JP2006100251A - Solid polymer fuel cell system and fuel cell vehicle - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid polymer fuel cell system which certainly inactivates the active oxygen and is superior in durability. <P>SOLUTION: The solid fuel cell system comprises a solid polyelectrolyte fuel cell 1 in which a plurality of unit cells 2 are laminated that have a membrane electrode assembly 3 having an air pole 5 on one side of the solid polyelectrolyte membrane 4 and a fuel pole 6 on the other side, an air pole side separator 7 which is arranged on the air pole 5 side of this membrane electrode assembly 3 and forms an air passage 8 between the membrane electrode assembly 3, and a fuel pole side separator 9 which is arranged on the fuel pole 6 side of the membrane electrode assembly 3 and forms a fuel gas passage 10 between the membrane electrode assembly 3, and an anti-oxidant supply means 11 which supplies an anti-oxidant for inactivating the active oxygen from the air pole 5 side or fuel pole 6 side of the solid polyelectrolyte fuel cell 1. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、固体高分子型燃料電池システム及び燃料電池車両に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell system and a fuel cell vehicle.

昨今のエネルギー資源問題、CO排出に伴う地球温暖化問題の解決する手段として、燃料電池技術が注目されている。燃料電池は、電池内で水素、メタノール、又はその他の炭化水素等の燃料を電気化学的に酸化することにより、燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して取り出すものである。このため、燃料電池は、火力発電、自動車等の内燃機関において燃料の燃焼によるNOやSO等の発生がなく、クリーンな電気エネルギー源として着目されている。 Fuel cell technology is attracting attention as a means of solving the recent energy resource problems and global warming problems associated with CO 2 emissions. In a fuel cell, fuel such as hydrogen, methanol, or other hydrocarbons is electrochemically oxidized in the cell, thereby converting the chemical energy of the fuel directly into electrical energy and taking it out. For this reason, the fuel cell has been attracting attention as a clean electric energy source without generating NO X or SO X due to fuel combustion in an internal combustion engine such as thermal power generation or automobile.

燃料電池にはいくつかの種類がある。中でも固体高分子型燃料電池(以下、PEFCとする。)が最も注目され開発が進められている。PEFCは、(1)低温作動性であるため起動・停止が容易、(2)理論電圧や理論変換効率が高い、(3)電解質に液相が存在しないためセル構造が縦型等の柔軟な設計が可能である、(4)イオン交換膜/電極界面では反応場である三相界面の確保により電流を多く取り出せることができ高出力密度が得られる、等の様々な利点を有している。   There are several types of fuel cells. Among them, the polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) has attracted the most attention and is being developed. PEFC is (1) easy to start and stop due to low temperature operation, (2) high theoretical voltage and high conversion efficiency, and (3) flexible cell structure such as vertical because there is no liquid phase in the electrolyte. (4) At the ion exchange membrane / electrode interface, there are various advantages such as that a large current can be taken out by securing a three-phase interface as a reaction field and a high output density can be obtained. .

しかし、PEFCは最も注目されているにも拘らず、未だ多くの課題が山積みされている。中でも高分子電解質膜の技術は最重要課題の一つである。現在、最も広く使われている電解質膜であり、米国デュポン社から市販されているナフィオン(登録商標)膜に代表されるパーフルオロスルホン酸系ポリマーは、燃料電池の空気極(正極)で発生する活性酸素に対して耐性をもつ膜として開発された経緯がある。しかし、長期に渡る耐久試験の結果によると、まだ十分な耐性があるとは言えない状況である。   However, even though PEFC has received the most attention, there are still many problems. Among them, polymer electrolyte membrane technology is one of the most important issues. At present, perfluorosulfonic acid polymers represented by Nafion (registered trademark) membranes, which are the most widely used electrolyte membranes and are commercially available from DuPont, USA, are generated at the air electrode (positive electrode) of fuel cells. It has been developed as a membrane resistant to active oxygen. However, according to the results of a long-term durability test, it cannot be said that there is sufficient resistance yet.

燃料電池の作動原理は、燃料極(負極)でのH酸化と、下式(1)に示す空気極での分子状酸素(O)の4電子還元による水の生成という2つの電気化学的過程から成り立っている。 The operating principle of the fuel cell is that there are two electrochemical processes: H 2 oxidation at the fuel electrode (negative electrode) and water generation by 4-electron reduction of molecular oxygen (O 2 ) at the air electrode shown in the following formula (1). It consists of a process.

2+4H++4e-→2H2O ・・・式(1)
しかしながら、実際には副反応が同時に起こっている。その代表的なものは、下式(2)に示す空気極におけるOの2電子還元による過酸化水素(H)の生成である。
O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O (1)
In practice, however, side reactions occur simultaneously. A typical example is the production of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) by two-electron reduction of O 2 at the air electrode shown in the following formula (2).

+2H+2e→H ・・・式(2)
過酸化水素は酸化力は弱いが、安定していて寿命が長い。そして、過酸化水素は以下に示す反応式(3)、(4)に従って分解し、分解する際にヒドロキシラジカル(・OH)、ヒドロペルオキシラジカル(・OOH)などのラジカルが生成する。これらのラジカル、特にヒドロキシラジカルは強い酸化力を有しており、電解質膜として使用されているパーフルオロスルホン化ポリマーでさえも長期の使用により分解する可能性がある。
O 2 + 2H + + 2e → H 2 O 2 Formula (2)
Hydrogen peroxide has a weak oxidizing power but is stable and has a long life. Hydrogen peroxide is decomposed according to the following reaction formulas (3) and (4), and radicals such as hydroxy radicals (.OH) and hydroperoxy radicals (.OOH) are generated upon decomposition. These radicals, especially hydroxy radicals, have a strong oxidizing power, and even perfluorosulfonated polymers used as electrolyte membranes can be decomposed by long-term use.

→2・OH ・・・式(3)
→・H+・OOH ・・・式(4)
また、Fe2+、Ti3+、Cu+などの遷移金属の低原子価のイオンが存在する場合には、過酸化水素がこれらの金属イオンにより1電子還元されてヒドロキシラジカルを生じるハーバーワイス(Haber-Weiss)反応が起こる。ヒドロキシラジカルは、活性酸素の中で最も反応性に富み、酸化力が非常に強いことが知られている。なお、金属イオンが鉄イオンの場合には、ハーバーワイス反応は下式(5)に示すフェントン(Fenton)反応として知られている。
H 2 O 2 → 2.OH Formula (3)
H 2 O 2 → · H + · OOH (4)
In addition, when low-valence ions of transition metals such as Fe 2+ , Ti 3+ , and Cu + exist, Harbor Weiss (Haber −) in which hydrogen peroxide is reduced one electron by these metal ions to generate a hydroxy radical. Weiss) reaction occurs. Hydroxyl radicals are known to be most reactive among active oxygens and have very strong oxidizing power. When the metal ion is an iron ion, the Harbor Weiss reaction is known as a Fenton reaction represented by the following formula (5).

Fe2++H→Fe3++OH- +・OH ・・・式(5)
このように、電解質膜中に金属イオンが混入すると、ハーバーワイス反応により電解質膜の中で過酸化水素がヒドロキシラジカルへと変化し、このヒドロキシラジカルにより電解質膜が劣化するおそれがある(非特許文献1参照。)。
Fe 2+ + H 2 O 2 → Fe 3+ + OH + · OH Formula (5)
As described above, when metal ions are mixed in the electrolyte membrane, hydrogen peroxide is changed into hydroxy radicals in the electrolyte membrane by the Harbor Weiss reaction, and the electrolyte membrane may be deteriorated by the hydroxy radicals (Non-Patent Document). 1).

そこで、ヒドロキシラジカルによる電解質膜の酸化を阻止する方法として、例えば、フェノール性水酸基を有する化合物を電解質膜に配合し、過酸化物ラジカルをトラップして不活性化する方法が提案されている(特許文献1参照。)。また、電解質膜に、フェノール化合物、アミン化合物、イオウ化合物、燐化合物等を酸化防止剤として配合することにより、発生したラジカルを消去する方法が提案されている(特許文献2参照。)。更に、炭素−フッ素結合より小さい結合エネルギーを有する分子を電解質膜に隣接するように配置された触媒層に含有させ、この分子がヒドロキシラジカルに対して優先的に反応することにより電解質膜を保護する方法が提案されている(特許文献3参照。)。
特開2000−223135号公報 特開2004−134269号公報 特開2003−109623号公報 新エネルギー・産業技術総合開発機構 委託先 京都大学工学研究科,「平成13年度成果報告書、固体高分子形燃料電池の研究開発、固体高分子形燃料電池の劣化要因に関する研究、劣化要因に関する基礎研究(1)電極触媒/電解質界面の劣化要因」,平成14年3月,p.13、24、27
Thus, as a method for preventing oxidation of the electrolyte membrane by hydroxy radicals, for example, a method has been proposed in which a compound having a phenolic hydroxyl group is blended in the electrolyte membrane, and peroxide radicals are trapped and inactivated (patent) Reference 1). In addition, a method of eliminating generated radicals by blending an electrolyte membrane with a phenol compound, an amine compound, a sulfur compound, a phosphorus compound or the like as an antioxidant has been proposed (see Patent Document 2). Furthermore, a molecule having a binding energy smaller than that of the carbon-fluorine bond is contained in a catalyst layer disposed adjacent to the electrolyte membrane, and this molecule preferentially reacts with a hydroxyl radical to protect the electrolyte membrane. A method has been proposed (see Patent Document 3).
JP 2000-223135 A JP 2004-134269 A JP 2003-109623 A New Energy and Industrial Technology Development Organization Subcontractor, Graduate School of Engineering, Kyoto University, “2001 Results Report, Research and Development of Solid Polymer Fuel Cells, Research on Degradation Factors of Polymer Electrolyte Fuel Cells, Basics on Degradation Factors Study (1) Electrode catalyst / electrolyte interface degradation factors ", March 2002, p.13, 24, 27

しかしながら、ヒドロキシラジカルが発生する可能性が高い空気極の三相界面付近には酸素及び電極触媒である白金が存在して化合物が酸化されやすい環境であるため、上記のように電解質膜に酸化を防止する化合物を含有させるだけの方法では、その化合物もヒドロキシラジカルの有無に関わらず酸化されて消失する可能性があり効率が悪い。また、化合物がヒドロキシラジカルとの反応により不安定なラジカルまたは過酸化物となって新たな酸化反応の開始剤となり、電解質膜劣化を引き起こす可能性がある。   However, since oxygen and platinum as the electrocatalyst exist in the vicinity of the three-phase interface of the air electrode where there is a high possibility of generating hydroxy radicals, the environment in which the compound is likely to be oxidized oxidizes the electrolyte membrane as described above. In the method in which only the compound to be prevented is contained, the compound may be oxidized and lost regardless of the presence or absence of the hydroxy radical, and the efficiency is poor. In addition, the compound may become unstable radicals or peroxides by reaction with hydroxy radicals and become a new oxidation initiator, which may cause electrolyte membrane deterioration.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、第1の発明である固体高分子型燃料電池システムは、固体高分子電解質膜の一方の面に空気極、他方の面に燃料極を有する膜電極接合体と、この膜電極接合体の空気極側に配置され膜電極接合体との間に空気流路を形成する空気極側セパレータと、膜電極接合体の燃料極側の面に配置され、膜電極接合体との間に燃料ガス流路を形成する燃料極側セパレータと、を備えた単セルを複数積層した固体高分子電解質型燃料電池と、活性酸素を不活性化する抗酸化剤を固体高分子電解質型燃料電池の空気極側又は燃料極側から供給する抗酸化剤供給手段と、を備えることを要旨とする。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. The solid polymer fuel cell system according to the first aspect of the present invention includes an air electrode on one surface of a solid polymer electrolyte membrane and a fuel on the other surface. A membrane electrode assembly having an electrode, an air electrode side separator disposed on the air electrode side of the membrane electrode assembly and forming an air flow path between the membrane electrode assembly, and a fuel electrode side of the membrane electrode assembly A solid polymer electrolyte fuel cell in which a plurality of single cells having a fuel electrode side separator disposed on the surface and forming a fuel gas flow path between the membrane electrode assembly and the active oxygen are inactivated And an antioxidant supply means for supplying the antioxidant from the air electrode side or the fuel electrode side of the solid polymer electrolyte fuel cell.

そして、第2の発明である燃料電池車両は、上記第1の発明に係る固体高分子型燃料電池システムが搭載されていることを要旨とする。   The gist of the fuel cell vehicle according to the second invention is that the solid polymer fuel cell system according to the first invention is mounted.

第1の発明によれば、燃料電池の外部から燃料として働く水素、または水素イオンとは別に燃料電池反応に関与しない抗酸化剤を供給することにより、確実に活性酸素を不活性な水又は酸素に分解し、耐久性に優れた固体高分子型燃料電池システムを実現することができる。   According to the first invention, hydrogen acting as a fuel from the outside of the fuel cell, or an antioxidant that does not participate in the fuel cell reaction is supplied separately from the hydrogen ions, so that the active oxygen is reliably converted into inert water or oxygen. It is possible to realize a polymer electrolyte fuel cell system that is decomposed into two and has excellent durability.

第2の発明によれば、長時間連続運転に耐えうる燃料電池車両を実現することができる。   According to the second aspect of the invention, a fuel cell vehicle that can withstand continuous operation for a long time can be realized.

以下、本発明に係る固体高分子型燃料電池システム及び燃料電池車両の詳細を実施の形態に基づいて説明する。   Hereinafter, the details of a polymer electrolyte fuel cell system and a fuel cell vehicle according to the present invention will be described based on embodiments.

図1は本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの実施の形態を説明する概略的な説明図である。本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、図1に示すように、固体高分子電解質型燃料電池1と、固体高分子電解質型燃料電池1の外部に配置されており、この固体高分子電解質型燃料電池1に活性酸素を不活性化する抗酸化剤を供給する抗酸化剤供給手段11とから大略構成されている。   FIG. 1 is a schematic explanatory view illustrating an embodiment of a polymer electrolyte fuel cell system according to the present invention. As shown in FIG. 1, the polymer electrolyte fuel cell system according to the present embodiment is disposed outside the polymer electrolyte fuel cell 1 and the polymer electrolyte fuel cell 1, and this solid It is generally composed of an antioxidant supply means 11 for supplying an antioxidant that inactivates active oxygen to the polymer electrolyte fuel cell 1.

図1に示すように、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システムを構成する固体高分子電解質型燃料電池1は、電気化学反応により発電を行う基本単位となる単セル2を複数積層して構成されており、積層後に両端部にエンドフランジ(不図示)を配置し、外周部を締結ボルト(不図示)により締結して構成された燃料電池スタック(不図示)を含む。単セル2は、固体高分子電解質膜4の一方の面に空気極5、他方の面に燃料極6を有する膜電極接合体3と、この膜電極接合体3の空気極5側に配置され膜電極接合体3との間に空気流路8を形成する空気極側セパレータ7と、膜電極接合体3の燃料極6側の面に配置され、膜電極接合体3との間に燃料ガス流路10を形成する燃料極側セパレータ9と、を備えている。   As shown in FIG. 1, a solid polymer electrolyte fuel cell 1 constituting the solid polymer fuel cell system according to the present embodiment includes a plurality of single cells 2 that are basic units for generating power by an electrochemical reaction. It includes a fuel cell stack (not shown) configured by disposing end flanges (not shown) at both ends after stacking and fastening the outer periphery with fastening bolts (not shown). The single cell 2 is disposed on the air electrode 5 side of the membrane electrode assembly 3 having the air electrode 5 on one surface of the solid polymer electrolyte membrane 4 and the fuel electrode 6 on the other surface. A fuel gas is disposed between the air electrode side separator 7 that forms the air flow path 8 between the membrane electrode assembly 3 and the fuel electrode 6 side surface of the membrane electrode assembly 3, and between the membrane electrode assembly 3. And a fuel electrode side separator 9 that forms a flow path 10.

単位セル2に用いる固体高分子電解質膜4としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体膜(商品名;ナフィオン(登録商標)112、米国デュポン社)などを使用することができる。そして、固体高分子電解質膜4の一方の面に空気極5、他方の面に燃料極6として白金触媒担持カーボンの触媒層がそれぞれ接合されて膜電極接合体3が形成されている。   As the solid polymer electrolyte membrane 4 used for the unit cell 2, a perfluorocarbon polymer membrane having a sulfonic acid group (trade name; Nafion (registered trademark) 112, DuPont, USA) and the like can be used. The membrane electrode assembly 3 is formed by joining a platinum catalyst-supporting carbon catalyst layer as an air electrode 5 on one surface of the solid polymer electrolyte membrane 4 and a fuel electrode 6 on the other surface.

