磁化し、膜電極接合体を得ることもできる。   In addition, as described above, after the anode electrode is configured, the cathode electrode, the anode electrode, and the electrolyte layer are bonded to obtain a membrane electrode assembly. By placing this membrane electrode assembly in a magnetic field, the magnetic body can be magnetized to obtain a membrane electrode assembly.

本発明の膜電極接合体では、アノード極は、触媒が担持された触媒層と、触媒層と電解質層側で隣接し、磁力体が担持された磁力層とをもつことが好ましい。この場合、未反応の燃料は、磁力層に担持された磁力体の磁気作用により、反磁性体として、大きな排斥力を受け、触媒層に戻される。このため、未反応の燃料は、触媒層の触媒によって上記化1〜5に示すような反応をより確実に生じ、水素イオン、電子等により確実に分解される。この場合、アノード極は触媒層及び磁力層の2層構造等であることができる。   In the membrane electrode assembly of the present invention, the anode electrode preferably has a catalyst layer on which a catalyst is supported, and a magnetic layer on which the catalyst layer and the electrolyte layer are adjacent and on which a magnetic body is supported. In this case, the unreacted fuel is returned to the catalyst layer as a diamagnetic material due to the magnetic action of the magnetic material carried on the magnetic layer, as a diamagnetic material. For this reason, the unreacted fuel causes the reactions shown in the above chemical formulas 1 to 5 more reliably by the catalyst in the catalyst layer, and is reliably decomposed by hydrogen ions, electrons, and the like. In this case, the anode electrode may have a two-layer structure of a catalyst layer and a magnetic layer.

また、本発明の膜電極接合体では、アノード極が触媒層と磁力層とをもつ場合、さらにそのアノード極は磁力層の電解質層側に隣接する第2の触媒層をもつことがより好ましい。この場合、未反応の燃料が非電解質層側の第1の触媒層に戻されずに磁力層を通り抜けたとしても、その未反応の燃料は、電解質層側の第2の触媒層によって上記化1〜5に示すような反応をより確実に生じ、水素イオン、電子等により確実に分解される。この場合、アノード極は、第1触媒層、磁力層及び第2触媒層の3層構造であってもよく、第1触媒層、第1磁力層、第2触媒層及び第2磁力層の4層構造、第1触媒層、第1磁力層、第2触媒層、第2磁力層及び第3触媒層の5層構造等であることができる。   In the membrane electrode assembly of the present invention, when the anode has a catalyst layer and a magnetic layer, it is more preferable that the anode has a second catalyst layer adjacent to the electrolyte layer side of the magnetic layer. In this case, even if the unreacted fuel passes through the magnetic layer without returning to the first catalyst layer on the non-electrolyte layer side, the unreacted fuel is converted into the above-mentioned chemical formula by the second catalyst layer on the electrolyte layer side. The reaction shown in .about.5 occurs more reliably and is reliably decomposed by hydrogen ions, electrons and the like. In this case, the anode electrode may have a three-layer structure of the first catalyst layer, the magnetic layer, and the second catalyst layer, and 4 of the first catalyst layer, the first magnetic layer, the second catalyst layer, and the second magnetic layer. The layer structure may be a five-layer structure including a first catalyst layer, a first magnetic layer, a second catalyst layer, a second magnetic layer, and a third catalyst layer.

磁力体は、電解質層側で強い磁気力を奏するように構成されていることもできる。この場合、未反応の燃料がより電解質側に近づき難く、本発明の作用効果をより生じ易くなる。   The magnetic body can also be configured to exert a strong magnetic force on the electrolyte layer side. In this case, the unreacted fuel is less likely to approach the electrolyte side, and the effects of the present invention are more likely to occur.

本発明の膜電極接合体を燃料水溶液供給手段、空気供給手段等とともに組み付けることにより、本発明の直接型燃料電池システムとなる。   By assembling the membrane electrode assembly of the present invention together with the aqueous fuel solution supplying means, the air supplying means, etc., the direct fuel cell system of the present invention is obtained.

すなわち、本発明の直接型燃料電池システムは、上記膜電極接合体と、前記アノード極に燃料水溶液を供給する燃料水溶液供給手段と、前記カソード極に空気を供給する空気供給手段とを備えたことを特徴とする。   That is, the direct fuel cell system of the present invention includes the membrane electrode assembly, a fuel aqueous solution supply means for supplying a fuel aqueous solution to the anode electrode, and an air supply means for supplying air to the cathode electrode. It is characterized by.

