JP2007157547A - Membrane-electrode conjugant, fuel cell, and electronic apparatus - Google Patents

Membrane-electrode conjugant, fuel cell, and electronic apparatus Download PDF

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祐馬 臼井
Masaharu Tanaka
正治 田中
Okitoshi Kimura
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane-electrode conjugant capable of restraining the exhaustion of by-products generated when anode-oxidizing alcohol, and to provide a fuel cell having the membrane-electrode conjugant and an electronic apparatus having the fuel cell. <P>SOLUTION: The membrane-electrode conjugant is formed by interposing an electrolyte membrane 2 between an anode 3 and a cathode 4, and the anode 3 has a catalyst formed by laminating two or more kinds of catalysts different in action. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、膜電極接合体、燃料電池及び電子機器に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly, a fuel cell, and an electronic device.

燃料電池の小型化に適合する技術として、アノードに直接メタノールを供給する直接メタノール型燃料電池(DMFC)が知られている。この燃料電池は、メタノール水溶液を直接アノードに供給するため、メタノールから水素を取り出すための改質器が不要となり、装置自体を小型化し、安価にできるだけでなく、燃料の取り扱いの安全性や始動性が向上し、全体の運転手段も簡素化することができる。このように利点の多い直接メタノール型燃料電池ではあるが、メタノールのアノード酸化反応が大きな過電圧を有しているため、低効率及び低出力という問題がある。さらに言及すると、メタノールの持つ毒性は、人体の健康を害する可能性があり、保管や取り扱いには、あるレベルの規制が設けられている。   A direct methanol fuel cell (DMFC) that supplies methanol directly to the anode is known as a technology suitable for miniaturization of the fuel cell. This fuel cell supplies an aqueous methanol solution directly to the anode, eliminating the need for a reformer to extract hydrogen from methanol, reducing the size of the device itself, making it cheaper, as well as the safety and startability of fuel handling. And the entire driving means can be simplified. Although the direct methanol fuel cell has many advantages as described above, there is a problem of low efficiency and low output because the anodic oxidation reaction of methanol has a large overvoltage. Furthermore, the toxicity of methanol can be harmful to human health, and there are certain levels of regulations on storage and handling.

このような観点から、メタノールの代わりに、エタノール、ジメチルエーテル等を用いることが提案されているが、メタノール以上の出力特性は得られていないのが現状である。しかしながら、小型及び超小型に代表されるポータブル燃料電池には、人体への毒性及び環境への影響が極めて少ないエタノールを燃料に使用することが好ましいと考えられる。   From this point of view, it has been proposed to use ethanol, dimethyl ether or the like instead of methanol, but the present situation is that output characteristics higher than methanol are not obtained. However, for portable fuel cells represented by small size and ultra-small size, it is considered preferable to use ethanol as a fuel that has extremely low toxicity to the human body and environmental impact.

ところで、直接メタノール燃料電池は、実際の使用条件において、燃料の消費過程で、ホルムアルデヒド、ギ酸、ギ酸メチル、一酸化炭素等の副生成物がppmオーダーで検出されている。また、一般式
2n+1OH(n≧2)
で示される、炭素−炭素結合を有するアルコールのアノード酸化反応は、さらに複雑で炭素−炭素結合を解離できないと、例えば、エタノールの場合、アセトアルデヒド、酢酸等の副生成物が生成する可能性がある。これらのアルコールのアノード酸化の反応メカニズムとしては、以下のようなものが非特許文献1〜5に開示されている。
By the way, in the direct methanol fuel cell, by-products such as formaldehyde, formic acid, methyl formate, and carbon monoxide are detected in the ppm order during the fuel consumption process under actual use conditions. In general formula C n H 2n + 1 OH ( n ≧ 2)
If the anodic oxidation reaction of an alcohol having a carbon-carbon bond shown in FIG. 2 is more complicated and the carbon-carbon bond cannot be dissociated, for example, in the case of ethanol, by-products such as acetaldehyde and acetic acid may be generated. . Non-patent documents 1 to 5 disclose the following reaction mechanisms for the anodic oxidation of these alcohols.

まず、エタノールのアノード酸化の原理的な反応を式(1)に示す。   First, the fundamental reaction of anodic oxidation of ethanol is shown in Equation (1).