空気極側セパレータ7及び燃料極側セパレータ9は、カーボンや金属をプレート状に成形し、その表面にガス流路及び冷却水流路が形成されたものである。空気流路8は空気極5と空気極側セパレータ7との間に形成されており、空気極5に反応ガスである空気の供給を行う。燃料ガス流路10は燃料極6と燃料極側セパレータ9との間に形成されており、燃料極6に反応ガスである水素の供給を行う。なお、燃料ガス流路10は燃料ガスを加湿することにより水分の補給通路として、また、空気流路8は生成した水の除去通路としても機能する。なお、各セパレータ7、9と各電極5、6との間には、カーボンペーパやカーボン不織布等により形成されたガス拡散層を適宜配置する。   The air electrode side separator 7 and the fuel electrode side separator 9 are formed by forming carbon or metal into a plate shape and forming a gas channel and a cooling water channel on the surface thereof. The air flow path 8 is formed between the air electrode 5 and the air electrode side separator 7, and supplies air as a reaction gas to the air electrode 5. The fuel gas channel 10 is formed between the fuel electrode 6 and the fuel electrode side separator 9, and supplies hydrogen as a reaction gas to the fuel electrode 6. The fuel gas channel 10 functions as a moisture replenishment passage by humidifying the fuel gas, and the air channel 8 also functions as a generated water removal passage. A gas diffusion layer formed of carbon paper or carbon nonwoven fabric is appropriately disposed between the separators 7 and 9 and the electrodes 5 and 6.

上記構成の固体高分子電解質型燃料電池1の各単セル2において、空気流路8及び燃料ガス流路10に空気及び水素ガスが各々供給されると、空気及び水素ガスがそれぞれ空気極5及び燃料極6側に供給され、以下に示す式(6)及び(7)反応が起こる。   In each single cell 2 of the solid polymer electrolyte fuel cell 1 having the above-described configuration, when air and hydrogen gas are respectively supplied to the air flow path 8 and the fuel gas flow path 10, the air and hydrogen gas are respectively supplied to the air electrode 5 and the air electrode 5. Supplied to the fuel electrode 6 side, the following reactions (6) and (7) occur.

燃料極側:H2 →2H+ +2e- ・・・式(6)
空気極側:(1/2)O2+2H+ +2e-→H2O ・・・式(7)
図3に示すように、燃料極6側に水素ガスが供給されると、式(6)の反応が進行してH+(プロトン) とe-(電子)とが生成する。H+は、水和状態で固体高分子電解質膜4内を移動して空気極5側に流れ、空気極5側では、H+とe-と供給された空気中の酸素ガスとにより式(7)の反応が進行して水が生成する。この際に、燃料極6で生成した電子が図3に示す外部回路17を介して空気極5へ移動することにより起電力が得られる。
Fuel electrode side: H 2 → 2H + + 2e Expression (6)
Air electrode side: (1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (7)
As shown in FIG. 3, when hydrogen gas is supplied to the fuel electrode 6 side, the reaction of the formula (6) proceeds and H + (proton) And e (electrons) are generated. H + moves in the solid polymer electrolyte membrane 4 in a hydrated state and flows to the air electrode 5 side. On the air electrode 5 side, H + , e and oxygen gas in the supplied air represent the formula ( The reaction of 7) proceeds to produce water. At this time, an electromotive force is obtained by electrons generated at the fuel electrode 6 moving to the air electrode 5 via the external circuit 17 shown in FIG.

このように、空気極5での反応は、分子状酸素(O)の4電子還元による水の生成である。この酸素の4電子還元の他に副反応が同時に起こり、酸素の1電子還元体であるスーパーオキシド(O )、スーパーオキシドの共役酸であるヒドロペルオキシラジカル(・OOH)、2電子還元体である過酸化水素(H)、3電子還元体であるヒドロキシラジカル(・OH)などの活性酸素が発生する。各活性酸素の発生メカニズムは、それぞれ下記式(8)〜(12)に示す複数の素反応過程を経由する複合反応と推察される。 Thus, the reaction at the air electrode 5 is generation of water by four-electron reduction of molecular oxygen (O 2 ). In addition to this 4-electron reduction of oxygen, side reactions occur simultaneously, superoxide (O 2 ), which is a one-electron reductant of oxygen, hydroperoxy radical (· OOH), a conjugate acid of superoxide, and a two-electron reductant. Active oxygen such as hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), a three-electron reduced form, or a hydroxy radical (.OH) is generated. The generation mechanism of each active oxygen is presumed to be a complex reaction through a plurality of elementary reaction processes represented by the following formulas (8) to (12).

+e→O ・・・式(8)
+H→・OOH ・・・式(9)
+2H+2e→H ・・・式(10)
+H+e→HO+・OH ・・・式(11)
→2・OH ・・・式(12)
発生した活性酸素は、下記式(13)〜(15)の素反応過程を経由し、最終的には水に還元されると推察される。なお、Eは標準酸化還元電位(Normal Hydrogen Electrode;NHE)で表している。
O 2 + e → O 2 (8)
O 2 + H + → · OOH Formula (9)
O 2 + 2H + + 2e → H 2 O 2 Formula (10)
H 2 O 2 + H + + e → H 2 O + · OH Formula (11)
H 2 O 2 → 2.OH Formula (12)
The generated active oxygen is presumed to be finally reduced to water through the elementary reaction processes of the following formulas (13) to (15). Note that E 0 is represented by a normal oxidation-reduction potential (Normal Hydrogen Electrode; NHE).

・OOH+H+e→H=1.50[V] ・・・式(13)
+2H+2e→2HO E=1.77[V] ・・・式(14)
・OH+H+e→HO E=2.85[V] ・・・式(15)
ここで問題となるのは、酸化還元電位が2.85[V]と高く、酸化力の強いヒドロキシラジカルである。ヒドロキシラジカルは、活性酸素の中で最も反応性が高く寿命が百万分の一秒と非常に短い。また、酸化力も強い。このため、速やかに還元しないとヒドロキシラジカルは他の分子と反応する。燃料電池で問題となっている酸化劣化のほとんどが、このヒドロキシラジカルが原因であると推察されている。このヒドロキシラジカルは、燃料電池が発電している間、上記式(8)〜(12)を経由して発生し続ける。一方、ヒドロペルオキシラジカル及び過酸化水素は、ヒドロキシラジカルと比較すると酸化力が弱いが、水に還元される過程でヒドロキシラジカルを経由する可能性がある。このように、ヒドロキシラジカルの発生は、固体高分子電解質型燃料電池で発電している限り半永久的に続くものである。このため、ヒドロキシラジカルを不活性化する化合物を連続的に固体高分子電解質型燃料電池に供給しなければ、発生し続けるヒドロキシラジカルにより固体高分子電解質膜が劣化するおそれがある。本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システムでは、固体高分子型燃料電池1の外部に設けた抗酸化剤供給手段11により、抗酸化剤を固体高分子型燃料電池1に供給するため、固体高分子型燃料電池1で発電を続け、活性酸素が発生し続けている状態であっても、燃料電池の外部から燃料として働く水素、または水素イオンとは別に燃料電池反応に関与しない抗酸化剤により確実に活性酸素を不活性化して消去することができるため、固体高分子電解質膜の劣化を防ぐことができる。また、抗酸化剤が酸化されやすい環境であっても外部から抗酸化剤を供給するため活性酸素を不活性化する効率が落ちない。
OOH + H + + e → H 2 O 2 E 0 = 1.50 [V] (13)
H 2 O 2 + 2H + + 2e → 2H 2 O E 0 = 1.77 [V] (14)
OH + H + + e → H 2 O E 0 = 2.85 [V] (15)
The problem here is a hydroxy radical having a high oxidation-reduction potential of 2.85 [V] and a strong oxidizing power. Hydroxyl radicals are the most reactive of active oxygen and have a very short lifetime of one millionth of a second. It also has strong oxidizing power. For this reason, hydroxyl radicals react with other molecules unless they are reduced quickly. It is speculated that most of the oxidative degradation that is a problem in fuel cells is caused by this hydroxy radical. This hydroxy radical continues to be generated via the above formulas (8) to (12) while the fuel cell is generating power. On the other hand, hydroperoxy radicals and hydrogen peroxide are less oxidative than hydroxy radicals, but may pass through hydroxyl radicals in the process of being reduced to water. Thus, the generation of hydroxy radicals continues semipermanently as long as power is generated by the solid polymer electrolyte fuel cell. For this reason, unless the compound that inactivates the hydroxy radical is continuously supplied to the solid polymer electrolyte fuel cell, the solid polymer electrolyte membrane may be deteriorated by the hydroxy radical that continues to be generated. In the polymer electrolyte fuel cell system according to the present embodiment, the antioxidant is supplied to the polymer electrolyte fuel cell 1 by the antioxidant supply means 11 provided outside the polymer electrolyte fuel cell 1. Even when the solid polymer fuel cell 1 continues to generate power and active oxygen continues to be generated, it does not participate in the fuel cell reaction separately from hydrogen or hydrogen ions acting as fuel from the outside of the fuel cell. Since the active oxygen can be reliably inactivated and erased by the oxidant, the solid polymer electrolyte membrane can be prevented from being deteriorated. Further, even in an environment where the antioxidant is easily oxidized, the efficiency of inactivating active oxygen is not lowered because the antioxidant is supplied from the outside.

活性酸素の発生は、固体高分子電解質型燃料電池で発電している限り半永久的に続くため、抗酸化剤は、空気極又は燃料極から抗酸化剤溶液として連続的に供給することがより効果的である。望ましくは、固体高分子型燃料電池1の燃料極9側から供給することが好ましい。抗酸化剤を燃料極9側から供給する場合には、例えば、図1に示すように、抗酸化剤供給手段11を、抗酸化剤溶液が封入されている抗酸化剤溶液タンク12と、抗酸化剤溶液を固体高分子電解質型燃料電池1の燃料極6側へ供給する送液ポンプ13と、抗酸化剤溶液タンク12と送液ポンプ13とを接続する抗酸化剤溶液管路14と、送液ポンプ13と燃料ガス流路10とを接続するた抗酸化剤供給管路15とから構成する。上記したように、固体高分子型燃料電池1の空気極側セパレータ7及び燃料極側セパレータ9の表面には、反応ガスである空気や水素の供給を行うための空気流路8及び燃料ガス流路10がそれぞれ形成されている。各反応ガスは、図2に示す固体高分子型燃料電池システムを構成する固体高分子電解質型燃料電池の単セルの分解斜視図のようにバブラ(不図示)により加湿された状態で空気流路8及び燃料ガス流路10を通過する。この際に、抗酸化剤溶液を、送液ポンプ13の駆動力により抗酸化剤溶液タンク12から抗酸化剤溶液管路14及び溶液供給管路15を介して燃料ガス流路10に供給する。燃料ガス流路10に供給された抗酸化剤溶液は、図3に示す単セルを構成する膜電極接合体における物質の移動を説明する説明図のように、燃料極6側から固体高分子電解質膜4に拡散されて空気極5側に移動する。そして、抗酸化剤は濃度勾配に従って均一に空気極5に分散される。   Since the generation of active oxygen continues semipermanently as long as power is generated by the solid polymer electrolyte fuel cell, it is more effective to continuously supply the antioxidant as an antioxidant solution from the air electrode or the fuel electrode. Is. Desirably, the polymer electrolyte fuel cell 1 is preferably supplied from the fuel electrode 9 side. When the antioxidant is supplied from the fuel electrode 9 side, for example, as shown in FIG. 1, an antioxidant supply means 11 is connected to an antioxidant solution tank 12 in which an antioxidant solution is sealed, and an anti-oxidant solution. A liquid feed pump 13 for supplying an oxidant solution to the fuel electrode 6 side of the solid polymer electrolyte fuel cell 1, an antioxidant solution line 14 connecting the antioxidant solution tank 12 and the liquid feed pump 13, The liquid supply pump 13 and the fuel gas flow path 10 are connected to each other, and the antioxidant supply pipe 15 is connected. As described above, on the surfaces of the air electrode side separator 7 and the fuel electrode side separator 9 of the polymer electrolyte fuel cell 1, the air flow path 8 and the fuel gas flow for supplying air or hydrogen as the reaction gas are provided. Each path 10 is formed. Each reaction gas is air-flowed in a state of being humidified by a bubbler (not shown) as shown in an exploded perspective view of a single cell of the solid polymer electrolyte fuel cell constituting the solid polymer fuel cell system shown in FIG. 8 and the fuel gas flow path 10. At this time, the antioxidant solution is supplied from the antioxidant solution tank 12 to the fuel gas passage 10 through the antioxidant solution pipe 14 and the solution supply pipe 15 by the driving force of the liquid feed pump 13. The antioxidant solution supplied to the fuel gas channel 10 is a solid polymer electrolyte from the fuel electrode 6 side as shown in the explanatory view for explaining the movement of substances in the membrane electrode assembly constituting the single cell shown in FIG. It diffuses in the membrane 4 and moves to the air electrode 5 side. The antioxidant is uniformly dispersed in the air electrode 5 according to the concentration gradient.

このように、抗酸化剤を抗酸化剤溶液として燃料極6側から供給する方が好ましい理由としては、ヒドロキシラジカル等の活性酸素が発生する可能性が高いのは空気極の三相界面付近であることがあげられる。図4に示す空気極における三相界面を示す模式図のように、空気極の三相界面付近は、空気中の酸素及び電極触媒である白金が存在する非常に酸化されやすい環境である。このため、抗酸化剤を空気極から導入した場合には、抗酸化剤自体が空気極の三相界面でヒドロキシラジカルの有無にかかわらず酸化されて消失する可能性があり、活性酸素の不活性化効率が低下する可能性がある。   As described above, the reason why it is preferable to supply the antioxidant from the fuel electrode 6 side as an antioxidant solution is that active oxygen such as hydroxy radicals is likely to be generated near the three-phase interface of the air electrode. There is something. As shown in the schematic diagram showing the three-phase interface in the air electrode shown in FIG. 4, the vicinity of the three-phase interface of the air electrode is an environment where oxygen in the air and platinum as an electrode catalyst are present and are easily oxidized. For this reason, when an antioxidant is introduced from the air electrode, the antioxidant itself may be oxidized and disappeared at the three-phase interface of the air electrode regardless of the presence or absence of hydroxy radicals. Efficiency may be reduced.

また、上記したように、空気極側セパレータ7の空気流路8は生成した水の除去通路としても機能する。このため、過剰に供給され不用となった抗酸化剤や、活性酸素を不活性化して酸化体となった抗酸化剤を三相界面上の触媒によって酸化させてCO、HOまたはN等とした後に、生成水と同時に図1に示す排出管16より排出させることができる。このため、抗酸化剤が活性酸素との反応により酸化体、不安定なラジカルまたは過酸化物となり、新たな酸化反応の開始剤となって電解質膜劣化を引き起こすことを防ぐことができる。 Further, as described above, the air flow path 8 of the air electrode side separator 7 also functions as a generated water removal passage. For this reason, an antioxidant that is supplied excessively and becomes unnecessary, or an antioxidant that has become an oxidant by inactivating active oxygen is oxidized by a catalyst on the three-phase interface to produce CO 2 , H 2 O or N after two such, generated water and can be discharged from the discharge pipe 16 shown in FIG. 1 at the same time. For this reason, it can be prevented that the antioxidant becomes an oxidant, unstable radical or peroxide due to the reaction with active oxygen, and becomes a new oxidation reaction initiator to cause deterioration of the electrolyte membrane.

なお、抗酸化剤溶液を調整する際には、空気極に均一に分散させるために難溶でもかまわないが溶媒に溶解することが重要である。不溶の場合には、水素ラジカルの出入りが不可能となり活性酸素を不活性化する効果が十分に発揮されない。このため、抗酸化剤が溶解する溶媒を選ぶことが必要であり、必要に応じて有機溶媒単独、または有機溶媒と水との混合溶媒を用いる。そして、有機溶媒を使用する場合には、発電性能に影響を与えないことを予め確認する必要がある。このため、抗酸化剤が溶解可能であれば水溶液とすることが発電性能の点から好ましい。   When preparing the antioxidant solution, it may be difficult to dissolve in the air electrode, but it is important to dissolve in the solvent. If insoluble, hydrogen radicals cannot enter and exit, and the effect of inactivating active oxygen is not sufficiently exhibited. For this reason, it is necessary to select a solvent in which the antioxidant is dissolved, and an organic solvent alone or a mixed solvent of an organic solvent and water is used as necessary. And when using an organic solvent, it is necessary to confirm beforehand that it does not affect a power generation performance. For this reason, it is preferable from the point of power generation performance to use aqueous solution if the antioxidant can be dissolved.