燃料水溶液供給手段はアノード極に燃料を水とともに供給するものである。燃料カートリッジ、セパレータの燃料水溶液室等を燃料水溶液供給手段とすることができる。空気供給手段は、カソード極に空気を供給するものである。ブロア、セパレータの空気室等を空気供給手段とすることができる。   The aqueous fuel solution supply means supplies fuel to the anode electrode together with water. The fuel aqueous solution supply means may be a fuel cartridge, a fuel aqueous solution chamber of the separator, or the like. The air supply means supplies air to the cathode electrode. A blower, an air chamber of a separator, or the like can be used as an air supply means.

また、本発明の直接型燃料電池システムの使用方法は、電解質層と、該電解質層の一面に接合され空気が供給されるカソード極と、該電解質層の他面に接合され燃料水溶液が供給されるアノード極とを有する膜電極接合体と、
該アノード極に該燃料水溶液を供給する燃料水溶液供給手段と、
該カソード極に空気を供給する空気供給手段とを備えた直接型燃料電池システムの使用方法であって、
前記アノード極に磁気作用をもつ磁力体を担持することにより、反磁性の燃料が前記電解質層に移動することを該磁力体によって防止することを特徴とする。
In addition, the method of using the direct fuel cell system of the present invention includes an electrolyte layer, a cathode electrode joined to one surface of the electrolyte layer and supplied with air, and an aqueous fuel solution joined to the other surface of the electrolyte layer. A membrane electrode assembly having an anode electrode,
A fuel aqueous solution supply means for supplying the fuel aqueous solution to the anode electrode;
A method of using a direct fuel cell system comprising air supply means for supplying air to the cathode electrode,
By carrying a magnetic body having a magnetic action on the anode pole, the magnetic body prevents diamagnetic fuel from moving to the electrolyte layer.

以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。実施例では、直接アルコール型燃料電池として、燃料としてのアルコールにメタノールを用いた直接メタノール型燃料電池(DMFC)のシステムを形成した。   DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments embodying the present invention will be described below with reference to the drawings. In the examples, as a direct alcohol fuel cell, a direct methanol fuel cell (DMFC) system using methanol as alcohol as fuel was formed.

このDMFCシステムでは、図1に示す複数のセル1が用いられている。各セル1は膜電極接合体(MEA)10と一対のセパレータ20とを備えている。   In this DMFC system, a plurality of cells 1 shown in FIG. 1 are used. Each cell 1 includes a membrane electrode assembly (MEA) 10 and a pair of separators 20.

膜電極接合体10は、ナフィオン117のイオン交換膜からなる電解質層11と、この電解質層11の一面に一体に接合されたアノード極12と、電解質層11の他面に一体に接合されたカソード極13とを有している。   The membrane electrode assembly 10 includes an electrolyte layer 11 made of an ion exchange membrane of Nafion 117, an anode electrode 12 integrally bonded to one surface of the electrolyte layer 11, and a cathode integrally bonded to the other surface of the electrolyte layer 11. And poles 13.

各セパレータ20は、一面側にアノード極12にメタノール水溶液を供給するためのメタノール水溶液室21が形成され、他面側にカソード極13に空気を供給するための空気室22が形成されたものである。   Each separator 20 has a methanol aqueous solution chamber 21 for supplying a methanol aqueous solution to the anode electrode 12 on one side, and an air chamber 22 for supplying air to the cathode 13 on the other side. is there.

各セル1は、アノード極12側にメタノール水溶液室21が対面し、カソード極13側に空気室22が対面するように膜電極接合体10と一対のセパレータ20とが積層されたものである。そして、膜電極接合体10とセパレータ20とを順次積層することによりスタックが構成される。また、アノード極12側とカソード極13側とで共通する上記セパレータ20を採用している。なお、スタックの両端のセパレータ20にはメタノール水溶液室21又は空気室22だけが形成されている。   Each cell 1 is formed by laminating a membrane electrode assembly 10 and a pair of separators 20 such that a methanol aqueous solution chamber 21 faces the anode electrode 12 side and an air chamber 22 faces the cathode electrode 13 side. A stack is configured by sequentially laminating the membrane electrode assembly 10 and the separator 20. Further, the separator 20 common to the anode electrode 12 side and the cathode electrode 13 side is employed. Note that only the methanol aqueous solution chamber 21 or the air chamber 22 is formed in the separators 20 at both ends of the stack.