CHCHOH+3HO→2CO+12H+12e・・・(1)
エタノールのアノード酸化は、白金等の触媒表面への化学吸着から始まり、酸化過程を経て、最終的には二酸化炭素として電極の表面から放出されるのが理想的な反応である。プロトンは、電解質膜を通過して、カソードにおける酸素還元反応で消費される。また、電子は、電子伝導体から集電体及び外部回路を経て、カソードにおける酸素還元反応で消費される。
CH 3 CH 2 OH + 3H 2 O → 2CO 2 + 12H + + 12e (1)
The anodic oxidation of ethanol begins with chemisorption on the catalyst surface such as platinum, and is ideally released through the oxidation process and finally as carbon dioxide from the electrode surface. Protons pass through the electrolyte membrane and are consumed by the oxygen reduction reaction at the cathode. Further, electrons are consumed from the electron conductor through the current collector and the external circuit in the oxygen reduction reaction at the cathode.

非特許文献1では、式(1)で示されたエタノールのアノード酸化に関して、エタノールの化学吸着力の違いにより、並発的な式(2)及び(3)で表される反応経路で進行することが記載されている。   In Non-Patent Document 1, regarding the anodic oxidation of ethanol represented by formula (1), the reaction proceeds in parallel reaction paths represented by formulas (2) and (3) due to the difference in the chemisorption power of ethanol. It is described.

CHCHOH→[CHCHOH]ad→(R)ad→CO・・・(2)
CHCHOH→[CHCHOH]ad→CHCHO→CHCOOH・・・(3)
式(2)の(R)adは、化学吸着力の強い中間体であり、具体的には、非特許文献3で示されている(CO)adが挙げられる。この中間体は、化学吸着力が強いため、触媒被毒種となりうる。このため、これを逐次除去する必要がある。白金の近傍にルテニウムを配置したPt−Ru合金は、ルテニウムが白金に比べて酸素種を吸着しやすいため、触媒被毒種の酸化を促す効果があることが知られている。しかしながら、依然として過電圧が大きく、特に、エタノールを燃料として用いると、メタノールを燃料とする燃料電池の半分以下の出力しか得られない(非特許文献6参照)。そこで、白金とルテニウムの他に、さらに元素を組み合わせた触媒によるアルコールのアノード酸化を評価した例(非特許文献7及び特許文献1参照)や、触媒として、Pt−Ru合金の替わりに、Pt−Sn合金を用いた例も知られている(非特許文献8参照)。しかしながら、これらの元素添加効果は、式(3)で示されるような副生成物が生成する反応を活性化しているにすぎないという見解もある(非特許文献9参照)。
CH 3 CH 2 OH → [CH 3 CH 2 OH] ad → (R) ad → CO 2 (2)
CH 3 CH 2 OH → [CH 3 CH 2 OH] ad → CH 3 CHO → CH 3 COOH (3)
(R) ad in the formula (2) is an intermediate having a strong chemical adsorption force, and specific examples include (CO) ad shown in Non-Patent Document 3. Since this intermediate has a strong chemisorption power, it can be a catalyst poisoning species. For this reason, it is necessary to remove this sequentially. It is known that a Pt—Ru alloy in which ruthenium is arranged in the vicinity of platinum has an effect of promoting oxidation of catalyst poisoning species because ruthenium is more likely to adsorb oxygen species than platinum. However, the overvoltage is still large. In particular, when ethanol is used as a fuel, an output less than half that of a fuel cell using methanol as a fuel can be obtained (see Non-Patent Document 6). Therefore, in addition to platinum and ruthenium, an example in which the anodic oxidation of alcohol was evaluated using a catalyst in which elements were further combined (see Non-Patent Document 7 and Patent Document 1), and as a catalyst, instead of Pt—Ru alloy, Pt— An example using an Sn alloy is also known (see Non-Patent Document 8). However, there is a view that these element addition effects only activate the reaction produced by the by-product as shown in Formula (3) (see Non-Patent Document 9).