また、抗酸化剤は、炭素、酸素、窒素及び水素の4原子から構成される炭化水素系化合物であることが好ましい。炭素、酸素、窒素及び水素以外の他の原子は、電極中の白金を被毒して燃料電池の発電性能を阻害する可能性がある。また、卑金属原子の場合には、ヒドロキシラジカルの発生を促進させる可能性がある。さらに、抗酸化剤を空気極で酸化させて排出させる場合を考慮すると、炭素、酸素、窒素及び水素の4原子のみから構成され、CO、HOやNに分解される炭化水素系化合物であることが好ましい。ヒドロキシラジカルの酸化還元電位は非常に高いため、上記4原子から構成される炭化水素系化合物の大部分は、熱力学的にヒドロキシラジカルに対して還元剤として働くと考えられる。また、各化合物は、速度論的に還元能力に差があると考えられる。そして、ヒドロキシラジカルの高い反応性を考慮すると、抗酸化剤の不活性化反応は速度論的に速い方が好ましい。また、抗酸化剤が酸化された酸化体、すなわち、活性酸素により酸化されて得られる化合物の安定性も重要である。抗酸化剤の酸化体が不安定であると、酸化された物質が新たな副反応の開始剤となり、電解質膜の劣化を促進する可能性があるためである。このため、比較的速度論的に速く、酸化体が化学的に安定な化合物として、イソプロパノール、2−ブタノール、シクロヘキサノール等ヒドロキシル基を有する第二級アルコール系化合物、フェノール類、フェノール、クレゾール、ピクリン酸、ナフトール、ヒドロキノン等ヒドロキシル基を有する芳香族、ジオキサン、テトラヒドロフラン、ベンジルメチルエーテル等のエーテル系化合物、プロピルアミン、ジエチルアミン、アセトアミド、アニリン、N−ヒドロキシ系化合物等の含窒素系化合物、及び上記に示した複数の置換基を有する化合物があげられる。 The antioxidant is preferably a hydrocarbon compound composed of four atoms of carbon, oxygen, nitrogen and hydrogen. Atoms other than carbon, oxygen, nitrogen, and hydrogen can poison the platinum in the electrode and hinder the power generation performance of the fuel cell. Further, in the case of a base metal atom, there is a possibility of promoting the generation of hydroxy radicals. Furthermore, in consideration of the case where the antioxidant is oxidized and discharged at the air electrode, it is composed of only four atoms of carbon, oxygen, nitrogen and hydrogen, and is a hydrocarbon system that is decomposed into CO 2 , H 2 O and N 2 A compound is preferred. Since the oxidation-reduction potential of the hydroxy radical is very high, most of the hydrocarbon compounds composed of the four atoms are considered to act thermodynamically as a reducing agent for the hydroxy radical. Each compound is considered to have a difference in reducing ability in terms of kinetics. And considering the high reactivity of the hydroxy radical, the inactivation reaction of the antioxidant is preferably kinetically fast. In addition, the stability of an oxidant obtained by oxidizing an antioxidant, that is, a compound obtained by oxidation with active oxygen is also important. This is because if the oxidant of the antioxidant is unstable, the oxidized substance becomes an initiator of a new side reaction and may promote deterioration of the electrolyte membrane. Therefore, secondary alcohol compounds having a hydroxyl group such as isopropanol, 2-butanol, cyclohexanol, phenols, phenol, cresol, picrine, etc., which are relatively kinetically fast and chemically stable in oxidant. Aromatic compounds having hydroxyl groups such as acid, naphthol and hydroquinone, ether compounds such as dioxane, tetrahydrofuran and benzylmethyl ether, nitrogen-containing compounds such as propylamine, diethylamine, acetamide, aniline and N-hydroxy compounds, and the above Examples thereof include compounds having a plurality of the substituents shown.

このような化合物を選択するにあたり重要なことは、化合物の安定性、耐久性、耐熱性である。特に、化合物の安定性及び耐久性は、活性酸素を不活性化し続けて燃料電池を長期にわたって使用する意味において最も重要である。また、抗酸化剤の酸化体の加水分解された加水分解物も化学的に安定であることがより好ましい。抗酸化剤の安定性は、抗酸化剤を燃料極に供給して空気極で排出される間安定であれば活性酸素を不活性化する効果を得ることが可能である。一方、上記したように活性酸素を不活性化して不用となった場合に生成水と同時に排出させることを考慮すると、抗酸化剤の加水分解物がラジカルを生成することがなく安定している方がシステムを長期間運転させる上で好ましい。また、燃料電池の定常状態の運転温度が80〜90[℃]、将来電解質膜の耐熱性が向上することを考慮すると、抗酸化剤は120[℃]位の温度まで安定である耐熱性を有する必要がある。   What is important in selecting such a compound is the stability, durability and heat resistance of the compound. In particular, the stability and durability of the compound is of utmost importance in the sense that the active oxygen will continue to be inactivated and the fuel cell will be used for a long time. Moreover, it is more preferable that the hydrolyzate obtained by hydrolyzing the oxidized oxidant of the antioxidant is also chemically stable. As for the stability of the antioxidant, it is possible to obtain an effect of inactivating active oxygen if it is stable while the antioxidant is supplied to the fuel electrode and discharged from the air electrode. On the other hand, considering that the active oxygen is deactivated as described above and is discharged at the same time as the generated water, the antioxidant hydrolyzate is stable without generating radicals. Is preferable for operating the system for a long period of time. Considering that the steady-state operating temperature of the fuel cell is 80 to 90 [° C.] and that the heat resistance of the electrolyte membrane will be improved in the future, the antioxidant has a heat resistance that is stable up to a temperature of about 120 [° C.]. It is necessary to have.

活性酸素を不活性化する化合物としては、少なくとも速やかにヒドロキシラジカルにより酸化される酸化電位2.85[V]以下の化合物であることが好ましいが、より好ましくは酸化されるだけではなく、酸化された酸化体が還元されることにより元の形に戻る酸化還元サイクルを有する酸化還元可逆性を示すものが好ましい。その酸化還元電位は、0.68[V](NHE)より大きくかつ1.00[V](NHE)より小さいことが好ましい。0.68[V](NHE)は過酸化水素が還元剤として働く電位であり、この電位以上とすることにより化合物の酸化体が過酸化水素を酸化して、化合物は元の形に戻る。一方、1.77[V](NHE)は、過酸化水素が酸化剤として働く電位であり、これ以上の高い酸化電位の場合には化合物の酸化体が新たな酸化剤として作用し、電解質膜等を酸化する場合がある。   The compound that inactivates active oxygen is preferably a compound having an oxidation potential of 2.85 [V] or less that is oxidized at least promptly by a hydroxyl radical, but more preferably it is not only oxidized but also oxidized. Those exhibiting redox reversibility having a redox cycle that returns to its original form when the oxidized form is reduced are preferred. The oxidation-reduction potential is preferably larger than 0.68 [V] (NHE) and smaller than 1.00 [V] (NHE). 0.68 [V] (NHE) is a potential at which hydrogen peroxide acts as a reducing agent, and when this potential is exceeded, the oxidant of the compound oxidizes hydrogen peroxide and the compound returns to its original form. On the other hand, 1.77 [V] (NHE) is a potential at which hydrogen peroxide acts as an oxidant. When the oxidation potential is higher than this, an oxidant of the compound acts as a new oxidant, and the electrolyte membrane Etc. may be oxidized.

化合物の酸化力を低減させるため酸化還元電位が1.00[V]以下であることがより好ましい場合がある。電解質膜としてフッ素系膜を使用する場合は、フッ素系電解質膜が酸化を受ける電位は2.5[V]以上であるため1.00[V]の酸化力では電解質膜は酸化されず問題はない。一方、電解質膜として炭化水素系電解質膜を使用する場合には、添加する化合物の酸化還元電位が1.00[V]より高くなると、炭化水素系電解質膜を酸化される可能性がある。代表的な有機化合物で代用して考えてみると、ベンゼンは2.00[V]、トルエンは1.93[V]、キシレンは1.58[V]で酸化され、フッ素系電解質膜に比較すると低い酸化還元電位で酸化される。このため、酸化還元電位を1.00[V]以下とすることにより、炭化水素系膜を使用した場合にも電解質膜が酸化されることがなく長期に渡って使用が可能となる。なお、実際の酸化還元電位(Real Hydrogen Electrode;RHE)はpH、温度などの諸条件によって変化するので、それに合わせた範囲のものを用いることが好ましい。   In some cases, the redox potential is more preferably 1.00 [V] or less in order to reduce the oxidizing power of the compound. When a fluorine-based membrane is used as the electrolyte membrane, the potential at which the fluorine-based electrolyte membrane undergoes oxidation is 2.5 [V] or higher, and therefore the electrolyte membrane is not oxidized with an oxidizing power of 1.00 [V]. Absent. On the other hand, when a hydrocarbon-based electrolyte membrane is used as the electrolyte membrane, the hydrocarbon-based electrolyte membrane may be oxidized if the oxidation-reduction potential of the compound to be added becomes higher than 1.00 [V]. Substituting a representative organic compound, benzene is oxidized at 2.00 [V], toluene is 1.93 [V], and xylene is oxidized at 1.58 [V], which is compared with a fluorine electrolyte membrane. Then, it is oxidized at a low redox potential. For this reason, by setting the oxidation-reduction potential to 1.00 [V] or less, even when a hydrocarbon film is used, the electrolyte film is not oxidized and can be used for a long time. In addition, since an actual oxidation-reduction potential (Real Hydrogen Electrode; RHE) changes depending on various conditions such as pH and temperature, it is preferable to use a voltage in a range corresponding to the conditions.

酸化還元可逆性を有することは、次の理由により重要である。燃料電池で発電しながら酸化防止を行う場合、電解酸化も考慮しなければならない。活性酸素を水へ還元する化合物を抗酸化物質として電極側から電解質へ供給すると、抗酸化物質は電極で電解酸化され、電解質内に酸化された状態で入る可能性がある。特に、固体高分子型燃料電池の理論電圧である1.23[V](NHE)以下の化合物は、電解質に入る前に電解酸化される可能盛大である。可逆的な酸化還元能を示さない化合物の場合には、この化合物が電解酸化された時点で抗酸化物質としての機能を失うことになる。化合物が可逆的な酸化還元能を示す場合には、過酸化水素等を還元剤として再生されて還元体となり、再び抗酸化物質としての機能を有する。こうした観点からも、抗酸化剤として供給する化合物が可逆的な酸化還元能を有する場合には、抗酸化剤の供給量を低減可能となる。また、可逆的な酸化還元能を有する抗酸化剤であれば、積極的に電解酸化させることにより、過酸化水素をヒドロキシラジカル経由せずに不活性化する手法も成立し、活性酸素をより効果的に不活性化できる可能性もある。   Having redox reversibility is important for the following reasons. When performing oxidation prevention while generating power with a fuel cell, electrolytic oxidation must also be considered. When a compound that reduces active oxygen to water is supplied as an antioxidant from the electrode side to the electrolyte, the antioxidant is electrolytically oxidized at the electrode and may enter the electrolyte in an oxidized state. In particular, a compound having a theoretical voltage of 1.23 [V] (NHE) or less, which is a theoretical voltage of a polymer electrolyte fuel cell, is very likely to be electrolytically oxidized before entering an electrolyte. In the case of a compound that does not exhibit a reversible redox ability, the function as an antioxidant is lost when this compound is electrolytically oxidized. When the compound exhibits a reversible oxidation-reduction ability, it is regenerated using hydrogen peroxide or the like as a reducing agent to form a reductant, and again has a function as an antioxidant. Also from this viewpoint, when the compound supplied as the antioxidant has a reversible redox ability, the supply amount of the antioxidant can be reduced. In addition, if the antioxidant has reversible oxidation-reduction ability, a method to inactivate hydrogen peroxide without passing through hydroxyl radicals by positive electrolytic oxidation has been established, making active oxygen more effective. May be inactivated.

また、上記抗酸化剤は、下記の一般式(I)

Figure 2006100251
In addition, the antioxidant is represented by the following general formula (I)
Figure 2006100251

(式中、R1及びR2は同一又は異なる任意の置換基を、Xは酸素原子又はヒドロキシル基を表す。)で示される化合物であることが好ましく、更には、R1及びR2は互いに結合して二重結合、芳香環、又は非芳香族性の環を形成していることが好ましい。 (Wherein R1 and R2 represent the same or different arbitrary substituents, X represents an oxygen atom or a hydroxyl group), and R1 and R2 are preferably bonded to each other to form It is preferable to form a heavy bond, an aromatic ring, or a non-aromatic ring.

さらに、この抗酸化剤が、下記の一般式(II)

Figure 2006100251
Further, this antioxidant has the following general formula (II)
Figure 2006100251

(式中環Y1は、二重結合を有する、芳香族性又は非芳香族性の5〜12員環のうちいずれか一種類の環を表す。)で示されるイミド化合物であることが好ましい。 (In the formula, ring Y1 represents an imide compound represented by any one of aromatic or non-aromatic 5- to 12-membered rings having a double bond).

上記した化合物を抗酸化剤として固体高分子型燃料電池に供給すると、下式(16)に示す素反応により、効率的にヒドロキシラジカルを水へと還元して電解質膜の酸化を抑制する。   When the above-mentioned compound is supplied as an antioxidant to the polymer electrolyte fuel cell, hydroxy radicals are efficiently reduced to water by the elementary reaction shown in the following formula (16) to suppress oxidation of the electrolyte membrane.

>NOH+・OH →>NO・+HO ・・・式(16)
また、水素供給により発生したN−オキシルラジカル(>NO・)は、過酸化水素から水素ラジカルを引き抜き、元のヒドロキシイミド(>NOH)の形に回復する。
> NOH + OH →> NO. + H 2 O (16)
Further, the N-oxyl radical (> NO.) Generated by the hydrogen supply draws out the hydrogen radical from hydrogen peroxide and recovers to the original hydroxyimide (> NOH) form.

2(>NO・)+H→2(>NOH)+O ・・・式(17)
図5に、ヒドロキシイミド基を有する化合物の代表例としてN−ヒドロキシフタルイミド(NHPI)を、また、NHPIがラジカル化したNHPIの酸化体としてフタルイミドN−オキシル(PINO)を示し、活性酸素であるヒドロキシラジカルや過酸化水素を不活性化するメカニズムを表す。図5に示すように、NHPIはヒドロキシラジカルに対して還元剤として作用してPINOと水を生成し、PINOは過酸化水素と反応してNHPIに戻る。この際、PINOは過酸化水素に対して酸化剤として作用して、過酸化水素を酸素に不活性化する。このように、NHPIとPINOとの間で酸化還元サイクルが回ることにより、抗酸化剤として何度でも使用することができるため、長期に渡り活性酸素を不活性化することができ、耐久性能が維持された固体高分子型燃料電池用電解質システムを実現することが可能となる。さらには、酸化還元サイクルが回ることにより、ヒドロキシラジカルを還元した後に抗酸化剤が新たな副反応を引き起こす開始剤となることがない。
2 (> NO ·) + H 2 O 2 → 2 (> NOH) + O 2 Formula (17)
FIG. 5 shows N-hydroxyphthalimide (NHPI) as a representative example of a compound having a hydroxyimide group, and phthalimide N-oxyl (PINO) as an oxidant of NHPI radicalized by NHPI. Describes the mechanism for inactivating radicals and hydrogen peroxide. As shown in FIG. 5, NHPI acts as a reducing agent on hydroxy radicals to produce PINO and water, and PINO reacts with hydrogen peroxide to return to NHPI. At this time, PINO acts as an oxidizing agent for hydrogen peroxide to inactivate the hydrogen peroxide to oxygen. As described above, since the redox cycle between NHPI and PINO can be used as many times as an antioxidant, it is possible to inactivate active oxygen over a long period of time, and durability performance is improved. A maintained electrolyte system for a polymer electrolyte fuel cell can be realized. Furthermore, since the oxidation-reduction cycle rotates, the antioxidant does not become an initiator that causes a new side reaction after the hydroxy radical is reduced.

さらに、上記化合物は、下記の一般式(III)

Figure 2006100251
Further, the above compound has the following general formula (III)
Figure 2006100251

(式中、R3及びR4は同一又は異なり、それぞれ水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アリール基、シクロアルキル基、ヒドロキシル基、アルコキシル基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基又はアシル基を、Xは酸素原子又はヒドロキシル基を、nは1〜3の整数を表す。)で示されるイミド化合物であることが好ましい。 (Wherein R3 and R4 are the same or different and each represents a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an aryl group, a cycloalkyl group, a hydroxyl group, an alkoxyl group, a carboxyl group, an alkoxycarbonyl group or an acyl group, and X is an oxygen atom. Alternatively, the hydroxyl group is preferably an imide compound represented by n represents an integer of 1 to 3.

また、一般式(III)で表される化合物において、置換基R3及びR4のうちハロゲン原子は、ヨウ素、臭素、塩素及びフッ素が含まれる。アルキル基には、例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、sec−ブチル、t−ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、デシル基などの炭素数1〜10程度の直鎖状又は分岐鎖状アルキル基が含まれる。好ましくは炭素数1〜6程度、より好ましくは炭素数1〜4程度の低級アルキル基があげられる。   In the compound represented by the general formula (III), the halogen atom in the substituents R3 and R4 includes iodine, bromine, chlorine and fluorine. Examples of the alkyl group include straight chain having about 1 to 10 carbon atoms such as methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, isobutyl, sec-butyl, t-butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl and decyl groups. Branched alkyl groups are included. Preferred is a lower alkyl group having about 1 to 6 carbon atoms, more preferably about 1 to 4 carbon atoms.