スタックには、各セル1のメタノール水溶液室21に図示しないバルブを介して連通するメタノールカートリッジ2と、各セル1の空気室22に連通するブロア3とが接続されている。メタノールカートリッジ2及びセパレータ20のメタノール水溶液室21がアノード極12にメタノールを供給するメタノール水溶液供給手段である。また、ブロア3及びセパレータ20の空気室22がカソード極13に空気を供給する空気供給手段である。   Connected to the stack are a methanol cartridge 2 that communicates with a methanol aqueous solution chamber 21 of each cell 1 via a valve (not shown), and a blower 3 that communicates with an air chamber 22 of each cell 1. The methanol aqueous solution chamber 21 of the methanol cartridge 2 and the separator 20 is a methanol aqueous solution supply means for supplying methanol to the anode electrode 12. The air chamber 22 of the blower 3 and the separator 20 is air supply means for supplying air to the cathode electrode 13.

実施例のDMFCシステムの特徴的な構成として、アノード極12は、図2に示すように、Pt−Ru合金からなる触媒が担持された第1触媒層12aと、第1触媒層12aと電解質層11側で隣接し、磁力体が担持された磁力層12bと、磁力層12bの電解質層11側にさらに隣接する第2触媒層12cとからなる。   As shown in FIG. 2, the anode electrode 12 includes a first catalyst layer 12a on which a catalyst made of a Pt—Ru alloy is supported, a first catalyst layer 12a, and an electrolyte layer. 11 includes a magnetic layer 12b that is adjacent to the magnetic layer 11 and carries a magnetic body, and a second catalyst layer 12c that is further adjacent to the electrolyte layer 11 side of the magnetic layer 12b.

磁力体は、平均粒径が50nm、Pt/Fe=50/50(at%)のPt−Fe合金を熱処理し、水で急冷したfct構造を主相とするPt−Fe合金である。   The magnetic body is a Pt—Fe alloy having a main phase of an fct structure in which a Pt—Fe alloy having an average particle diameter of 50 nm and Pt / Fe = 50/50 (at%) is heat-treated and rapidly cooled with water.

(評価1)
このDMFCシステムにおいて、アノード極12近傍における室温での磁気力をシミュレーションする。磁気力はF=X/2μ0×∇(B)2によって計算される。μ0は4π×10-7(H/m)、Xは体積磁化率(メタノールは−0.528×10-6)である。このため、メタノールのX/2μ0は−2.10である。結果を図3に示す。
(Evaluation 1)
In this DMFC system, the magnetic force at room temperature near the anode 12 is simulated. The magnetic force is calculated by F = X / 2μ 0 × ∇ (B) 2 . μ 0 is 4π × 10 −7 (H / m), and X is a volume magnetic susceptibility (methanol is −0.528 × 10 −6 ). Therefore, X / 2μ 0 of methanol is −2.10. The results are shown in FIG.

図3より、この膜電極接合体10のアノード極12には、メタノールを磁力層12bから排除する磁気力が作用していることがわかる。反磁性体であるメタノールが磁力層12bから受ける反発力は、磁力体と磁力体との中間の最も弱い位置であっても、メタノール1m3が重力から受ける約8000Nに対して10倍以上の105N/m3の磁気的な排斥力であり、メタノールが電解質層11へ侵入することを防止する。 From FIG. 3, it can be seen that a magnetic force for removing methanol from the magnetic layer 12b acts on the anode pole 12 of the membrane electrode assembly 10. The repulsive force that methanol, which is a diamagnetic material, receives from the magnetic layer 12b is 10 times greater than 10 times the approximately 8000 N that 1 m 3 of methanol receives from gravity even at the weakest position between the magnetic material and the magnetic material. 5 N / m 3 of magnetic repulsive force, which prevents methanol from entering the electrolyte layer 11.