式(3)は、弱い化学吸着力を持つエタノール中間体から、アセトアルデヒド、酢酸等の中間生成物が生成する反応である。非特許文献1に記載されているように、アセトアルデヒドが主な中間生成物として検出されている例もあれば、非特許文献5に記載されているように、酢酸が検出されている例もある。これらのことから、触媒の表面で弱く吸着している中間体がアセトアルデヒドや酢酸として容易にバルクへ拡散されることは明らかであり、それらの量的な関係は電位に依存している。非特許文献3に、例えば、白金触媒では、0.6V(vs.RHE)以下では、アセトアルデヒドが生成し、0.8V(vs.RHE)以上では、酢酸が主に生成するという記述がある。これは、白金が酸素種を吸着するのに要する分極電位が0.6〜0.8V(vs.RHE)であるためである。また、メタノールの場合、式(2)で示された反応経路がメインであるが、エタノールでは、式(3)の寄与が大きく、結果として、アセトアルデヒドや酢酸までのステップで反応が終結し、副生成物の収率が大きくなる。非特許文献10では、エタノールのアノード酸化の生成物の定量を行っているが、Pt−Ru触媒では、100℃以上の高温条件下でさえ、COが40%、アセトアルデヒドが60%となる。 Formula (3) is a reaction in which an intermediate product such as acetaldehyde or acetic acid is generated from an ethanol intermediate having a weak chemisorption power. As described in Non-Patent Document 1, there is an example in which acetaldehyde is detected as a main intermediate product, and there is an example in which acetic acid is detected as described in Non-Patent Document 5. . From these, it is clear that intermediates that are weakly adsorbed on the surface of the catalyst are easily diffused into the bulk as acetaldehyde and acetic acid, and their quantitative relationship is dependent on the potential. Non-Patent Document 3 describes that, for example, with a platinum catalyst, acetaldehyde is generated at 0.6 V (vs. RHE) or lower, and acetic acid is mainly generated at 0.8 V (vs. RHE) or higher. This is because the polarization potential required for platinum to adsorb oxygen species is 0.6 to 0.8 V (vs. RHE). In the case of methanol, the reaction route represented by the formula (2) is the main, but in the case of ethanol, the contribution of the formula (3) is large, and as a result, the reaction is terminated in steps up to acetaldehyde and acetic acid. The product yield is increased. In Non-Patent Document 10, the product of anodic oxidation of ethanol is quantified, but with a Pt-Ru catalyst, CO 2 is 40% and acetaldehyde is 60% even under high temperature conditions of 100 ° C. or higher.

一方、非特許文献11では、エタノールのアノード酸化で生成する生成物は、アセトアルデヒドとCOのみであると報告されており、アセトアルデヒドに対して活性の高い触媒は、PtSnであるとしている。なお、非特許文献11では、アセトアルデヒドを燃料として用いて発電しており、酢酸が生成していないのであれば、式(3)においても、アセトアルデヒドから炭素−炭素結合の解離を経て二酸化炭素まで酸化される反応経路が存在することが示唆される。 On the other hand, Non-Patent Document 11 reports that the products produced by the anodic oxidation of ethanol are only acetaldehyde and CO 2 , and the catalyst having high activity against acetaldehyde is Pt 2 Sn. In Non-Patent Document 11, power is generated using acetaldehyde as a fuel, and if acetic acid is not generated, even in formula (3), oxidation is performed from acetaldehyde to carbon dioxide through dissociation of carbon-carbon bonds. It is suggested that there is a reaction pathway that is

しかしながら、エタノールのアノード酸化では、何れの触媒についてもエタノールから二酸化炭素までの完全酸化反応における選択性及び反応活性が乏しい状況にある。
特開2004−152748号公報 K.A. Friedrich et al, Journal of Electoanalytical Chemistry,472(1999),120−125 C.Lamy et al,Journal of Applied Electrochemistry,31(2001),799−809 C.Lamy et al,Journal of Power Sources,105(2002),283−296 M.Watanabe et al,Langmuir,17(2001),146−154 T.Iwasita,J.Braz.Chem.Soc.,Vol.13 No.4(2002),401−409 藤田他,電池討論会講演要旨集,42nd,590−591(2001) J.−M.Leger et al,Journal of Applied Electrochemistry,31(2001),379−386 W. Zhou et al,Applied Catalysis,46(2003),273−285 神谷他,電気化学会講演要旨集,72nd,211(2005) J.Wang et al,J.Electrochem.Soc.,142(1995),4218−4224 山崎他,2005年 電気化学会秋季大会 講演要旨集,46(2005)
However, in the anodic oxidation of ethanol, the selectivity and reaction activity in the complete oxidation reaction from ethanol to carbon dioxide are poor for any catalyst.
JP 2004-152748 A K. A. Friedrich et al, Journal of Electrical Analytical Chemistry, 472 (1999), 120-125. C. Lamy et al, Journal of Applied Electrochemistry, 31 (2001), 799-809. C. Lamy et al, Journal of Power Sources, 105 (2002), 283-296. M.M. Watanabe et al, Langmuir, 17 (2001), 146-154. T.A. Iwashita, J .; Braz. Chem. Soc. , Vol. 13 No. 4 (2002), 401-409 Fujita et al., Abstracts of Battery Conference, 42nd, 590-591 (2001) J. et al. -M. Leger et al, Journal of Applied Electrochemistry, 31 (2001), 379-386. W. Zhou et al, Applied Catalysis, 46 (2003), 273-285. Kamiya et al., Proceedings of the Electrochemical Society, 72nd, 211 (2005) J. et al. Wang et al, J.A. Electrochem. Soc. 142 (1995), 4218-4224. Yamazaki et al., 2005 Electrochemical Society Autumn Meeting Abstracts, 46 (2005)

本発明は、上記の従来技術が有する問題に鑑み、アルコールをアノード酸化する際に生成する副生成物の排出を抑制することが可能な膜電極接合体、該膜電極接合体を有する燃料電池及び該燃料電池を有する電子機器を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and includes a membrane electrode assembly capable of suppressing discharge of byproducts generated when anodizing alcohol, a fuel cell having the membrane electrode assembly, and An object is to provide an electronic device having the fuel cell.