また、アリール基としては、フェニル基、ナフチル基などが含まれ、シクロアルキル基としては、シクロペンチル、シクロヘキシル、シクロオクチル基などが含まれる。アルコキシ基としては、例えば、メトキシ、エトキシ、プロポキシ、イソプロポキシ、ブトキシ、イソブトキシ、t−ブトキシ、ペンチルオキシ、ヘキシルオキシ基などの炭素数1〜10程度、好ましくは炭素数1〜6程度、より好ましくは炭素数1〜4程度の低級アルコキシ基が含まれる。   In addition, the aryl group includes a phenyl group, a naphthyl group, and the like, and the cycloalkyl group includes a cyclopentyl, cyclohexyl, cyclooctyl group, and the like. Examples of the alkoxy group include about 1 to 10 carbon atoms, preferably about 1 to 6 carbon atoms, such as methoxy, ethoxy, propoxy, isopropoxy, butoxy, isobutoxy, t-butoxy, pentyloxy, and hexyloxy groups, and more preferably about 1 to 6 carbon atoms. Includes a lower alkoxy group having about 1 to 4 carbon atoms.

アルコキシカルボニル基としては、例えば、メトキシカルボニル、エトキシカルボニル、プロポキシカルボニル、イソプロポキシカルボニル、ブトキシカルボニル、イソブトキシカルボニル、t−ブトキシカルボニル、ペンチルオキシカルボニル、ヘキシルオキシカルボニル基などのアルコキシ部分の炭素数が1〜10程度のアルコキシカルボニル基が含まれる。好ましくはアルコキシ部分の炭素数が1〜6程度、より好ましくは炭素数が1〜4程度の低級アルコキシカルボニル基があげられる。   As the alkoxycarbonyl group, for example, the carbon number of the alkoxy moiety such as methoxycarbonyl, ethoxycarbonyl, propoxycarbonyl, isopropoxycarbonyl, butoxycarbonyl, isobutoxycarbonyl, t-butoxycarbonyl, pentyloxycarbonyl, hexyloxycarbonyl group and the like is 1 About 10 to 10 alkoxycarbonyl groups are included. A lower alkoxycarbonyl group having preferably about 1 to 6 carbon atoms, more preferably about 1 to 4 carbon atoms, is preferable.

アシル基としては、例えば、ホルミル、アセチル、プロピオニル、ブチリル、イソブチリル、バレリル、イソバレリル、ピバロイル基などの炭素数1〜6程度のアシル基があげられる。   Examples of the acyl group include acyl groups having about 1 to 6 carbon atoms such as formyl, acetyl, propionyl, butyryl, isobutyryl, valeryl, isovaleryl, and pivaloyl groups.

なお、置換基R3及びR4は、同一であっても又は異なっていてもよい。また、上記一般式(III)で示される化合物において、R3及びR4は互いに結合して、R3及びR4は互いに結合して二重結合、芳香環、又は非芳香族性の環を形成していてもよい。そのうち、芳香環、又は非芳香族性の環は、5〜12員環のうちいずれか一種類の環を形成していることが好ましく、より好ましくは6〜10員環程度であり、複素環又は縮合複素環であってもよいが、炭化水素環である場合が好ましい。   The substituents R3 and R4 may be the same or different. In the compound represented by the general formula (III), R3 and R4 are bonded to each other, and R3 and R4 are bonded to each other to form a double bond, an aromatic ring, or a non-aromatic ring. Also good. Among them, the aromatic ring or the non-aromatic ring preferably forms any one of 5 to 12-membered rings, more preferably about 6 to 10-membered rings. Alternatively, it may be a condensed heterocyclic ring, but is preferably a hydrocarbon ring.

このような環としては、例えば、シクロヘキサン環などのシクロアルカン環、シクロヘキセン環などのシクロアルケン環などの非芳香族性炭化水素環、5−ノルボルネン環などの橋かけ式炭化水素環など非芳香族性橋かけ環、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香環が含まれる。なお、これらの環は、置換基を有していても良い。   Examples of such rings include non-aromatic hydrocarbon rings such as cycloalkane rings such as cyclohexane rings, non-aromatic hydrocarbon rings such as cycloalkene rings such as cyclohexene rings, and non-aromatics such as bridged hydrocarbon rings such as 5-norbornene rings. Aromatic rings such as sex bridged rings, benzene rings and naphthalene rings are included. In addition, these rings may have a substituent.

また、一般式(III)で示される化合物において、特に化合物の安定性、耐久性、電解質膜への溶解性の観点から、より好ましい化合物のR3及びR4が互いに結合して芳香族性又は非芳香族性の5〜12員環を形成したり、R3及びR4が互いに結合して、置換基を有したもの、シクロアルカン環、置換基を有したもの、シクロアルケン環、置換基を有したもの、橋かけ式炭化水素環、置換基を有したものを用いることが可能である。   In addition, in the compound represented by the general formula (III), particularly from the viewpoint of stability, durability, and solubility in the electrolyte membrane, more preferable compounds R3 and R4 are bonded to each other to form an aromatic or non-aromatic compound. A 5-membered or 12-membered ring or a group in which R3 and R4 are bonded to each other and have a substituent, a cycloalkane ring, a substituent, a cycloalkene ring, or a substituent It is possible to use a bridged hydrocarbon ring or one having a substituent.

さらに、一般式(III)で示される化合物は、特に化合物の安定性、耐久性、電解質膜への溶解性の観点から、下記式(3a)〜(3f)で表される化合物

Figure 2006100251
Furthermore, the compound represented by the general formula (III) is a compound represented by the following formulas (3a) to (3f) particularly from the viewpoint of the stability, durability, and solubility in the electrolyte membrane of the compound.
Figure 2006100251

(式中、R3〜R6は同一又は異なって、それぞれ水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、ヒドロキシル基、アルコキシル基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、アシル基、ニトロ基、シアノ基又はアミノ基を示し、nは1〜3の整数を表す。)であることがより好ましい。 (Wherein R3 to R6 are the same or different and each represents a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, a hydroxyl group, an alkoxyl group, a carboxyl group, an alkoxycarbonyl group, an acyl group, a nitro group, a cyano group or an amino group, n represents an integer of 1 to 3).

置換基R3〜R6において、アルキル基には前述のアルキル基と同様のアルキル基のうち特に炭素数1〜6程度のアルキル基が含まれ、アルコキシ基には前術と同様のアルコキシ基のうち特に炭素数1〜4程度の低級アルコキシ基が含まれ、アルコキシカルボニル基には前術と同様のアルコキシカルボニル基のうち特にアルコキシ部分の炭素数が1〜4程度の低級アルコキシカルボニル基が含まれる。   In the substituents R3 to R6, the alkyl group includes an alkyl group having about 1 to 6 carbon atoms among the same alkyl groups as the above-described alkyl group, and the alkoxy group particularly includes the same alkoxy groups as the previous method. A lower alkoxy group having about 1 to 4 carbon atoms is included, and the alkoxycarbonyl group includes a lower alkoxycarbonyl group having about 1 to 4 carbon atoms in the alkoxy moiety among the alkoxycarbonyl groups similar to the previous method.

また、アシル基としては、前述と同様のアシル基のうち特に炭素数1〜6程度のアシル基が例示される。ハロゲン原子としては、フッ素、塩素、臭素原子が例示される。なお、置換基R3〜R6は、通常、水素原子、炭素数1〜4程度の低級アルキル基、カルボキシル基、ニトロ基、ハロゲン原子である場合が多い。   Examples of the acyl group include acyl groups having about 1 to 6 carbon atoms among the same acyl groups as described above. Examples of the halogen atom include fluorine, chlorine and bromine atoms. The substituents R3 to R6 are usually a hydrogen atom, a lower alkyl group having about 1 to 4 carbon atoms, a carboxyl group, a nitro group, or a halogen atom in many cases.

さらに、より好ましいイミド化合物の形態としては、化合物の入手性、合成の容易性、コストの観点から、N−ヒドロキシコハク酸イミド、N−ヒドロキシマレイン酸イミド、N−ヒドロキシヘキサヒドロフタル酸イミド、N,N′−ジヒドロキシシクロヘキサンテトラカルボン酸イミド、N−ヒドロキシフタル酸イミド、N−ヒドロキシテトラブロモフタル酸イミド、N−ヒドロキシテトラクロロフタル酸イミド、N−ヒドロキシヘット酸イミド、N−ヒドロキシハイミック酸イミド、N−ヒドキシトリメリット酸イミド、N,N′−ジヒドロキシピロメリット酸イミド及びN,N′−ジヒドロキシナフタレンテトラカルボン酸イミドからなる群から選択される少なくとも一種のイミド化合物であることが好ましく、この化合物を触媒として電解質膜中に共存させて用いることができる。なお、これらのイミド化合物は、慣用のイミド化反応、例えば、対応する酸無水物とヒドロキシルアミンNHOHとを反応させて酸無水物基を開環した後、閉環してイミド化することにより調製することができる。 Furthermore, as a more preferable form of the imide compound, N-hydroxysuccinimide, N-hydroxymaleimide, N-hydroxyhexahydrophthalimide, N from the viewpoint of availability of the compound, ease of synthesis, and cost. , N'-dihydroxycyclohexanetetracarboxylic imide, N-hydroxyphthalic imide, N-hydroxytetrabromophthalic imide, N-hydroxytetrachlorophthalic imide, N-hydroxyhetic imide, N-hydroxyhymic imide N-hydroxytrimellitic imide, N, N′-dihydroxypyromellitic imide and N, N′-dihydroxynaphthalene tetracarboxylic imide are preferably at least one imide compound, Using this compound as a catalyst It can be used to coexist in the electrolyte membrane. These imide compounds are obtained by a conventional imidization reaction, for example, by reacting the corresponding acid anhydride with hydroxylamine NH 2 OH to open the acid anhydride group and then ring-closing and imidizing. Can be prepared.

一般式(II)で示される化合物が、6員環のN−置換環状イミド骨格を有する下記の一般式(V)

Figure 2006100251
The compound represented by the general formula (II) has the following general formula (V) having a 6-membered N-substituted cyclic imide skeleton.
Figure 2006100251

(式中、Xは酸素原子又はヒドロキシル基を表す。R1〜R6は同一又は異なり、それぞれ水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アリール基、シクロアルキル基、ヒドロキシル基、アルコキシ基、カルボキシル基、置換オキシカルボニル基、アシル基又はアシルオキシ基を表す。また、R1〜R6のうち少なくとも二つが互いに結合して二重結合、又は芳香族性若しくは非芳香族性の環を形成してもよい。この環のうち少なくとも一つがN−置換環状イミド基を有していても良い。)で示される化合物でも良い。N−置換環状イミド骨格において、下式(18)及び下式(19)に示すように5員環及び6員環共に加水分解するが、5員環よりも6員環の方が加水分解が遅く、耐加水分解性が高い。

Figure 2006100251
Figure 2006100251
(In the formula, X represents an oxygen atom or a hydroxyl group. R1 to R6 are the same or different and each represents a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an aryl group, a cycloalkyl group, a hydroxyl group, an alkoxy group, a carboxyl group, a substituted oxy group) Represents a carbonyl group, an acyl group or an acyloxy group, and at least two of R1 to R6 may be bonded to each other to form a double bond or an aromatic or non-aromatic ring. Of these, at least one of them may have an N-substituted cyclic imide group. In the N-substituted cyclic imide skeleton, both the 5-membered ring and the 6-membered ring are hydrolyzed as shown in the following formula (18) and the following formula (19), but the 6-membered ring is more hydrolyzed than the 5-membered ring. Slow and highly resistant to hydrolysis.
Figure 2006100251
Figure 2006100251

このため、N−置換環状イミド骨格を有する化合物が6員環の環状イミドの場合には、酸化還元触媒として何度も使用可能であるため、さらに触媒使用量を減らすことが可能となる。 For this reason, when the compound having an N-substituted cyclic imide skeleton is a 6-membered cyclic imide, it can be used many times as a redox catalyst, so that the amount of catalyst used can be further reduced.

なお、アルキル基には、例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、sec−ブチル、t−ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、デシル基などの炭素数1〜10程度の直鎖状又は分岐鎖状アルキル基があげられる。好ましくは炭素数1〜6程度、より好ましくは炭素数1〜4程度の低級アルキル基があげられる。   The alkyl group includes, for example, a straight chain having about 1 to 10 carbon atoms such as methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, isobutyl, sec-butyl, t-butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl and decyl groups. And a branched alkyl group. Preferred is a lower alkyl group having about 1 to 6 carbon atoms, more preferably about 1 to 4 carbon atoms.

また、アリール基としては、フェニル基、ナフチル基などがあげられ、シクロアルキル基としては、シクロペンチル、シクロヘキシル、シクロオクチル基などがあげられる。アルコキシ基としては、例えば、メトキシ、エトキシ、プロポキシ、イソプロポキシ、ブトキシ、イソブトキシ、t−ブトキシ、ペンチルオキシ、ヘキシルオキシ基などの炭素数1〜10程度、好ましくは炭素数1〜6程度、より好ましくは炭素数1〜4程度の低級アルコキシ基があげられる。   In addition, examples of the aryl group include a phenyl group and a naphthyl group, and examples of the cycloalkyl group include a cyclopentyl, cyclohexyl, and cyclooctyl groups. Examples of the alkoxy group include about 1 to 10 carbon atoms, preferably about 1 to 6 carbon atoms, such as methoxy, ethoxy, propoxy, isopropoxy, butoxy, isobutoxy, t-butoxy, pentyloxy, and hexyloxy groups, and more preferably about 1 to 6 carbon atoms. Is a lower alkoxy group having about 1 to 4 carbon atoms.

アルコキシカルボニル基としては、例えば、メトキシカルボニル、エトキシカルボニル、プロポキシカルボニル、イソプロポキシカルボニル、ブトキシカルボニル、イソブトキシカルボニル、t−ブトキシカルボニル、ペンチルオキシカルボニル、ヘキシルオキシカルボニル基などのアルコキシ部分の炭素数が1〜10程度のアルコキシカルボニル基があげられる。好ましくはアルコキシ部分の炭素数が1〜6程度、より好ましくは炭素数が1〜4程度の低級アルコキシカルボニル基があげられる。   As the alkoxycarbonyl group, for example, the carbon number of the alkoxy moiety such as methoxycarbonyl, ethoxycarbonyl, propoxycarbonyl, isopropoxycarbonyl, butoxycarbonyl, isobutoxycarbonyl, t-butoxycarbonyl, pentyloxycarbonyl, hexyloxycarbonyl group and the like is 1 About 10 to 10 alkoxycarbonyl groups. A lower alkoxycarbonyl group having preferably about 1 to 6 carbon atoms, more preferably about 1 to 4 carbon atoms, is preferable.

アシル基としては、例えば、ホルミル、アセチル、プロピオニル、ブチリル、イソブチリル、バレリル、イソバレリル、ピバロイル基などの炭素数1〜6程度のアシル基があげられる。   Examples of the acyl group include acyl groups having about 1 to 6 carbon atoms such as formyl, acetyl, propionyl, butyryl, isobutyryl, valeryl, isovaleryl, and pivaloyl groups.

また、上記一般式(V)で示される化合物において、R1〜R6のうち少なくとも二つが互いに結合して二重結合又は芳香環若しくは非芳香族性の環を形成していてもよい。そのうち、芳香環又は非芳香族性の環は、5〜12員環のうちいずれか一種類の環を形成していることが好ましく、より好ましくは6〜10員環程度であり、この環は複素環又は縮合複素環であってもよい。このような環としては、例えば、シクロヘキサン環に代表されるシクロアルカン環、シクロヘキセン環などのシクロアルケン環などの非芳香族性炭化水素環、5−ノルボルネン環に代表される橋かけ式炭化水素環など非芳香族性橋かけ環、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香環が含まれる。なお、これらの環は、置換基を有していても良い。   In the compound represented by the general formula (V), at least two of R1 to R6 may be bonded to each other to form a double bond, an aromatic ring, or a non-aromatic ring. Among them, the aromatic ring or the non-aromatic ring preferably forms any one of 5 to 12-membered rings, more preferably about 6 to 10-membered rings. It may be a heterocycle or a fused heterocycle. Examples of such a ring include a non-aromatic hydrocarbon ring such as a cycloalkane ring typified by a cyclohexane ring, a cycloalkene ring such as a cyclohexene ring, and a bridged hydrocarbon ring typified by a 5-norbornene ring. And aromatic rings such as non-aromatic bridged rings, benzene rings, and naphthalene rings. In addition, these rings may have a substituent.

また、一般式(V)で示される化合物は、特に化合物の安定性、耐久性などの観点から、下記一般式(VIa)又は(VIb)

Figure 2006100251
In addition, the compound represented by the general formula (V) is preferably represented by the following general formula (VIa) or (VIb) from the viewpoints of stability and durability of the compound.
Figure 2006100251

(式中、R7〜R12は同一又は異なって、水素原子、アルキル基、ヒドロキシル基、アルコキシル基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、アシル基、ニトロ基、シアノ基又はアミノ基を表す。)で示される化合物であることが好ましい。 (Wherein R7 to R12 are the same or different and each represents a hydrogen atom, an alkyl group, a hydroxyl group, an alkoxyl group, a carboxyl group, an alkoxycarbonyl group, an acyl group, a nitro group, a cyano group, or an amino group). A compound is preferred.