すなわち、この膜電極接合体10では、図2にも示すように、メタノール(MeOH)は、第1触媒層12aの触媒によって上記化1〜5に示すような反応を確実に生じ、二酸化炭素、水素イオン及び電子を生じる。しかし、第1触媒層12aに未反応のメタノールが残存する場合もある。この未反応のメタノールは、磁力層12bに担持された磁力体の磁気作用により、反磁性体として、大きな排斥力を受け、第1触媒層12aに戻される。このため、未反応のメタノールは、第1触媒層12aの触媒によって二酸化炭素、水素イオン及び電子により確実に分解される。そして、未反応のメタノールが第1触媒層12aに戻されずに磁力層12bを通り抜けたとしても、その未反応のメタノールは、第2触媒層12cの触媒によってさらに二酸化炭素、水素イオン及び電子に確実に分解される。
こうして、この膜電極接合体10では、未反応のメタノールのクロスオーバー現象が抑制される。
That is, in this membrane electrode assembly 10, as shown in FIG. 2, methanol (MeOH) surely causes the reactions shown in Chemical Formulas 1 to 5 above by the catalyst of the first catalyst layer 12 a, and carbon dioxide, This produces hydrogen ions and electrons. However, unreacted methanol may remain in the first catalyst layer 12a. This unreacted methanol receives a large displacement force as a diamagnetic material by the magnetic action of the magnetic material carried on the magnetic layer 12b, and is returned to the first catalyst layer 12a. For this reason, unreacted methanol is reliably decomposed by carbon dioxide, hydrogen ions and electrons by the catalyst of the first catalyst layer 12a. Even if the unreacted methanol passes through the magnetic layer 12b without returning to the first catalyst layer 12a, the unreacted methanol is surely separated into carbon dioxide, hydrogen ions and electrons by the catalyst of the second catalyst layer 12c. Is broken down into
Thus, in this membrane electrode assembly 10, the crossover phenomenon of unreacted methanol is suppressed.

したがって、この膜電極接合体10によれば、DMFCシステムにおいて、メタノールの透過抑制によるメタノールの利用率向上を実現することができる。   Therefore, according to this membrane electrode assembly 10, in the DMFC system, it is possible to improve the utilization rate of methanol by suppressing the permeation of methanol.

(評価2)
アノード極12に磁力層12bを形成した実施例の膜電極接合体10と、アノード極12に磁力層12bを形成しない比較例の膜電極接合体10とを用意する。これら実施例及び比較例の膜電極接合体10の他の構成は上記の膜電極接合体10と同様である。
(Evaluation 2)
The membrane electrode assembly 10 of the example in which the magnetic layer 12b is formed on the anode 12 and the membrane electrode assembly 10 of the comparative example in which the magnetic layer 12b is not formed on the anode 12 are prepared. Other configurations of the membrane electrode assemblies 10 of these examples and comparative examples are the same as those of the membrane electrode assembly 10 described above.

実施例及び比較例の膜電極接合体10について、室温におけるメタノールの濃度(Mol)とメタノールの透過レイト(mMol/cm2・h)との関係を求めた。電流密度を0mA/cm2とした場合の結果を図4に示す。 About the membrane electrode assembly 10 of an Example and a comparative example, the relationship between the density | concentration (Mol) of methanol in room temperature and the permeation | transmission rate (mMol / cm < 2 > h) of methanol was calculated | required. The results when the current density is 0 mA / cm 2 are shown in FIG.

図4より、実施例の膜電極接合体10は、比較例の膜電極接合体と比べ、メタノールの濃度が高くなっても、磁気力によってメタノールの透過量を抑えていることがわかる。   FIG. 4 shows that the membrane electrode assembly 10 of the example suppresses the permeation amount of methanol by the magnetic force even when the concentration of methanol is higher than that of the membrane electrode assembly of the comparative example.

(評価3)
実施例及び比較例の膜電極接合体10について、室温におけるメタノールの濃度(Mol)と燃料利用率(%)との関係を求めた。電流密度は100mA/cm2である。結果を図5に示す。
(Evaluation 3)
About the membrane electrode assembly 10 of an Example and a comparative example, the relationship between the density | concentration (Mol) of methanol in room temperature and a fuel utilization factor (%) was calculated | required. The current density is 100 mA / cm 2 . The results are shown in FIG.

図5より、実施例の膜電極接合体10の方が比較例の膜電極接合体10より燃料利用率が優れていることがわかる。   FIG. 5 shows that the membrane electrode assembly 10 of the example is superior in fuel utilization rate to the membrane electrode assembly 10 of the comparative example.

以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。   While the present invention has been described with reference to the embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments and can be appropriately modified and applied without departing from the spirit thereof.

本発明は電気自動車等の移動用電源、あるいは据え置き用電源や可搬型電源に利用可能である。   The present invention can be used for a mobile power source for an electric vehicle or the like, or a stationary power source or a portable power source.