請求項1に記載の発明は、電解質膜がアノード及びカソードに狭持されている膜電極接合体において、該アノードは、作用の異なる2種以上の触媒が積層されている触媒層を有することを特徴とする。これにより、アルコールをアノード酸化する際に生成する副生成物の排出を抑制することが可能な膜電極接合体を提供することができる。   According to the first aspect of the present invention, in the membrane electrode assembly in which the electrolyte membrane is sandwiched between the anode and the cathode, the anode has a catalyst layer in which two or more kinds of catalysts having different functions are laminated. Features. Thereby, the membrane electrode assembly which can suppress discharge | emission of the by-product produced | generated when alcohol anodizes can be provided.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の膜電極接合体において、前記2種以上の触媒は、炭素数が2以上のアルコールの炭素−炭素結合の解離を伴わない酸化反応に活性な第一の触媒及び該酸化反応の生成物の炭素−炭素結合の解離反応に活性な第二の触媒を含有し、前記第一の触媒を含有する層を前記触媒層の前記電解質膜との界面に有し、前記第二の触媒を含有する層を前記触媒層の表面に有することを特徴とする。これにより、アルコールをアノード酸化する際に生成する副生成物の排出をさらに抑制することができる。   According to a second aspect of the present invention, in the membrane electrode assembly according to the first aspect, the two or more types of catalysts are active in an oxidation reaction not involving dissociation of a carbon-carbon bond of an alcohol having 2 or more carbon atoms. A first catalyst and a second catalyst active in a carbon-carbon bond dissociation reaction of the product of the oxidation reaction, and a layer containing the first catalyst is formed with the electrolyte membrane of the catalyst layer. A layer having an interface and containing the second catalyst is provided on the surface of the catalyst layer. Thereby, discharge | emission of the by-product produced | generated when an alcohol is anodized can be suppressed further.

請求項3に記載の発明は、電解質膜がアノード及びカソードに狭持されている膜電極接合体において、該アノードは、作用の異なる2種以上の触媒が混合されている触媒層を有することを特徴とする。これにより、アルコールをアノード酸化する際に生成する副生成物の排出を抑制することが可能な膜電極接合体を提供することができる。   According to a third aspect of the present invention, in the membrane electrode assembly in which the electrolyte membrane is sandwiched between the anode and the cathode, the anode has a catalyst layer in which two or more types of catalysts having different functions are mixed. Features. Thereby, the membrane electrode assembly which can suppress discharge | emission of the by-product produced | generated when alcohol anodizes can be provided.

請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の膜電極接合体において、前記2種以上の触媒の構成比は、前記触媒層の厚さ方向に対して連続的に変化することを特徴とする。これにより、アルコールをアノード酸化する際に生成する副生成物の排出をさらに抑制することができる。   According to a fourth aspect of the present invention, in the membrane electrode assembly according to the third aspect, the composition ratio of the two or more types of catalyst continuously changes in the thickness direction of the catalyst layer. And Thereby, discharge | emission of the by-product produced | generated when an alcohol is anodized can be suppressed further.

請求項5に記載の発明は、請求項3に記載の膜電極接合体において、前記2種以上の触媒の構成比は、前記触媒層の厚さ方向に対して段階的に変化することを特徴とする。これにより、アルコールをアノード酸化する際に生成する副生成物の排出をさらに抑制することができる。   According to a fifth aspect of the present invention, in the membrane electrode assembly according to the third aspect, the composition ratio of the two or more kinds of catalysts changes stepwise with respect to the thickness direction of the catalyst layer. And Thereby, discharge | emission of the by-product produced | generated when an alcohol is anodized can be suppressed further.