一般式(V)、(VIa)、又は(VIb)で示される化合物が、N−ヒドロキシグルタル酸イミド、N−ヒドロキシ−1,8−ナフタレンジカルボン酸イミド、N−ヒドロキシ−1,8−デカリンジカルボン酸イミド、N,N’−ジヒドロキシ−1,8;4,5−ナフタレンテトラカルボン酸イミド、N,N’−ジヒドロキシ−1,8;4,5−デカリンテトラカルボン酸イミド及びN,N’,N’’−トリヒドロキシイソシアヌル酸からなる群から選択される少なくとも一種のイミド化合物であることが好ましい。5員環、6員環にかかわらず、上記イミド化合物は、慣用のイミド化反応、例えば、対応する酸無水物とヒドロキシルアミン(NHOH)とを反応させて酸無水物基を開環した後、閉環してイミド化することにより調製することができる。 The compound represented by the general formula (V), (VIa), or (VIb) is N-hydroxyglutaric acid imide, N-hydroxy-1,8-naphthalenedicarboxylic acid imide, N-hydroxy-1,8-decalin dicarboxylic acid. Acid imide, N, N′-dihydroxy-1,8; 4,5-naphthalene tetracarboxylic imide, N, N′-dihydroxy-1,8; 4,5-decalin tetracarboxylic imide and N, N ′, It is preferably at least one imide compound selected from the group consisting of N ″ -trihydroxyisocyanuric acid. Regardless of the 5-membered ring or 6-membered ring, the imide compound is a conventional imidation reaction, for example, by reacting a corresponding acid anhydride with hydroxylamine (NH 2 OH) to open the acid anhydride group. Thereafter, it can be prepared by ring closure and imidization.

一般式(I)で示される化合物が、下記の一般式(VII)

Figure 2006100251
The compound represented by the general formula (I) is represented by the following general formula (VII)
Figure 2006100251

(式中、R13及びR14はアルキル基、又は一部が任意の基で置換されたアルキル基であり、R13及びR14は鎖状、環状、又は分岐状でもよい。R13及びR14が互いに結合して環を形成していてもよく、酸素及び窒素原子含んでもかまわない。)で示される化合物であっても良い。一般式(VII)で示される化合物を連続的に供給することにより、連続的に発生する活性酸素を不活性化し、電解質膜の酸化を抑制する。この一般式(VII)で表される化合物において、置換基R13及びR14として、例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、sec−ブチル、t−ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、デシル基などの炭素数1〜10程度の直鎖状又は分岐鎖状アルキル基があげられる。好ましくは炭素数1〜6程度、より好ましくは炭素数1〜4程度の低級アルキル基があげられる。 (Wherein R13 and R14 are an alkyl group or an alkyl group partially substituted with an arbitrary group, and R13 and R14 may be chain, cyclic or branched. R13 and R14 are bonded to each other. It may form a ring and may contain oxygen and nitrogen atoms). By continuously supplying the compound represented by the general formula (VII), the continuously generated active oxygen is inactivated and the oxidation of the electrolyte membrane is suppressed. In the compound represented by the general formula (VII), examples of the substituents R13 and R14 include methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, isobutyl, sec-butyl, t-butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, Examples thereof include a linear or branched alkyl group having about 1 to 10 carbon atoms such as a decyl group. Preferred is a lower alkyl group having about 1 to 6 carbon atoms, more preferably about 1 to 4 carbon atoms.

一般式(VII)で示される化合物が、下記の一般式(VIII)

Figure 2006100251
The compound represented by the general formula (VII) is represented by the following general formula (VIII)
Figure 2006100251

(式中、R13〜R16はアルキル基、又は一部が任意の基で置換されたアルキル基であり、R13〜R16は鎖状、環状、又は分岐状であってもよい。また、R13とR14、又はR15とR16とが互いに結合して環を形成していてもよく、酸素及び窒素原子含んでもかまわない。)で示される化合物であることが好ましい。この一般式(VII)で表される化合物において、置換基R13〜R16として、例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、sec−ブチル、t−ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、デシル基などの炭素数1〜10程度の直鎖状又は分岐鎖状アルキル基があげられる。好ましくは炭素数1〜6程度、より好ましくは炭素数1〜4程度の低級アルキル基があげられる。 (Wherein R13 to R16 are an alkyl group or an alkyl group partially substituted with an arbitrary group, and R13 to R16 may be a chain, a ring, or a branch. Also, R13 and R14 Or R15 and R16 may be bonded to each other to form a ring, which may contain oxygen and nitrogen atoms). In the compound represented by the general formula (VII), examples of the substituents R13 to R16 include methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, isobutyl, sec-butyl, t-butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, Examples thereof include a linear or branched alkyl group having about 1 to 10 carbon atoms such as a decyl group. Preferred is a lower alkyl group having about 1 to 6 carbon atoms, more preferably about 1 to 4 carbon atoms.

一般式(VIII)で示される化合物が、下記の一般式(IX)

Figure 2006100251
The compound represented by the general formula (VIII) is represented by the following general formula (IX)
Figure 2006100251

(式中環Y2は、R13とR14とが結合して5員環又は6員環のいずれかの環を形成している。)で示される化合物であることが好ましい。このような環としては、例えば、例えばシクロヘキサン環に代表されるシクロアルカン環、シクロヘキセン環に代表されるシクロアルケン環などの非芳香族性炭化水素環、5−ノルボルネン環に代表される橋かけ式炭化水素環など非芳香族性橋かけ環、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香環が含まれる。なお、これらの環は、置換基を有していても良い。 In the formula, ring Y2 is preferably a compound represented by R13 and R14 which are bonded to form either a 5-membered ring or a 6-membered ring. Examples of such a ring include, for example, a non-aromatic hydrocarbon ring such as a cycloalkane ring typified by a cyclohexane ring, a cycloalkene ring typified by a cyclohexene ring, and a bridged type typified by a 5-norbornene ring. Non-aromatic bridged rings such as hydrocarbon rings, aromatic rings such as benzene rings and naphthalene rings are included. In addition, these rings may have a substituent.

一般式(IX)で示される化合物が、下記の一般式(X)

Figure 2006100251
The compound represented by the general formula (IX) is represented by the following general formula (X)
Figure 2006100251

(式中、Zはアルキル基、アリール基、アルコキシ基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、シアノ基、ヒドロキシル基、ニトロ基、アミノ基及び水素原子を含む置換基からなる群から選択される一種の置換基を示す。Zがアルキル基の場合には、一部が任意の基で置換されたアルキル基であってもよく、一部の基が鎖状、環状、または分岐状であってもよく、酸素及び窒素原子含んでもかまわない。Zがアリール基の場合には、一部が任意の基で置換されたアリール基であってもよく、酸素及び窒素原子含んでもかまわない。)で示される化合物であることが好ましい。一般式(X)で示される化合物は加水分解しにくいため、この化合物を連続的に供給することにより、連続的に発生する活性酸素を不活性化し、電解質膜の酸化を抑制することが可能となる。 (Wherein, Z is a kind of substitution selected from the group consisting of an alkyl group, an aryl group, an alkoxy group, a carboxyl group, an alkoxycarbonyl group, a cyano group, a hydroxyl group, a nitro group, an amino group, and a substituent containing a hydrogen atom. In the case where Z is an alkyl group, the alkyl group may be partially substituted with an arbitrary group, and some groups may be chain, cyclic, or branched, And may contain oxygen and nitrogen atoms, and when Z is an aryl group, it may be an aryl group partially substituted with any group, and may contain oxygen and nitrogen atoms). It is preferable that Since the compound represented by the general formula (X) is difficult to hydrolyze, it is possible to inactivate continuously generated active oxygen and suppress oxidation of the electrolyte membrane by continuously supplying this compound. Become.

置換基Zにおいて、アルキル基には前述のアルキル基と同様のアルキル基のうち特に炭素数1〜6程度のアルキル基が含まれ、アリール基としてはフェニル基、ナルチル基があげられる。アルコキシ基としては、前述のアルキル基と同様のアルコキシ基のうち特に炭素数1〜6程度のアルコキシ基が含まれ、カルボキシル基としては、例えば、炭素数1〜4程度のカルボキシル基があげられる。アルコキシカルボニル基としては、例えば、メトキシカルボニル、エトキシカルボニル、プロポキシカルボニル、イソプロポキシカルボニル、ブトキシカルボニル、イソブトキシカルボニル、t−ブトキシカルボニル、ペンチルオキシカルボニル、ヘキシルオキシカルボニル基などのアルコキシ部分の炭素数が1〜10程度のアルコキシカルボニル基があげられる。好ましくはアルコキシ部分の炭素数が1〜6程度、より好ましくは炭素数が1〜4程度の低級アルコキシカルボニル基があげられる。   In the substituent Z, the alkyl group includes an alkyl group having about 1 to 6 carbon atoms among the same alkyl groups as those described above, and examples of the aryl group include a phenyl group and a naltyl group. As the alkoxy group, an alkoxy group having about 1 to 6 carbon atoms is particularly included among the same alkoxy groups as the above alkyl group, and examples of the carboxyl group include a carboxyl group having about 1 to 4 carbon atoms. As the alkoxycarbonyl group, for example, the carbon number of the alkoxy moiety such as methoxycarbonyl, ethoxycarbonyl, propoxycarbonyl, isopropoxycarbonyl, butoxycarbonyl, isobutoxycarbonyl, t-butoxycarbonyl, pentyloxycarbonyl, hexyloxycarbonyl group and the like is 1 About 10 to 10 alkoxycarbonyl groups. A lower alkoxycarbonyl group having preferably about 1 to 6 carbon atoms, more preferably about 1 to 4 carbon atoms, is preferable.

この一般式(X)で示される化合物の一例として、TEMPO(2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル)があげられる。TEMPO及び一般式(X)で示される化合物の例を図6に示す。図6(i)に示すTEMPOは、可逆的な酸化還元サイクルを有するN−ヒドロキシイミド誘導体であり、最終的には酸素を水まで還元する。   One example of the compound represented by the general formula (X) is TEMPO (2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl). Examples of compounds represented by TEMPO and general formula (X) are shown in FIG. TEMPO shown in FIG. 6 (i) is an N-hydroxyimide derivative having a reversible redox cycle, and ultimately reduces oxygen to water.

一般式(IX)で示される化合物が、下記の一般式(XI)

Figure 2006100251
The compound represented by the general formula (IX) is represented by the following general formula (XI)
Figure 2006100251

(式中、Zはアルキル基、アリール基、アルコキシ基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、シアノ基、ヒドロキシル基、ニトロ基、アミノ基及び水素原子を含む置換基からなる群から選択される一種の置換基を示す。Zがアルキル基の場合には、一部が任意の基で置換されたアルキル基であってもよく、一部の基が鎖状、環状、または分岐状であってもよく、酸素及び窒素原子含んでもかまわない。Zがアリール基の場合には、一部が任意の基で置換されたアリール基であってもよく、酸素及び窒素原子含んでもかまわない。)で示される化合物であってもよく、一般式(IX)で示される化合物が、下記の一般式(XII)

Figure 2006100251
(Wherein, Z is a kind of substitution selected from the group consisting of an alkyl group, an aryl group, an alkoxy group, a carboxyl group, an alkoxycarbonyl group, a cyano group, a hydroxyl group, a nitro group, an amino group, and a substituent containing a hydrogen atom. In the case where Z is an alkyl group, the alkyl group may be partially substituted with an arbitrary group, and some groups may be chain, cyclic, or branched, And may contain oxygen and nitrogen atoms, and when Z is an aryl group, it may be an aryl group partially substituted with any group, and may contain oxygen and nitrogen atoms). The compound represented by the general formula (IX) may be represented by the following general formula (XII):
Figure 2006100251

(式中、Zはアルキル基、アリール基、アルコキシ基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、シアノ基、ヒドロキシル基、ニトロ基、アミノ基及び水素原子を含む置換基からなる群から選択される一種の置換基を示す。Zがアルキル基の場合には、一部が任意の基で置換されたアルキル基であってもよく、一部の基が鎖状、環状、または分岐状であってもよく、酸素及び窒素原子含んでもかまわない。Zがアリール基の場合には、一部が任意の基で置換されたアリール基であってもよく、酸素及び窒素原子含んでもかまわない。)で示される化合物であってもよい。これらの化合物も一般式(X)で示される化合物と同様に加水分解しにくいため、この化合物を連続的に供給することにより、連続的に発生する活性酸素を不活性化し、電解質膜の酸化を抑制することが可能となる。化合物が一般式(XI)又は一般式(XII)で示される場合、各置換基は上記一般式(X)で示される化合物の置換基と同様のものが使用可能である。 (Wherein, Z is a kind of substitution selected from the group consisting of an alkyl group, an aryl group, an alkoxy group, a carboxyl group, an alkoxycarbonyl group, a cyano group, a hydroxyl group, a nitro group, an amino group, and a substituent containing a hydrogen atom. In the case where Z is an alkyl group, the alkyl group may be partially substituted with an arbitrary group, and some groups may be chain, cyclic, or branched, And may contain oxygen and nitrogen atoms, and when Z is an aryl group, it may be an aryl group partially substituted with any group, and may contain oxygen and nitrogen atoms). It may be. Since these compounds are also difficult to hydrolyze like the compounds represented by the general formula (X), continuous supply of this compound inactivates active oxygen generated continuously, and oxidizes the electrolyte membrane. It becomes possible to suppress. When the compound is represented by general formula (XI) or general formula (XII), the same substituents as those of the compound represented by general formula (X) can be used.

一般式(XI)及び一般式(XII)で示される化合物の例を図7〜図9に示す。一般式(XI)及び一般式(XII)で示される化合物の一例として、PROXYL(2,2,5,5-テトラメチルピロリジン-1-オキシル)や、DOXYL(4, 4-ジメチルオキサゾリジン-3-オキシル)があげられる。これらの化合物もTEMPO同様に可逆的な酸化還元サイクルを有し、酸素を水へ還元する。   Examples of the compounds represented by general formula (XI) and general formula (XII) are shown in FIGS. Examples of the compound represented by the general formula (XI) and the general formula (XII) include PROXYL (2,2,5,5-tetramethylpyrrolidine-1-oxyl) and DOXYL (4,4-dimethyloxazolidine-3- Oxyl). These compounds also have a reversible redox cycle similar to TEMPO and reduce oxygen to water.

図10に、本実施の形態における固体高分子型燃料電池システム使用する化合物の別の例における酸化還元のメカニズムを示す。ここでは、上記化合物の代表例として、TEMPOの酸化還元サイクルを示し、TEMPOにより過酸化水素及びヒドロキシラジカルの不活性化のメカニズムを示す。   FIG. 10 shows a redox mechanism in another example of the compound used in the polymer electrolyte fuel cell system in the present embodiment. Here, as a representative example of the above compound, a redox cycle of TEMPO is shown, and a mechanism of inactivation of hydrogen peroxide and hydroxy radical by TEMPO is shown.

過酸化水素は上式(14)及び下式(20)に示すように、過酸化水素よりも酸化還元電位の高い物質に対しては還元剤として働く一方、過酸化水素よりも酸化還元電位の低い物質に対しては酸化剤として働くことが知られている。   As shown in the above formula (14) and the following formula (20), hydrogen peroxide acts as a reducing agent for substances having a higher redox potential than hydrogen peroxide, while it has a redox potential higher than that of hydrogen peroxide. It is known to act as an oxidant for low substances.

→O+2H+2e=0.68[V] ・・・式(20)
TEMPOは、可逆的な酸化還元サイクルを有するN−ヒドロキシイミド誘導体であり、下式(21)、(22)に示す素反応により酸化還元し、その酸化還元電位は0.81[V]である。
H 2 O 2 → O 2 + 2H + + 2e - E 0 = 0.68 [V] ··· formula (20)
TEMPO is an N-hydroxyimide derivative having a reversible redox cycle, and is redoxed by the elementary reactions shown in the following formulas (21) and (22), and its redox potential is 0.81 [V]. .

TEMPO+e→TEMPO E=0.81[V] ・・・式(21)
TEMPO→TEMPO+e=0.81[V] ・・・式(22)
TEMPOの酸化還元電位は過酸化水素の酸化還元電位より高く、ヒドロキシラジカルの酸化還元電位より低い。このため、還元体であるTEMPOのN−オキシルラジカル体はヒドロキシラジカルに対して還元剤として作用して電解質膜内で発生したヒドロキシラジカルに電子(e)を供給してOHへ還元する。
TEMPO + + e → TEMPO E 0 = 0.81 [V] (21)
TEMPO → TEMPO + + e E 0 = 0.81 [V] (formula 22)
The redox potential of TEMPO is higher than the redox potential of hydrogen peroxide and lower than the redox potential of hydroxy radicals. For this reason, the N-oxyl radical form of TEMPO, which is a reductant, acts as a reducing agent on the hydroxy radical, supplies electrons (e ) to the hydroxy radical generated in the electrolyte membrane, and reduces it to OH .