実施例のDMFCシステムに係り、セルの要部模式断面図である。It is a DMFC system of an example, and is a principal section schematic cross section of a cell. 実施例の膜電極接合体の要部拡大模式図である。It is a principal part expansion schematic diagram of the membrane electrode assembly of an Example. アノード極近傍の磁気力を示すグラフである。It is a graph which shows the magnetic force of an anode pole vicinity. 実施例及び比較例の膜電極接合体において、メタノールの濃度とメタノールの透過レイトとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the density | concentration of methanol and the permeation | transmission rate of methanol in the membrane electrode assembly of an Example and a comparative example. 実施例及び比較例の膜電極接合体において、メタノールの濃度と燃料利用率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the density | concentration of methanol and a fuel utilization factor in the membrane electrode assembly of an Example and a comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

11…電解質層
13…カソード極
12…アノード極
10…膜電極接合体
12a…第1触媒層
12b…磁力層
12c…第2触媒層
2、21…メタノール水溶液供給手段(2…メタノールカートリッジ、21…メタノール水溶液室)
3、22…空気供給手段(3…ブロア、21…空気室)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Electrolyte layer 13 ... Cathode electrode 12 ... Anode electrode 10 ... Membrane electrode assembly 12a ... 1st catalyst layer 12b ... Magnetic layer 12c ... 2nd catalyst layer 2, 21 ... Methanol aqueous solution supply means (2 ... Methanol cartridge, 21 ... (Methanol aqueous solution chamber)
3, 22 ... Air supply means (3 ... Blower, 21 ... Air chamber)

Claims (5)

電解質層と、該電解質層の一面に接合され空気が供給されるカソード極と、触媒が担持されて該電解質層の他面に接合され燃料水溶液が供給されるアノード極とを有する直接型燃料電池用膜電極接合体において、
前記アノード極には、磁気作用をもつ磁力体が担持されていることを特徴とする直接型燃料電池用膜電極接合体。
A direct fuel cell having an electrolyte layer, a cathode electrode joined to one surface of the electrolyte layer and supplied with air, and an anode electrode carrying a catalyst and joined to the other surface of the electrolyte layer and supplied with an aqueous fuel solution In membrane electrode assemblies for
A membrane electrode assembly for a direct fuel cell, wherein a magnetic body having a magnetic action is carried on the anode electrode.
前記アノード極は、前記触媒が担持された触媒層と、該触媒層と前記電解質層側で隣接し、前記磁力体が担持された磁力層とをもつことを特徴とする請求項1記載の直接型燃料電池用膜電極接合体。   2. The direct electrode according to claim 1, wherein the anode electrode has a catalyst layer on which the catalyst is supported, and a magnetic layer that is adjacent to the catalyst layer on the electrolyte layer side and on which the magnetic body is supported. Type membrane electrode assembly for fuel cell. さらに前記アノード極は、前記磁力層の前記電解質層側に隣接する第2の前記触媒層をもつことを特徴とする請求項2記載の直接型燃料電池用膜電極接合体。   3. The membrane electrode assembly for a direct fuel cell according to claim 2, wherein the anode electrode has the second catalyst layer adjacent to the electrolyte layer side of the magnetic layer. 請求項1乃至3のいずれか1項記載の膜電極接合体と、前記アノード極に前記燃料水溶液を供給する燃料水溶液供給手段と、前記カソード極に空気を供給する空気供給手段とを備えたことを特徴とする直接型燃料電池システム。   The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3, a fuel aqueous solution supply means for supplying the fuel aqueous solution to the anode electrode, and an air supply means for supplying air to the cathode electrode. A direct fuel cell system characterized by 電解質層と、該電解質層の一面に接合され空気が供給されるカソード極と、該電解質層の他面に接合され燃料水溶液が供給されるアノード極とを有する膜電極接合体と、
該アノード極に該燃料水溶液を供給する燃料水溶液供給手段と、
該カソード極に空気を供給する空気供給手段とを備えた直接型燃料電池システムの使用方法であって、
前記アノード極に磁気作用をもつ磁力体を担持することにより、反磁性の燃料が前記電解質層に移動することを該磁力体によって防止することを特徴とする直接型燃料電池システムの使用方法。
A membrane electrode assembly having an electrolyte layer, a cathode electrode joined to one surface of the electrolyte layer and supplied with air, and an anode electrode joined to the other surface of the electrolyte layer and supplied with an aqueous fuel solution;
A fuel aqueous solution supply means for supplying the fuel aqueous solution to the anode electrode;
A method of using a direct fuel cell system comprising air supply means for supplying air to the cathode electrode,
A method of using a direct fuel cell system, wherein a magnetic body having a magnetic action is supported on the anode pole to prevent diamagnetic fuel from moving to the electrolyte layer.
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