請求項6に記載の発明は、請求項4又は5に記載の膜電極接合体において、前記2種以上の触媒は、炭素数が2以上のアルコールの炭素−炭素結合の解離を伴わない酸化反応に活性な第一の触媒及び該酸化反応の生成物の炭素−炭素結合の解離反応に活性な第二の触媒を含有し、該2種以上の触媒に対する該第一の触媒の比は、前記触媒層の表面の側よりも前記触媒層の前記電解質膜の側で高く、該2種以上の触媒に対する該第二の触媒の比は、前記触媒層の前記電解質膜の側よりも前記触媒層の表面の側で高いことを特徴とする。これにより、アルコールをアノード酸化する際に生成する副生成物の排出をさらに抑制することができる。   The invention according to claim 6 is the membrane electrode assembly according to claim 4 or 5, wherein the two or more types of catalysts are oxidation reactions not involving dissociation of carbon-carbon bonds of alcohols having 2 or more carbon atoms. Active first catalyst and second catalyst active in dissociation reaction of carbon-carbon bond of the product of the oxidation reaction, and the ratio of the first catalyst to the two or more catalysts is The catalyst layer is higher on the electrolyte membrane side than the catalyst layer surface side, and the ratio of the second catalyst to the two or more catalysts is higher than that on the electrolyte membrane side of the catalyst layer. It is characterized by being high on the surface side. Thereby, discharge | emission of the by-product produced | generated when an alcohol is anodized can be suppressed further.

請求項7に記載の発明は、請求項3に記載の膜電極接合体において、前記2種以上の触媒の構成比は、前記触媒層の面方向に対して連続的に変化することを特徴とする。これにより、アルコールをアノード酸化する際に生成する副生成物の排出をさらに抑制することができる。   The invention according to claim 7 is the membrane electrode assembly according to claim 3, wherein the composition ratio of the two or more types of catalysts continuously changes with respect to the surface direction of the catalyst layer. To do. Thereby, discharge | emission of the by-product produced | generated when an alcohol is anodized can be suppressed further.

請求項8に記載の発明は、請求項3に記載の膜電極接合体において、前記2種以上の触媒の構成比は、前記触媒層の面方向に対して段階的に変化することを特徴とする。これにより、アルコールをアノード酸化する際に生成する副生成物の排出をさらに抑制することができる。   The invention according to claim 8 is the membrane electrode assembly according to claim 3, wherein the composition ratio of the two or more kinds of catalysts changes stepwise with respect to the surface direction of the catalyst layer. To do. Thereby, discharge | emission of the by-product produced | generated when an alcohol is anodized can be suppressed further.

請求項9に記載の発明は、請求項7又は8に記載の膜電極接合体において、前記2種以上の触媒は、炭素数が2以上のアルコールの炭素−炭素結合の解離を伴わない酸化反応に活性な第一の触媒及び該酸化反応の生成物の炭素−炭素結合の解離反応に活性な第二の触媒を含有し、該2種以上の触媒に対する該第一の触媒の比は、前記触媒層の該アルコールが排出される側よりも前記触媒層の該アルコールが供給される側で高く、該2種以上の触媒に対する該第二の触媒の比は、前記触媒層の該アルコールが供給される側よりも前記触媒層の該アルコールが排出される側で高いことを特徴とする。これにより、アルコールをアノード酸化する際に生成する副生成物の排出をさらに抑制することができる。   The invention according to claim 9 is the membrane electrode assembly according to claim 7 or 8, wherein the two or more types of catalysts are oxidation reactions not involving dissociation of carbon-carbon bonds of alcohols having 2 or more carbon atoms. Active first catalyst and second catalyst active in dissociation reaction of carbon-carbon bond of the product of the oxidation reaction, and the ratio of the first catalyst to the two or more catalysts is The ratio of the second catalyst to the two or more catalysts is higher than the side of the catalyst layer from which the alcohol is discharged, and the ratio of the second catalyst to the two or more catalysts is It is characterized in that it is higher on the side of the catalyst layer where the alcohol is discharged than on the side where the catalyst is discharged. Thereby, discharge | emission of the by-product produced | generated when an alcohol is anodized can be suppressed further.

請求項10に記載の発明は、請求項2、6及び9のいずれか一項に記載の膜電極接合体において、前記第一の触媒は、周期律表のIb、IVb、Vb、VIb、VIIb及びVIIIb族の第4、第5及び第6周期に属する元素の単体及び化合物からなる群より選択される一種以上からなり、前記第二の触媒は、周期律表のIIIa、IVa、IVb、Vb、VIb及びVIIIb族の第3、第4、第5及び第6周期に属する元素の単体及び化合物からなる群より選択される一種以上からなることを特徴とする。これにより、アルコールをアノード酸化する際に生成する副生成物の排出をさらに抑制することができる。   The invention according to claim 10 is the membrane electrode assembly according to any one of claims 2, 6 and 9, wherein the first catalyst is Ib, IVb, Vb, VIb, VIIb of the periodic table. And at least one selected from the group consisting of simple substances and compounds of elements belonging to the fourth, fifth and sixth periods of the VIIIb group, and the second catalyst comprises IIIa, IVa, IVb, Vb of the periodic table , VIb and VIIIb group, which is composed of one or more selected from the group consisting of simple substances and compounds belonging to the third, fourth, fifth and sixth periods. Thereby, discharge | emission of the by-product produced | generated when an alcohol is anodized can be suppressed further.