TEMPO+・OH→TEMPO+OH ・・・式(23)
一方、酸化体であるTEMPOは過酸化水素に対して酸化剤として作用して過酸化水素に対して酸化剤として作用して水素を引き抜き、過酸化水素を酸素へと酸化してTEMPOは還元体の形に回復する。
TEMPO + · OH → TEMPO + + OH (23)
On the other hand, hydrogen abstraction acts as an oxidizing agent to hydrogen peroxide acts as an oxidizing agent to TEMPO + Hydrogen peroxide is the oxidant, to oxidize the hydrogen peroxide into oxygen TEMPO + is It recovers to a reduced form.

2TEMPO+H→2TEMPO+2H+O ・・・式(24)
TEMPOは還元体に回復した後再びヒドロキシラジカルを還元する。このようにして、TEMPOが還元体と酸化体との間で酸化還元サイクルがまわると同時に、ヒドロキシラジカルや過酸化酸素を不活性化し、電解質の酸化を防止する。
2TEMPO + + H 2 O 2 → 2TEMPO + 2H + + O 2 Formula (24)
TEMPO reduces hydroxy radicals again after recovering to a reduced form. In this way, TEMPO rotates the redox cycle between the reductant and the oxidant, and at the same time, deactivates hydroxy radicals and oxygen peroxide and prevents oxidation of the electrolyte.

TEMPOを燃料電池の燃料極から供給すると、TEMPOの一部は燃料極触媒上で式(22)に示す電解酸化が起こり、酸化体であるTEMPOとなって電解質内に拡散する可能性がある。この場合でも、可逆的な酸化還元サイクルを有するTEMPOは、過酸化水素を還元剤として元の還元体であるTEMPOの形に回復し、再びヒドロキシラジカルを還元できる酸化剤としての機能を有することになる。可逆的な酸化還元サイクルを有しない化合物の場合には、ヒドロキシラジカルを還元した時点で抗酸化機能がなくなり、これ以上酸化剤として機能しなくなるが、可逆的な酸化還元サイクルを有する化合物の場合には、可逆的な酸化還元サイクルを有することで抗酸化剤としての機能をある程度持続させることができる。 When TEMPO is supplied from the fuel electrode of the fuel cell, a part of the TEMPO may undergo electrolytic oxidation represented by the formula (22) on the fuel electrode catalyst, and may be diffused into the electrolyte as oxidant TEMPO +. . Even in this case, TEMPO having a reversible oxidation-reduction cycle has a function as an oxidizing agent that can recover hydrogen radicals to the original reduced form TEMPO using hydrogen peroxide as a reducing agent and reduce hydroxy radicals again. Become. In the case of a compound that does not have a reversible redox cycle, the antioxidant function is lost when the hydroxy radical is reduced, and it no longer functions as an oxidizing agent. Can maintain the function as an antioxidant to some extent by having a reversible redox cycle.

このように、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、固体高分子電解質膜の一方の面に空気極、他方の面に燃料極を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の空気極側に配置され膜電極接合体との間に空気流路を形成する空気極側セパレータと、膜電極接合体の燃料極側の面に配置され、この膜電極接合体との間に燃料ガス流路を形成する燃料極側セパレータと、を備えた単セルを複数積層した固体高分子電解質型燃料電池と、活性酸素を不活性化する抗酸化剤を固体高分子電解質型燃料電池の空気極側又は燃料極側から供給する抗酸化剤供給手段と、を備えることにより、燃料電池の外部から燃料として働く水素、または水素イオンとは別に燃料電池反応に関与しない新たな抗酸化剤を供給することにより、確実に活性酸素を不活性化して消去することができる固体高分子型燃料電池システムを実現することができる。   Thus, the polymer electrolyte fuel cell system according to the present embodiment includes a membrane electrode assembly having an air electrode on one surface and a fuel electrode on the other surface of the polymer electrolyte membrane, and a membrane electrode assembly. Between the air electrode side separator that is arranged on the air electrode side of the membrane and forms an air flow path between the membrane electrode assembly and the fuel electrode side surface of the membrane electrode assembly, and between the membrane electrode assembly A solid polymer electrolyte fuel cell in which a plurality of single cells each including a fuel electrode side separator that forms a fuel gas flow path are stacked, and an antioxidant that inactivates active oxygen. And an antioxidant supply means for supplying from the air electrode side or the fuel electrode side, hydrogen acting as fuel from the outside of the fuel cell, or a new antioxidant that does not participate in the fuel cell reaction apart from hydrogen ions By supplying, it is possible to ensure active oxygen It is possible to realize a polymer electrolyte fuel cell system can be erased activated.

以下、実施例1〜実施例12及び比較例1〜比較例2により本発明に係る固体高分子型燃料電池システムを更に具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。これらの実施例は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの有効性を調べたものであり、異なる抗酸化剤を用いた固体高分子型燃料電池システムの例を示したものである。   Hereinafter, the polymer electrolyte fuel cell system according to the present invention will be described more specifically with reference to Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 2, but the scope of the present invention is not limited thereto. Absent. These examples are for examining the effectiveness of the polymer electrolyte fuel cell system according to the present invention, and show examples of polymer electrolyte fuel cell systems using different antioxidants.

<試料の調製>
(実施例1)
固体高分子電解質膜としてデュポン社のナフィオン(登録商標)117膜(厚さ175[μm])を1[cm]角に切り出して用いた。ナフィオン(登録商標)膜の前処理は、NEDO PEFC R&Dプロジェクト標準処理に従い、3[%]過酸化水素水中で1[時間]煮沸した後、蒸留水中1[時間]煮沸し、続いて、1[M]硫酸水溶液中で1[時間]煮沸し、最後に蒸留水中で1[時間]煮沸の順に行った。
<Preparation of sample>
Example 1
A Nafion (registered trademark) 117 membrane (thickness: 175 [μm]) manufactured by DuPont was used as a solid polymer electrolyte membrane cut into 1 [cm] squares. The Nafion (registered trademark) membrane is pretreated according to NEDO PEFC R & D project standard treatment, boiled in 3% hydrogen peroxide water for 1 hour, then boiled in distilled water for 1 hour. M] The solution was boiled in an aqueous solution of sulfuric acid for 1 hour, and finally boiled in distilled water for 1 hour.

次に、耐久試験において劣化防止判断を容易にするため、前処理した後にナフィオン(登録商標)膜にイオン交換処理を施した。イオン交換処理は、前処理を施したナフィオン(登録商標)膜を100[mM]のFeSO水溶液に一晩以上浸漬した後、蒸留水中で15[分間]超音波洗浄を用い、膜に付着したイオンを取り除くことにより、ナフィオン(登録商標)の対イオンをHからFe2+に交換した。なお、試薬は、和光純薬特級FeSO・7HOを用いた。 Next, in order to facilitate the determination of deterioration prevention in an endurance test, the Nafion (registered trademark) membrane was subjected to ion exchange treatment after pretreatment. In the ion exchange treatment, a pretreated Nafion (registered trademark) membrane was immersed in a 100 [mM] FeSO 4 aqueous solution for one night or more, and then adhered to the membrane using ultrasonic cleaning for 15 [minutes] in distilled water. The Nafion® counter ion was exchanged from H + to Fe 2+ by removing the ions. The reagent used was Wako Pure Chemicals special grade FeSO 4 · 7H 2 O.

次に、イオン交換処理電解質膜の両面に白金担持カーボン(Cabot 社製 20wt%Pt/Vulcan XC-72)を1[mg/cm]となるように塗布して膜−電極接合体(MEA)を作製した。そして、作製したMEAを単セルの中に組み込み、PEFC用単セルとした。なお、単セルは5[cm]単セルとした。そして、燃料極側ガスとして70[℃]加湿水素ガス(大気圧)を、空気極ガスとして70[℃]加湿酸素ガス(大気圧)をバブラ経由で70[℃]に保った単セルに供給した。また、活性酸素を不活性化する抗酸化剤として1[mM]のNHPI水溶液を送液ポンプを用いて燃料ガス流路に流速1[cm/分]の速さで送液した。単セルは70[℃]を保つよう制御した。 Next, a platinum-supported carbon (20 wt% Pt / Vulcan XC-72 manufactured by Cabot) was applied to both surfaces of the ion exchange treatment electrolyte membrane so as to be 1 [mg / cm 2 ], and a membrane-electrode assembly (MEA). Was made. The produced MEA was incorporated into a single cell to obtain a single cell for PEFC. The single cell was a 5 [cm 2 ] single cell. Then, 70 [° C.] humidified hydrogen gas (atmospheric pressure) as fuel electrode side gas and 70 [° C.] humidified oxygen gas (atmospheric pressure) as air electrode gas are supplied to a single cell maintained at 70 [° C.] via a bubbler. did. Further, 1 [mM] NHPI aqueous solution as an antioxidant that inactivates active oxygen was fed to the fuel gas flow path at a flow rate of 1 [cm 3 / min] using a liquid feed pump. The single cell was controlled to maintain 70 [° C.].

(実施例2)
抗酸化剤として、NHPI水溶液の代わりにN−ヒドロキシマレイン酸イミド(NHMI)水溶液を用い、実施例1と同様の処理を施したものを実施例2とした。
(Example 2)
As an antioxidant, an N-hydroxymaleimide (NHMI) aqueous solution was used instead of the NHPI aqueous solution, and the same treatment as in Example 1 was carried out as Example 2.

(実施例3)
抗酸化剤として、NHPI水溶液の代わりにN−ヒドロキシコハク酸イミド(NHSI)水溶液を用い、実施例1と同様の処理を施したものを実施例3とした。
(Example 3)
As an antioxidant, an N-hydroxysuccinimide (NHSI) aqueous solution was used instead of the NHPI aqueous solution, and the same treatment as in Example 1 was performed as Example 3.

(実施例4)
抗酸化剤として、NHPI水溶液の代わりにN−ヒドロキシグルタル酸イミド(NHGI)水溶液を用い、実施例1と同様の処理を施したものを実施例4とした。
Example 4
As an antioxidant, an N-hydroxyglutarimide (NHGI) aqueous solution was used instead of the NHPI aqueous solution, and the same treatment as in Example 1 was carried out as Example 4.

(実施例5)
抗酸化剤として、NHPI水溶液の代わりにN,N’,N’’−トリヒドロキシイソシアヌル酸(THICA)水溶液を用い、実施例1と同様の処理を施したものを実施例5とした。
(Example 5)
As an antioxidant, an N, N ′, N ″ -trihydroxyisocyanuric acid (THICA) aqueous solution was used instead of the NHPI aqueous solution, and the same treatment as in Example 1 was carried out as Example 5.

(比較例1)
実施例1において、抗酸化剤水溶液を流さない場合を比較例1とした。
(Comparative Example 1)
In Example 1, the case where no aqueous antioxidant solution was passed was designated as Comparative Example 1.

実施例6〜実施例11では、高分子固体電解質膜としてスルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)膜を用いた。S−PES膜については、新エネルギー・産業技術総合開発機構 平成14年度成果報告書「固体高分子形燃料電池システム技術開発事業 固体高分子形燃料電池要素技術開発等事業 固体高分子形燃料電池用高耐久性炭化水素系電解質膜の研究開発」P31に記載されている相当品を入手し、これを用いた。   In Examples 6 to 11, a sulfonated polyethersulfone (S-PES) membrane was used as the polymer solid electrolyte membrane. Regarding S-PES membranes, New Energy and Industrial Technology Development Organization FY 2002 Results Report “Solid Polymer Fuel Cell System Technology Development Business Solid Polymer Fuel Cell Element Technology Development Business, etc. An equivalent product described in “Research and development of highly durable hydrocarbon-based electrolyte membrane” P31 was obtained and used.

(実施例6)
S−PES膜(厚さ170[μm])を1[cm]角に切り出し、S−PES膜の両面に白金担持カーボン(Cabot 社製 20wt%Pt/Vulcan XC-72)を1[mg/cm]となるように塗布して膜−電極接合体(MEA)を作製した。そして、作製したMEAを単セルの中に組み込み、PEFC用単セルとした。なお、単セルは5[cm]単セルとした。そして、燃料極側ガスとして70[℃]加湿水素ガス(大気圧)を、空気極ガスとして70[℃]加湿酸素ガス(大気圧)をバブラ経由で70[℃]に保った単セルに供給した。また、活性酸素を不活性化する抗酸化剤として1[mM]のTEMPO−OH水溶液を送液ポンプを用いて燃料ガス流路に流速1[cm/分]の速さで送液した。単セルは70[℃]を保つよう制御した。
(Example 6)
An S-PES film (thickness 170 [μm]) is cut into 1 [cm] squares, and platinum-supported carbon (20 wt% Pt / Vulcan XC-72 manufactured by Cabot) is 1 [mg / cm] on both sides of the S-PES film. 2 ] to prepare a membrane-electrode assembly (MEA). The produced MEA was incorporated into a single cell to obtain a single cell for PEFC. The single cell was a 5 [cm 2 ] single cell. Then, 70 [° C.] humidified hydrogen gas (atmospheric pressure) as fuel electrode side gas and 70 [° C.] humidified oxygen gas (atmospheric pressure) as air electrode gas are supplied to a single cell maintained at 70 [° C.] via a bubbler. did. In addition, a 1 [mM] TEMPO-OH aqueous solution as an antioxidant that inactivates active oxygen was fed to the fuel gas channel at a flow rate of 1 [cm 3 / min] using a feed pump. The single cell was controlled to maintain 70 [° C.].

(実施例7)
抗酸化剤として、TEMPO−OH水溶液の代わりにTEMPO−COOH(Aldrich社)水溶液を用い、実施例6と同様の処理を施したものを実施例7とした。
(Example 7)
As an antioxidant, a TEMPO-COOH (Aldrich) aqueous solution was used in place of the TEMPO-OH aqueous solution, and the same treatment as in Example 6 was carried out as Example 7.

(実施例8)
抗酸化剤として、TEMPO−OH水溶液の代わりにTEMPO(Aldrich社)水溶液を用い、実施例6と同様の処理を施したものを実施例8とした。
(Example 8)
As an antioxidant, a TEMPO (Aldrich) aqueous solution was used instead of the TEMPO-OH aqueous solution, and the same treatment as in Example 6 was performed, and Example 8 was designated.

(実施例9)
抗酸化剤として、TEMPO−OH水溶液の代わりにPROXYL−CONH(Aldrich社)水溶液を用い、実施例6と同様の処理を施したものを実施例9とした。
Example 9
As an antioxidant, a PROXYL-CONH 2 (Aldrich) aqueous solution was used instead of the TEMPO-OH aqueous solution, and the same treatment as in Example 6 was carried out as Example 9.

(実施例10)
抗酸化剤として、TEMPO−OH水溶液の代わりにPROXYL−COOH(Aldrich社)水溶液を用い、実施例6と同様の処理を施したものを実施例10とした。
(Example 10)
As an antioxidant, Example 10 was obtained by using a PROXYL-COOH (Aldrich) aqueous solution in place of the TEMPO-OH aqueous solution and performing the same treatment as in Example 6.

(実施例11)
抗酸化剤として、TEMPO−OH水溶液の代わりに3−カルバモイル−2,2,5,5−テトラメチルピロリン−1−イルオキシ(Aldrich社)水溶液を用い、実施例6と同様の処理を施したものを実施例11とした。
(Example 11)
As an antioxidant, a 3-carbamoyl-2,2,5,5-tetramethylpyrrolin-1-yloxy (Aldrich) aqueous solution was used instead of the TEMPO-OH aqueous solution, and the same treatment as in Example 6 was performed. Was taken as Example 11.

(実施例12)
抗酸化剤として、TEMPO−OH水溶液の代わりにジ−t−ブチルニトロキシド(DTBN:Aldrich社)水溶液を用い、実施例6と同様の処理を施したものを実施例12とした。
(Example 12)
As an antioxidant, a di-t-butyl nitroxide (DTBN: Aldrich) aqueous solution was used instead of the TEMPO-OH aqueous solution, and the same treatment as in Example 6 was carried out as Example 12.

(比較例2)
実施例6において、抗酸化剤水溶液を流さない場合を比較例2とした。
(Comparative Example 2)
In Example 6, the case where no antioxidant aqueous solution was passed was designated as Comparative Example 2.

ここで、上記方法にて得られた試料は、以下に示す方法によって評価した。   Here, the sample obtained by the said method was evaluated by the method shown below.

<酸化還元電位の測定>
実施例に用いる化合物の酸化還元電位は、作用極にグラッシーカーボン、対極に白金、参照極に飽和カロメル電極(SCE)を用い、電解液に1[M]硫酸を用いて測定した。イミド系の代表的化合物であるNHPIとTEMPO系の代表的な化合物であるTEMPOの測定例を図11、図12にそれぞれ示す。図11、図12では、各物質の酸化還元電位と合わせるために式(25)に示す式により標準電位E(NHE)に補正して表示する。
<Measurement of redox potential>
The oxidation-reduction potentials of the compounds used in the examples were measured using glassy carbon as the working electrode, platinum as the counter electrode, a saturated calomel electrode (SCE) as the reference electrode, and 1 [M] sulfuric acid as the electrolyte. Measurement examples of NHPI, which is a typical imide compound, and TEMPO, which is a typical TEMPO compound, are shown in FIGS. 11 and 12, respectively. In FIG. 11 and FIG. 12, in order to match the redox potential of each substance, the standard potential E 0 (NHE) is corrected and displayed according to the equation (25).