請求項11に記載の発明は、燃料電池において、請求項1乃至10のいずれか一項に記載の膜電極接合体を有することを特徴とする。これにより、アルコールをアノード酸化する際に生成する副生成物の排出をさらに抑制することが可能な燃料電池を提供することができる。   According to an eleventh aspect of the present invention, in a fuel cell, the membrane electrode assembly according to any one of the first to tenth aspects is provided. Thereby, the fuel cell which can further suppress discharge | emission of the by-product produced | generated when anodic oxidation of alcohol can be provided.

請求項12に記載の発明は、請求項11に記載の燃料電池において、前記膜電極接合体を複数有し、該複数の膜電極接合体は、少なくとも一つの平面上に配列されていると共に、電気的に直列に接続されていることを特徴とする。これにより、燃料電池を小型化することができる。   The invention according to claim 12 is the fuel cell according to claim 11, comprising a plurality of the membrane electrode assemblies, wherein the plurality of membrane electrode assemblies are arranged on at least one plane, It is electrically connected in series. Thereby, a fuel cell can be reduced in size.

請求項13に記載の発明は、請求項11に記載の燃料電池において、前記膜電極接合体を複数有し、該複数の膜電極接合体は、バイポーラプレートを介して順次積層されていることを特徴とする。これにより、燃料電池の出力を向上させることができる。   A thirteenth aspect of the present invention is the fuel cell according to the eleventh aspect, wherein a plurality of the membrane electrode assemblies are provided, and the plurality of membrane electrode assemblies are sequentially stacked via a bipolar plate. Features. Thereby, the output of the fuel cell can be improved.

請求項14に記載の発明は、電子機器において、請求項11乃至13のいずれか一項に記載の燃料電池を有することを特徴とする。これにより、アルコールをアノード酸化する際に生成する副生成物の排出を抑制することが可能な燃料電池が搭載された電子機器を提供することができる。   According to a fourteenth aspect of the present invention, in the electronic device, the fuel cell according to any one of the eleventh to thirteenth aspects is provided. Thereby, it is possible to provide an electronic device equipped with a fuel cell capable of suppressing discharge of by-products generated when the alcohol is anodized.

本発明によれば、アルコールをアノード酸化する際に生成する副生成物の排出を抑制することが可能な膜電極接合体、該膜電極接合体を有する燃料電池及び該燃料電池を有する電子機器を提供することができる。   According to the present invention, there is provided a membrane electrode assembly capable of suppressing discharge of by-products generated when an alcohol is anodized, a fuel cell having the membrane electrode assembly, and an electronic device having the fuel cell. Can be provided.

次に、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に説明する。   Next, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

本発明の膜電極接合体は、電解質膜がアノード及びカソードに狭持されており、アノードは、作用の異なる2種以上の触媒が積層又は混合されている触媒層を有する。このとき、触媒は、単独で使用してもよいし、導電性基材に担持されていてもよい。このような膜電極接合体は、直接アルコール型燃料電池に用いることができる。   In the membrane electrode assembly of the present invention, the electrolyte membrane is sandwiched between the anode and the cathode, and the anode has a catalyst layer in which two or more kinds of catalysts having different functions are laminated or mixed. At this time, the catalyst may be used alone or may be supported on a conductive substrate. Such a membrane electrode assembly can be directly used for an alcohol fuel cell.

直接アルコール型燃料電池とは、燃料として、アルコールをアノードに供給し、酸化剤として、酸素をカソードに供給して、その酸化還元反応により、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電デバイスである。エタノールやその他の炭素鎖の長いアルコールのエネルギー密度(kWh/kg)は、液体水素やメタノールよりも大きく、理論効率は、水素を利用した燃料電池よりも大きい。しかし、アノード酸化の反応抵抗が大きく、十分な出力が得られていないのが現状である。   A direct alcohol fuel cell is a power generation device that supplies alcohol to the anode as a fuel, supplies oxygen to the cathode as an oxidant, and converts chemical energy directly into electrical energy by its oxidation-reduction reaction. The energy density (kWh / kg) of ethanol and other long carbon chain alcohols is greater than that of liquid hydrogen and methanol, and the theoretical efficiency is greater than that of fuel cells using hydrogen. However, at present, the reaction resistance of anodic oxidation is large and a sufficient output cannot be obtained.

電解質膜は、イオン伝導性を有する膜であるが、特に、プロトンを伝播する性能を有する膜が好ましく、例えば、ナフィオン(デュポン社製)、アシプレックス(旭化成社製)、フレミオン(旭硝子社製)等が挙げられる。   The electrolyte membrane is a membrane having ion conductivity, and in particular, a membrane having the ability to propagate protons is preferable. For example, Nafion (manufactured by DuPont), Aciplex (manufactured by Asahi Kasei), Flemion (manufactured by Asahi Glass) Etc.

アノード(又はカソード)は、粒子径が数ナノメートルの触媒と、触媒を担持するためや反応により発生する電子を伝播するための導電性基材と、酸化還元反応により生成するプロトンを伝播するための電解質成分との混合物からなる触媒層を有し、燃料(又は酸化剤)が供給される側面に拡散層を有することが好ましい。導電性基材としては、例えば、バルカン(キャボット社製)、ケッチェンブラック(ライオン社製)等の粒子径が数十ナノメートルのカーボン微粒子を用いることができる。このとき、触媒を担持したカーボン微粒子は、凝集して、粒子径が数百ナノメートルの二次粒子となって電極中に存在している。   The anode (or cathode) is used to propagate a catalyst having a particle size of several nanometers, a conductive base material for supporting the catalyst or propagating electrons generated by the reaction, and a proton generated by the oxidation-reduction reaction. It is preferable to have a catalyst layer made of a mixture of the electrolyte component and a diffusion layer on the side surface to which the fuel (or oxidant) is supplied. As the conductive substrate, for example, carbon fine particles having a particle diameter of several tens of nanometers such as Vulcan (manufactured by Cabot), Ketjen Black (manufactured by Lion) and the like can be used. At this time, the carbon fine particles supporting the catalyst are aggregated and become secondary particles having a particle diameter of several hundred nanometers and are present in the electrode.

拡散層としては、カーボンペーパ、カーボンクロス等の多孔質基材を用いることができる。拡散層には、必要に応じて、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)に代表される撥水剤を添加又は積層することもできる。   As the diffusion layer, a porous substrate such as carbon paper or carbon cloth can be used. If necessary, a water repellent represented by polytetrafluoroethylene (PTFE) can be added to or laminated on the diffusion layer.

なお、膜電極接合体は、アノードとカソードとの間に電解質膜を介在させて挟持する方法、ホットプレス、キャスト製膜等によって三者を接合することにより、作製することができる。   The membrane electrode assembly can be produced by joining the three members by a method of sandwiching an electrolyte membrane between an anode and a cathode, hot pressing, cast film formation, or the like.

直接メタノール型燃料電池のアノード触媒には、Pt−Ru合金が好適であるとされている。ここで、合金とは、白金とルテニウムが原子レベルでお互いに近傍にあることを意味する。これは、白金の表面に吸着したメタノールが酸化される過程で被毒種を順次二酸化炭素まで酸化させるために、酸素種を吸着しやすいルテニウムが、白金の近傍に存在する必要があるためである(bi−functional mechanism)。ここで、被毒種は、吸着力が強いために、白金の表面を覆って、不活性化させる物質であり、主に一酸化炭素である。   A Pt—Ru alloy is suitable for an anode catalyst of a direct methanol fuel cell. Here, the alloy means that platinum and ruthenium are close to each other at the atomic level. This is because ruthenium that easily adsorbs oxygen species needs to be present in the vicinity of platinum in order to oxidize poisonous species to carbon dioxide in the process where methanol adsorbed on the surface of platinum is oxidized. (Bi-functional mechanism). Here, the poisoned species is a substance that covers the surface of platinum and inactivates it because of its strong adsorption power, and is mainly carbon monoxide.

しかし、エタノールのように、炭素−炭素結合の解離を必要とする燃料に対しては、エタノールを吸着し、炭素−炭素結合の解離を伴わない酸化反応に活性を有し、生成物を脱着する第一の触媒(例えば、Pt−Ru触媒)と、生成物の炭素−炭素結合の解離反応に活性な触媒(例えば、Pt−Sn触媒)の合金を用いると、生成物は、炭素−炭素結合を解離する前に、触媒の表面から脱着すると考えられる。その結果、第二の触媒の機能が発揮されない。なお、エタノールを用いる場合、白金の表面で、エタノールの吸着、エタノールの炭素−炭素結合の解離を伴わない酸化反応、生成物の炭素−炭素結合の解離反応、一酸化炭素の酸化及び二酸化炭素の脱着の全てを行うことは困難であると考えられる。そこで、第一の触媒と、第二の触媒とを、互いの触媒作用に影響しない所定の距離を隔てて配置することにより、エタノールを二酸化炭素まで効率的に酸化することができ、副生成物の生成を抑制することができると考えられる。   However, for fuels that require carbon-carbon bond dissociation, such as ethanol, ethanol is adsorbed and active in oxidation reactions that do not involve carbon-carbon bond dissociation, and the product is desorbed. When an alloy of a first catalyst (eg, Pt—Ru catalyst) and a catalyst (eg, Pt—Sn catalyst) active in the dissociation reaction of the product carbon-carbon bond is used, the product is converted into a carbon-carbon bond. It is thought that it is desorbed from the surface of the catalyst before dissociating. As a result, the function of the second catalyst is not exhibited. When ethanol is used, the adsorption of ethanol on the surface of platinum, the oxidation reaction without the carbon-carbon bond dissociation of ethanol, the carbon-carbon bond dissociation reaction of the product, the oxidation of carbon monoxide and the carbon dioxide It is considered difficult to perform all of the desorption. Therefore, by arranging the first catalyst and the second catalyst at a predetermined distance that does not affect the catalytic action of each other, ethanol can be efficiently oxidized to carbon dioxide, and a by-product It is considered that the generation of can be suppressed.