(NHE)=E(SCE)+ 0.24[V] ・・・式(25)
図11に示すように、NHPIの酸化還元電位は1.10[V]付近に存在し、図12よりTEMPOの酸化還元電位は0.57[V]付近に存在する。この電位により、NHPI及びTEMPOは、ヒドロキシラジカルに対して還元剤として機能する化合物であり、かつ、過酸化水素に対して酸化剤として機能する化合物であることが示され、本目的に適した化合物であることが分かる。
E 0 (NHE) = E (SCE) +0.24 [V] Expression (25)
As shown in FIG. 11, the oxidation-reduction potential of NHPI exists near 1.10 [V], and from FIG. 12, the oxidation-reduction potential of TEMPO exists near 0.57 [V]. This potential indicates that NHPI and TEMPO are compounds that function as reducing agents for hydroxy radicals and compounds that function as oxidizing agents for hydrogen peroxide, and are suitable for this purpose. It turns out that it is.

<起動停止繰り返し耐久試験>
燃料極側を開回路状態で30[分]保持した後、試験を開始した。試験は、単セルに流速300[dm/分]のガスを流し、放電開回路状態から電流密度を増加させ、端子電圧が0.3[V]以下になるまで放電を行った。そして、端子電圧が0.3[V]以下になった後、再び開回路状態として5[分]間保持した。この操作を繰り返し行い、1[mA/cm]の電流密度で発電したときの電圧が0.4[V]以下になった回数をもって耐久性能を比較した。図13に、一例として実施例1で作製した燃料電池単セルの起動停止繰り返し耐久試験の電流−電圧曲線の初期値と、耐久後の電流−電圧曲線のグラフを示す。このグラフにおいて、1[mA/cm]の電流密度で発電したときの電圧が0.4[V]以下になった回数が起動停止繰り返し回数である。
<Start / stop repeated endurance test>
The test was started after holding the fuel electrode side in an open circuit state for 30 minutes. In the test, gas was flowed through a single cell at a flow rate of 300 [dm 3 / min], the current density was increased from the discharge open circuit state, and discharge was performed until the terminal voltage became 0.3 [V] or less. Then, after the terminal voltage became 0.3 [V] or less, the circuit was held again for 5 [min] as an open circuit state. This operation was repeated, and the durability performance was compared with the number of times that the voltage when the power was generated at a current density of 1 [mA / cm 3 ] became 0.4 [V] or less. FIG. 13 shows, as an example, an initial value of a current-voltage curve of a start-stop repeated endurance test of the single fuel cell produced in Example 1, and a graph of the current-voltage curve after endurance. In this graph, the number of times that the voltage is 0.4 [V] or less when the power is generated at a current density of 1 [mA / cm 3 ] is the number of start / stop repetitions.

<空気極で発生する物質の解析>
膜の劣化解析は、ナフィオン(登録商標)膜では膜の分解に伴い発生するフッ化物イオン濃度及び硫酸イオン濃度を、S−PES膜では分解に伴い発生する硫酸イオン濃度を測定することにより行なった。溶出イオンの検出は、空気極より排出された液体を回収しイオンクロマトグラフで測定した。イオンクロマトグラフは、ダイオネック社製(機種名 CX−120)を用いた。具体的な試験方法としては、各実施例、比較例共に、上記起動停止試験において、100回終了時に空気極から排出された液体を採取し比較した。また、空気極で発生したガスをガスクロマトグラフ質量分析計で測定した。ガスクロマトグラフ質量分析計は、島津製作所製(GCMS-QP5050)を用いた。
<Analysis of substances generated at the air electrode>
Degradation analysis of the membrane was performed by measuring the fluoride ion concentration and the sulfate ion concentration generated with the decomposition of the Nafion (registered trademark) membrane, and the sulfate ion concentration generated with the decomposition of the S-PES membrane. . For detection of eluted ions, the liquid discharged from the air electrode was collected and measured by ion chromatography. An ion chromatograph manufactured by Dioneck (model name CX-120) was used. As a specific test method, in each of the examples and comparative examples, the liquid discharged from the air electrode at the end of 100 times was collected and compared in the start-stop test. Further, gas generated at the air electrode was measured with a gas chromatograph mass spectrometer. A gas chromatograph mass spectrometer manufactured by Shimadzu Corporation (GCMS-QP5050) was used.

表1及び表2に実施例1〜実施例12及び比較例1〜比較例2における電解質膜の種類、使用した抗酸化剤、抗酸化剤の酸化還元電位、起動停止繰り返し回数、フッ化物イオン、硫酸イオン及び二酸化炭素の空気極での発生の有無を示す。

Figure 2006100251
Figure 2006100251
In Tables 1 and 2, the types of electrolyte membranes in Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 2, the antioxidant used, the oxidation-reduction potential of the antioxidant, the number of repetitions of start and stop, fluoride ions, Indicates whether or not sulfate ions and carbon dioxide are generated at the air electrode.
Figure 2006100251
Figure 2006100251

実施例1〜実施例12に用いた化合物の酸化還元電位は、過酸化水素が還元剤となる電位0.68[V](NHE)、かつ過酸化水素が酸化剤として働く電位1.77[V](NHE)の範囲であり、本目的に適した化合物であることが分かった。   The oxidation-reduction potentials of the compounds used in Examples 1 to 12 were 0.68 [V] (NHE) at which hydrogen peroxide serves as a reducing agent, and 1.77 [potential at which hydrogen peroxide serves as an oxidizing agent. V] (NHE), which proved to be a suitable compound for this purpose.

起動停止繰り返し耐久試験の結果、抗酸化剤を供給していない比較例1では、起動停止繰り返し回数が120回で、1[mA/cm]の電流密度で発電したときの電圧が0.4[V]以下に低下した。これに対し、抗酸化剤を供給した実施例1〜実施例5ではいずれも起動停止繰り返し回数1200回前後で電圧が0.4[V]以下となり、抗酸化剤を添加したことにより固体高分子電解質膜の劣化が抑制され、耐久性が向上していることが確認された。実施例6〜実施例12では、起動停止繰り返し回数600回以上で電圧が0.4[V]以下となり、電解質膜の劣化抑制による耐久性向上が確認された。 As a result of the start / stop repeated endurance test, in Comparative Example 1 in which no antioxidant was supplied, the number of start / stop repetitions was 120, and the voltage when power was generated at a current density of 1 [mA / cm 3 ] was 0.4. [V] Decreased below. On the other hand, in Examples 1 to 5 in which the antioxidant was supplied, the voltage became 0.4 [V] or less at about 1200 start / stop repetitions, and the solid polymer was added by adding the antioxidant. It was confirmed that the deterioration of the electrolyte membrane was suppressed and the durability was improved. In Examples 6 to 12, the voltage became 0.4 [V] or less when the number of start / stop repetitions was 600 times or more, and it was confirmed that durability was improved by suppressing deterioration of the electrolyte membrane.

また、イオンクロマトグラフでの分析結果より、比較例1ではフッ化物イオン及び硫酸イオンが検出され、比較例2では硫酸イオンが検出され電解質膜が分解により劣化したことが確認された。これに対し、実施例1〜実施例5で発生したフッ化物イオン及び硫酸イオンは検出限界以下であり、抗酸化剤を導入したことによりナフィオン(登録商標)膜の分解が抑制されたことが確認された。また、実施例6〜実施例12で発生した硫酸イオンは検出限界以下であり、抗酸化剤を導入したことによりS−PES膜の分解が抑制されたことが確認された。ガスクロマトグラフ質量分析計の結果を見ると、抗酸化剤を導入した実施例1〜実施例12ではCOが検出され、燃料極から導入した抗酸化剤が活性酸素を不活性化した後、空気極で酸化されてCOとして排出されていることが確認された。 Moreover, from the analysis result in the ion chromatograph, in Comparative Example 1, fluoride ions and sulfate ions were detected, and in Comparative Example 2, sulfate ions were detected, and it was confirmed that the electrolyte membrane was deteriorated due to decomposition. In contrast, the fluoride ions and sulfate ions generated in Examples 1 to 5 were below the detection limit, and it was confirmed that the decomposition of the Nafion (registered trademark) membrane was suppressed by introducing the antioxidant. It was done. Moreover, the sulfate ion generated in Example 6 to Example 12 was below the detection limit, and it was confirmed that the decomposition of the S-PES film was suppressed by introducing the antioxidant. Looking at the results of the gas chromatograph mass spectrometer, in Examples 1 to 12 in which the antioxidant was introduced, CO 2 was detected, and after the antioxidant introduced from the fuel electrode inactivated the active oxygen, It was confirmed that it was oxidized at the pole and discharged as CO 2 .

以上示したように、現在最も広く使われている電解質膜であるナフィオン(登録商標)膜に代表されるパーフルオロスルホン酸系ポリマー及びS−PESに示されるハイドロカーボン系ポリマーは、燃料電池の空気極で発生する活性酸素により十分な耐性があるとは言えない状況であったが、上記化合物を抗酸化剤として供給することにより、連続的に発生する活性酸素を不活性化して電解質膜の劣化を防止することが可能となり、燃料電池の耐久性能が向上可能となった。   As described above, perfluorosulfonic acid polymers represented by Nafion (registered trademark) membranes, which are the most widely used electrolyte membranes, and hydrocarbon polymers shown in S-PES are the fuel cell air. Although it could not be said that the active oxygen generated at the electrode is sufficiently resistant, by supplying the above compound as an antioxidant, the active oxygen generated continuously is deactivated and the electrolyte membrane deteriorates. As a result, the durability of the fuel cell can be improved.

なお、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システムでは、固体高分子電解質型燃料電池が、水素型、ダイレクトメタノール型、及びダイレクト炭化水素型のいずれでも使用することが可能である。   In the polymer electrolyte fuel cell system according to the present embodiment, the polymer electrolyte fuel cell can be any of hydrogen type, direct methanol type, and direct hydrocarbon type.

また、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、その用途として燃料電池車両に搭載することが可能である。本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システムを搭載することにより、本実施の形態に係る燃料電池自動車では長時間連続運転に耐える。   Moreover, the polymer electrolyte fuel cell system according to the present embodiment can be mounted on a fuel cell vehicle as its application. By mounting the polymer electrolyte fuel cell system according to the present embodiment, the fuel cell vehicle according to the present embodiment can withstand continuous operation for a long time.

本発明の実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、その用途として燃料電池車両に限定されることは無く、燃料電池コージェネレーション発電システム、燃料電池家電機器、燃料電池携帯機器、燃料電池輸送用機器に適用することが可能である。   The polymer electrolyte fuel cell system according to the embodiment of the present invention is not limited to a fuel cell vehicle as its application, but is a fuel cell cogeneration power generation system, a fuel cell home appliance, a fuel cell portable device, and a fuel cell. It can be applied to transportation equipment.

以上、本発明の実施の形態について説明したが、上記の実施の形態の開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。   Although the embodiment of the present invention has been described above, it should not be understood that the description and the drawings, which form part of the disclosure of the above-described embodiment, limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.

本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの実施の形態を説明する概略的な説明図である。1 is a schematic explanatory view illustrating an embodiment of a polymer electrolyte fuel cell system according to the present invention. 本発明に係る固体高分子型燃料電池システムを構成する固体高分子電解質型燃料電池の単セルを示す分解斜視図である。1 is an exploded perspective view showing a single cell of a solid polymer electrolyte fuel cell constituting a solid polymer fuel cell system according to the present invention. FIG. 単セルを構成する膜電極接合体における物質の移動を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the movement of the substance in the membrane electrode assembly which comprises a single cell. 空気極における三相界面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the three-phase interface in an air electrode. NHPIにより活性酸素を不活性化するメカニズムを表す説明図である。It is explanatory drawing showing the mechanism which inactivates active oxygen by NHPI. 抗酸化剤の例である。It is an example of an antioxidant. 抗酸化剤の別の例である。It is another example of an antioxidant. 抗酸化剤のさらに別の例である。It is a further example of an antioxidant. 抗酸化剤の他の例である。It is another example of an antioxidant. TEMPOにより活性酸素を不活性化するメカニズムを表す説明図である。It is explanatory drawing showing the mechanism which inactivates active oxygen by TEMPO. NHPIの電極反応におけるサイクリックボルタモグラムである。It is a cyclic voltammogram in the electrode reaction of NHPI. TEMPOの電極反応におけるサイクリックボルタモグラムである。It is a cyclic voltammogram in the electrode reaction of TEMPO. 実施例1で作製した燃料電池単セルの起動停止繰り返し耐久試験の電流−電圧曲線の初期値と、耐久後の電流−電圧曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the initial value of the current-voltage curve of the start-stop repetition endurance test of the fuel cell single cell produced in Example 1, and the current-voltage curve after durability.

符号の説明Explanation of symbols

1 固体高分子電解質型燃料電池
2 単セル
3 膜電極接合体
4 固体高分子電解質膜
5 空気極
6 燃料極
7 空気極側セパレータ
8 空気流路
9 燃料極側セパレータ
10 燃料ガス流路
11 抗酸化剤供給手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid polymer electrolyte type fuel cell 2 Single cell 3 Membrane electrode assembly 4 Solid polymer electrolyte membrane 5 Air electrode 6 Fuel electrode 7 Air electrode side separator 8 Air flow path 9 Fuel electrode side separator 10 Fuel gas flow path 11 Antioxidation Agent supply means

Claims (30)

固体高分子電解質膜の一方の面に空気極、他方の面に燃料極を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の空気極側に配置され前記膜電極接合体との間に空気流路を形成する空気極側セパレータと、前記膜電極接合体の燃料極側の面に配置され、前記膜電極接合体との間に燃料ガス流路を形成する燃料極側セパレータと、を備えた単セルを複数積層した固体高分子電解質型燃料電池と、
活性酸素を不活性化する抗酸化剤を前記固体高分子電解質型燃料電池の空気極側又は燃料極側から供給する抗酸化剤供給手段と、
を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
A membrane electrode assembly having an air electrode on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and a fuel electrode on the other surface, and an air flow between the membrane electrode assembly disposed on the air electrode side of the membrane electrode assembly An air electrode side separator that forms a passage; and a fuel electrode side separator that is disposed on a fuel electrode side surface of the membrane electrode assembly and forms a fuel gas flow path between the membrane electrode assembly and the air electrode side separator. A solid polymer electrolyte fuel cell in which a plurality of single cells are stacked;
An antioxidant supply means for supplying an antioxidant for inactivating active oxygen from the air electrode side or the fuel electrode side of the solid polymer electrolyte fuel cell;
A solid polymer fuel cell system comprising:
前記抗酸化剤を、抗酸化剤溶液として連続的に前記燃料極へ供給することを特徴とする請求項1に記載の固体高分子型燃料電池システム。   2. The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 1, wherein the antioxidant is continuously supplied to the fuel electrode as an antioxidant solution. 前記抗酸化剤溶液は、水溶液であることを特徴とする請求項2に記載の固体高分子型燃料電池システム。   The solid polymer fuel cell system according to claim 2, wherein the antioxidant solution is an aqueous solution. 前記抗酸化剤供給手段は、前記抗酸化剤溶液が封入されている抗酸化剤溶液タンクと、前記抗酸化剤溶液を前記燃料極へ供給する送液ポンプと、前記抗酸化剤溶液タンクと前記送液ポンプとを接続する抗酸化剤溶液管路と、前記送液ポンプと前記燃料ガス流路とを接続するた抗酸化剤溶液管路と、を有することを特徴とする請求項2又は請求項3に記載された固体高分子型燃料電池システム。   The antioxidant supply means includes an antioxidant solution tank in which the antioxidant solution is sealed, a liquid feed pump that supplies the antioxidant solution to the fuel electrode, the antioxidant solution tank, and the The anti-oxidant solution line for connecting the liquid feed pump and the anti-oxidant solution line for connecting the liquid feed pump and the fuel gas flow path are provided. Item 4. The polymer electrolyte fuel cell system according to Item 3. 前記抗酸化剤は、炭素、酸素、窒素及び水素の4原子から構成される炭化水素系化合物であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載された固体高分子型燃料電池システム。   5. The solid polymer according to claim 1, wherein the antioxidant is a hydrocarbon compound composed of four atoms of carbon, oxygen, nitrogen, and hydrogen. Type fuel cell system. 前記抗酸化物質の酸化体の加水分解された加水分解物が化学的に安定であることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載された固体高分子型燃料電池システ ム。   6. The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 1, wherein the hydrolyzate obtained by hydrolyzing the oxidized oxidant is chemically stable. Mu. 前記抗酸化剤は可逆的な酸化還元能を有し、前記抗酸化剤の酸化体は化学的に安定であることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載された固体高分子型燃料電池システム。   7. The antioxidant according to claim 1, wherein the antioxidant has a reversible redox ability, and the oxidized form of the antioxidant is chemically stable. 8. Solid polymer fuel cell system. 不用となった抗酸化剤又は前記抗酸化剤の酸化体を、前記空気極に含有させた触媒により酸化してCO、HO又はNとして排出させることを特徴とする請求項6又は請求項7に記載された固体高分子型燃料電池システム。 The waste antioxidant or the oxidized form of the antioxidant is oxidized by a catalyst contained in the air electrode and discharged as CO 2 , H 2 O or N 2. The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 7. 前記抗酸化剤の標準酸化還元電位が、0.68[V]より大きくかつ1.77[V]より小さいことを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか一項に記載された固体高分子型燃料電池システム。   9. The solid according to claim 1, wherein a standard oxidation-reduction potential of the antioxidant is larger than 0.68 [V] and smaller than 1.77 [V]. Polymer fuel cell system. 前記抗酸化剤は、下記の一般式(I)
Figure 2006100251
(式中、R1及びR2は同一又は異なる任意の置換基を、Xは酸素原子又はヒドロキシル基を表す。)で示される化合物であることを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか一項に記載された固体高分子型燃料電池システム。
The antioxidant is represented by the following general formula (I)
Figure 2006100251
(Wherein R1 and R2 represent the same or different arbitrary substituents, and X represents an oxygen atom or a hydroxyl group). The polymer electrolyte fuel cell system described in the item.
前記一般式(I)において、R1及びR2は互いに結合して二重結合、芳香環、又は非芳香族性の環を形成していること特徴とする請求項10に記載の固体高分子型燃料電池システム。   11. The polymer electrolyte fuel according to claim 10, wherein, in the general formula (I), R 1 and R 2 are bonded to each other to form a double bond, an aromatic ring, or a non-aromatic ring. Battery system. 前記抗酸化剤は、下記の一般式(II)
Figure 2006100251
(式中環Y1は、二重結合を有する、芳香族性又は非芳香族性の5〜12員環のうちいずれか一種類の環を表す。)で示されるイミド化合物であることを特徴とする請求項10又は請求項11に記載された固体高分子型燃料電池システム。
The antioxidant is represented by the following general formula (II)
Figure 2006100251
(In the formula, ring Y1 represents a single bond of aromatic or non-aromatic 5- to 12-membered rings having a double bond). The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 10 or 11.
前記抗酸化物質は、下記の一般式(III)
Figure 2006100251
(式中、R3及びR4は同一又は異なり、それぞれ水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アリール基、シクロアルキル基、ヒドロキシル基、アルコキシル基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基又はアシル基を、Xは酸素原子又はヒドロキシル基を、nは1〜3の整数を表す。)で示されるイミド化合物であることを特徴とする請求項12に記載の固体高分子型燃料電池システム。
The antioxidant is represented by the following general formula (III)
Figure 2006100251
(Wherein R3 and R4 are the same or different and each represents a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an aryl group, a cycloalkyl group, a hydroxyl group, an alkoxyl group, a carboxyl group, an alkoxycarbonyl group or an acyl group, and X is an oxygen atom. Or a hydroxyl group, wherein n represents an integer of 1 to 3.) The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 12, wherein the polymer is an imide compound.
前記一般式(III)において、R3及びR4は互いに結合して二重結合、芳香環、又は非芳香族性の環を形成していること特徴とする請求項13に記載の固体高分子型燃料電池システム。   14. The polymer electrolyte fuel according to claim 13, wherein in the general formula (III), R3 and R4 are bonded to each other to form a double bond, an aromatic ring, or a non-aromatic ring. Battery system. 前記一般式(III)において、R3及びR4が互いに結合して芳香族性又は非芳香族性の5〜12員環のうちいずれか一種類の環を形成していることを特徴とする請求項13に記載の固体高分子型燃料電池システム。   In the general formula (III), R3 and R4 are bonded to each other to form any one of aromatic or non-aromatic 5- to 12-membered rings. 14. The polymer electrolyte fuel cell system according to 13. 前記一般式(III)において、R3及びR4が互いに結合して、シクロアルカン、シクロアルケン、橋かけ式炭化水素環、芳香環、及びそれらの置換体からなる群から選択さる少なくとも一種を形成していることを特徴とする請求項13に記載の固体高分子型燃料電池システム。   In the general formula (III), R3 and R4 are bonded to each other to form at least one selected from the group consisting of a cycloalkane, a cycloalkene, a bridged hydrocarbon ring, an aromatic ring, and a substituent thereof. The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 13, wherein 前記一般式(III)で示されるイミド化合物が、下記式(3a)〜(3f)
Figure 2006100251
(式中、R3〜R6は同一又は異なって、それぞれ水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、ヒドロキシル基、アルコキシル基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、アシル基、ニトロ基、シアノ基又はアミノ基を示し、nは1〜3の整数を表す。)で示されるイミド化合物であることを特徴とする請求項13乃至請求項16のいずれか一項に記載された固体高分子型燃料電池システム。
The imide compound represented by the general formula (III) is represented by the following formulas (3a) to (3f):
Figure 2006100251
(Wherein R3 to R6 are the same or different and each represents a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, a hydroxyl group, an alkoxyl group, a carboxyl group, an alkoxycarbonyl group, an acyl group, a nitro group, a cyano group or an amino group, The solid polymer fuel cell system according to any one of claims 13 to 16, wherein n represents an imide compound represented by 1).
前記一般式(III)で示されるイミド化合物が、N−ヒドロキシコハク酸イミド、N−ヒドロキシマレイン酸イミド、N−ヒドロキシヘキサヒドロフタル酸イミド、N,N′−ジヒドロキシシクロヘキサンテトラカルボン酸イミド、N−ヒドロキシフタルイミド、N−ヒドロキシテトラブロモフタル酸イミド、N−ヒドロキシテトラクロロフタル酸イミド、N−ヒドロキシヘット酸イミド、N−ヒドロキシハイミック酸イミド、N−ヒドキシトリメリット酸イミド、N,N′−ジヒドロキシピロメリット酸イミド及びN,N′−ジヒドロキシナフタレンテトラカルボン酸イミドからなる群から選択される少なくとも一種のイミド化合物であることを特徴とする請求項17に記載の固体高分子型燃料電池システム。   The imide compound represented by the general formula (III) is N-hydroxysuccinimide, N-hydroxymaleimide, N-hydroxyhexahydrophthalimide, N, N'-dihydroxycyclohexanetetracarboxylic imide, N- Hydroxyphthalimide, N-hydroxytetrabromophthalimide, N-hydroxytetrachlorophthalimide, N-hydroxyheptimide, N-hydroxyhymic imide, N-hydroxytrimellitic imide, N, N'- 18. The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 17, which is at least one imide compound selected from the group consisting of dihydroxypyromellitic imide and N, N′-dihydroxynaphthalenetetracarboxylic imide. 前記一般式(II)で示される化合物が、下記の一般式(V)
Figure 2006100251
(式中、Xは酸素原子又はヒドロキシル基を表す。R1〜R6は同一又は異なり、それぞれ水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アリール基、シクロアルキル基、ヒドロキシル基、アルコキシ基、カルボキシル基、置換オキシカルボニル基、アシル基又はアシルオキシ基を表す。また、R1〜R6のうち少なくとも二つが互いに結合して二重結合、又は芳香族性若しくは非芳香族性の環を形成してもよい。この環のうち少なくとも一つがN−置換環状イミド基を有していても良い。)で示される化合物であることを特徴とする請求項12に記載の固体高分子型燃料電池システム。
The compound represented by the general formula (II) is represented by the following general formula (V):
Figure 2006100251
(In the formula, X represents an oxygen atom or a hydroxyl group. R1 to R6 are the same or different and each represents a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group, an aryl group, a cycloalkyl group, a hydroxyl group, an alkoxy group, a carboxyl group, a substituted oxy group) Represents a carbonyl group, an acyl group or an acyloxy group, and at least two of R1 to R6 may be bonded to each other to form a double bond or an aromatic or non-aromatic ring. 13. The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 12, wherein at least one of the compounds may have an N-substituted cyclic imide group.
前記一般式(V)で示される化合物が、下記式(VIa)又は(VIb)
Figure 2006100251
(式中、R7〜R12は同一又は異なって、水素原子、アルキル基、ヒドロキシル基、アルコキシル基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、アシル基、ニトロ基、シアノ基又はアミノ基を表す。)で示される化合物であることを特徴とする請求項19に記載の固体高分子型燃料電池システム。
The compound represented by the general formula (V) is represented by the following formula (VIa) or (VIb)
Figure 2006100251
(Wherein R7 to R12 are the same or different and each represents a hydrogen atom, an alkyl group, a hydroxyl group, an alkoxyl group, a carboxyl group, an alkoxycarbonyl group, an acyl group, a nitro group, a cyano group, or an amino group). 20. The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 19, which is a compound.
前記一般式(V)、(VIa)、又は(VIb)で示される化合物が、N−ヒドロキシグルタル酸イミド、N−ヒドロキシ−1,8−ナフタレンジカルボン酸イミド、N−ヒドロキシ−1,8−デカリンジカルボン酸イミド、N,N’−ジヒドロキシ−1,8;4,5−ナフタレンテトラカルボン酸イミド、N,N’−ジヒドロキシ−1,8;4,5−デカリンテトラカルボン酸イミド及びN,N’,N’’−トリヒドロキシイソシアヌル酸からなる群から選択される少なくとも一種のイミド化合物であることを特徴とする請求項19又は請求項20に記載の固体高分子型燃料電池システム。   The compound represented by the general formula (V), (VIa), or (VIb) is N-hydroxyglutarimide, N-hydroxy-1,8-naphthalenedicarboxylic imide, N-hydroxy-1,8-decalin. Dicarboxylic imide, N, N′-dihydroxy-1,8; 4,5-naphthalene tetracarboxylic imide, N, N′-dihydroxy-1,8; 4,5-decalin tetracarboxylic imide and N, N ′ 21. The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 19 or 20, which is at least one imide compound selected from the group consisting of N, N ″ -trihydroxyisocyanuric acid. 前記抗酸化剤の標準酸化還元電位が、0.68[V]より大きくかつ1.00[V]より小さいことを特徴とする請求項1乃至請求項21のいずれか一項に記載された固体高分子型燃料電池システム。   22. The solid according to claim 1, wherein a standard redox potential of the antioxidant is greater than 0.68 [V] and less than 1.00 [V]. Polymer fuel cell system. 前記一般式(I)で示される化合物が、下記の一般式(VII)
Figure 2006100251
(式中、R13及びR14はアルキル基、又は一部が任意の基で置換されたアルキル基であり、R13及びR14は鎖状、環状、又は分岐状でもよい。R13及びR14が互いに結合して環を形成していてもよく、酸素及び窒素原子含んでもかまわない。)で示される化合物であることを特徴とする請求項10に記載の固体高分子型燃料電池システム。
The compound represented by the general formula (I) is represented by the following general formula (VII)
Figure 2006100251
(Wherein R13 and R14 are an alkyl group or an alkyl group partially substituted with an arbitrary group, and R13 and R14 may be chain, cyclic or branched. R13 and R14 are bonded to each other. 11. The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 10, which may form a ring and may contain oxygen and nitrogen atoms.
前記一般式(VII)で示される化合物が、下記の一般式(VIII)
Figure 2006100251
(式中、R13〜R16はアルキル基、又は一部が任意の基で置換されたアルキル基であり、R13〜R16は鎖状、環状、又は分岐状であってもよい。また、R13とR14、又はR15とR16とが互いに結合して環を形成していてもよく、酸素及び窒素原子含んでもかまわない。)で示される化合物であることを特徴とする請求項23に記載の固体高分子型燃料電池システム。
The compound represented by the general formula (VII) is represented by the following general formula (VIII)
Figure 2006100251
(Wherein R13 to R16 are an alkyl group or an alkyl group partially substituted with an arbitrary group, and R13 to R16 may be a chain, a ring, or a branch. Also, R13 and R14 Or a solid polymer according to claim 23, wherein R15 and R16 may be bonded to each other to form a ring and may contain oxygen and nitrogen atoms). Type fuel cell system.
前記一般式(VIII)で示される化合物が、下記の一般式(IX)
Figure 2006100251
(式中環Y2は、R13とR14とが結合して5員環又は6員環のいずれかの環を形成している。)で示される化合物であることを特徴とする請求項24に記載の固体高分子型燃料電池システム。
The compound represented by the general formula (VIII) is represented by the following general formula (IX)
Figure 2006100251
The ring Y2 is a compound represented by the formula: wherein R13 and R14 are bonded to form either a 5-membered ring or a 6-membered ring. Solid polymer fuel cell system.
前記一般式(IX)で示される化合物が、下記の一般式(X)
Figure 2006100251
(式中、Zはアルキル基、アリール基、アルコキシ基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、シアノ基、ヒドロキシル基、ニトロ基、アミノ基及び水素原子を含む置換基からなる群から選択される一種の置換基を示す。Zがアルキル基の場合には、一部が任意の基で置換されたアルキル基であってもよく、一部の基が鎖状、環状、または分岐状であってもよく、酸素及び窒素原子含んでもかまわない。Zがアリール基の場合には、一部が任意の基で置換されたアリール基であってもよく、酸素及び窒素原子含んでもかまわない。)で示される化合物であることを特徴とする請求項25に記載の固体高分子型燃料電池システム。
The compound represented by the general formula (IX) is represented by the following general formula (X):
Figure 2006100251
(Wherein, Z is a kind of substitution selected from the group consisting of an alkyl group, an aryl group, an alkoxy group, a carboxyl group, an alkoxycarbonyl group, a cyano group, a hydroxyl group, a nitro group, an amino group, and a substituent containing a hydrogen atom. In the case where Z is an alkyl group, the alkyl group may be partially substituted with an arbitrary group, and some groups may be chain, cyclic, or branched, And may contain oxygen and nitrogen atoms, and when Z is an aryl group, it may be an aryl group partially substituted with any group, and may contain oxygen and nitrogen atoms). 26. The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 25.
前記一般式(IX)で示される化合物が、下記の一般式(XI)
Figure 2006100251
(式中、Zはアルキル基、アリール基、アルコキシ基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、シアノ基、ヒドロキシル基、ニトロ基、アミノ基及び水素原子を含む置換基からなる群から選択される一種の置換基を示す。Zがアルキル基の場合には、一部が任意の基で置換されたアルキル基であってもよく、一部の基が鎖状、環状、または分岐状であってもよく、酸素及び窒素原子含んでもかまわない。Zがアリール基の場合には、一部が任意の基で置換されたアリール基であってもよく、酸素及び窒素原子含んでもかまわない。)で示される化合物であることを特徴とする請求項25に記載の固体高分子型燃料電池システム。
The compound represented by the general formula (IX) is represented by the following general formula (XI)
Figure 2006100251
(Wherein, Z is a kind of substitution selected from the group consisting of an alkyl group, an aryl group, an alkoxy group, a carboxyl group, an alkoxycarbonyl group, a cyano group, a hydroxyl group, a nitro group, an amino group, and a substituent containing a hydrogen atom. In the case where Z is an alkyl group, the alkyl group may be partially substituted with an arbitrary group, and some groups may be chain, cyclic, or branched, And may contain oxygen and nitrogen atoms, and when Z is an aryl group, it may be an aryl group partially substituted with any group, and may contain oxygen and nitrogen atoms). 26. The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 25.
前記一般式(IX)で示される化合物が、下記の一般式(XII)
Figure 2006100251
(式中、Zはアルキル基、アリール基、アルコキシ基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、シアノ基、ヒドロキシル基、ニトロ基、アミノ基及び水素原子を含む置換基からなる群から選択される一種の置換基を示す。Zがアルキル基の場合には、一部が任意の基で置換されたアルキル基であってもよく、一部の基が鎖状、環状、または分岐状であってもよく、酸素及び窒素原子含んでもかまわない。Zがアリール基の場合には、一部が任意の基で置換されたアリール基であってもよく、酸素及び窒素原子含んでもかまわない。)で示される化合物であることを特徴とする請求項25に記載の固体高分子型燃料電池システム。
The compound represented by the general formula (IX) is represented by the following general formula (XII)
Figure 2006100251
(Wherein, Z is a kind of substitution selected from the group consisting of an alkyl group, an aryl group, an alkoxy group, a carboxyl group, an alkoxycarbonyl group, a cyano group, a hydroxyl group, a nitro group, an amino group, and a substituent containing a hydrogen atom. In the case where Z is an alkyl group, the alkyl group may be partially substituted with an arbitrary group, and some groups may be chain, cyclic, or branched, And may contain oxygen and nitrogen atoms, and when Z is an aryl group, it may be an aryl group partially substituted with any group, and may contain oxygen and nitrogen atoms). 26. The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 25.
前記固体高分子電解質型燃料電池が水素型、ダイレクトメタノール型、及びダイレクト炭化水素型の中から選択されるいずれか一種であることを特徴とする請求項1乃至請求項28のいずれか一項に記載された固体高分子型燃料電池システム。   29. The solid polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 28, wherein the solid polymer electrolyte fuel cell is any one selected from a hydrogen type, a direct methanol type, and a direct hydrocarbon type. The described polymer electrolyte fuel cell system. 請求項1乃至請求項29のいずれか一項に記載された固体高分子型燃料電池システムが搭載されていることを特徴とする燃料電池車両。   30. A fuel cell vehicle on which the polymer electrolyte fuel cell system according to any one of claims 1 to 29 is mounted.
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