本発明の膜電極接合体において、作用の異なる2種以上の触媒が積層されている場合に、2種以上の触媒は、炭素数が2以上のアルコールの炭素−炭素結合の解離を伴わない酸化反応に活性な第一の触媒及び酸化反応の生成物の炭素−炭素結合の解離反応に活性な第二の触媒を含有し、第一の触媒を含有する層を触媒層の電解質膜との界面に有し、第二の触媒を含有する層を触媒層の表面に有することが好ましい。なお、2種以上の触媒が第一の触媒及び第二の触媒からなる場合は、電解質膜上に第一の触媒を含有する層及び第二の触媒を含有する層が順次積層されていることが好ましい。   In the membrane electrode assembly of the present invention, when two or more types of catalysts having different actions are laminated, the two or more types of catalysts are oxidized without dissociation of carbon-carbon bonds of alcohols having 2 or more carbon atoms. A first catalyst active in the reaction and a second catalyst active in the carbon-carbon bond dissociation reaction of the product of the oxidation reaction, and the layer containing the first catalyst is an interface with the electrolyte membrane of the catalyst layer And a layer containing the second catalyst is preferably provided on the surface of the catalyst layer. In addition, when two or more kinds of catalysts are composed of the first catalyst and the second catalyst, the layer containing the first catalyst and the layer containing the second catalyst are sequentially laminated on the electrolyte membrane. Is preferred.

本発明の膜電極接合体において、作用の異なる2種以上の触媒が混合されている場合に、2種以上の触媒の構成比は、触媒層の厚さ方向に対して変化することが好ましい。なお、触媒の構成比が触媒層の厚さ方向に対して変化するとは、触媒層の厚さ方向に対して触媒の全モル濃度が一定である場合及び変化する場合のいずれも含む。このとき、変化は、連続的であっても、段階的であってもよい。このとき、触媒層の電解質膜又は拡散層と接する側の面は、単一の触媒で構成されていても、複数の触媒で構成されていても構わない。触媒層の厚さ方向においては、電解質膜に接する側の面と拡散層に接する側の面があり、電解質膜から拡散層に向けて、アルコールの濃度及び生成物の濃度が異なる。   In the membrane / electrode assembly of the present invention, when two or more kinds of catalysts having different functions are mixed, the composition ratio of the two or more kinds of catalysts is preferably changed with respect to the thickness direction of the catalyst layer. The change in the composition ratio of the catalyst with respect to the thickness direction of the catalyst layer includes both cases where the total molar concentration of the catalyst is constant and changes with respect to the thickness direction of the catalyst layer. At this time, the change may be continuous or stepwise. At this time, the surface of the catalyst layer on the side in contact with the electrolyte membrane or the diffusion layer may be composed of a single catalyst or a plurality of catalysts. In the thickness direction of the catalyst layer, there are a surface in contact with the electrolyte membrane and a surface in contact with the diffusion layer, and the concentration of alcohol and the concentration of the product are different from the electrolyte membrane toward the diffusion layer.

このため、2種以上の触媒は、炭素数が2以上のアルコールの炭素−炭素結合の解離を伴わない酸化反応に活性な第一の触媒及び酸化反応の生成物の炭素−炭素結合の解離反応に活性な第二の触媒を含有し、2種以上の触媒に対する第一の触媒の比は、触媒層の表面の側よりも触媒層の電解質膜の側で高く、2種以上の触媒に対する第二の触媒の比は、触媒層の電解質膜の側よりも触媒層の表面の側で高いことが好ましい。これにより、炭素−炭素結合の解離を伴わない酸化反応の生成物の濃度が高くなる領域に、第二の触媒が多く配置されるので、燃料電池系外(送液ライン、燃料貯蔵タンク、大気中)に副生成物が排出されることを抑制することができる。   For this reason, two or more types of catalysts are a first catalyst active in an oxidation reaction not involving dissociation of carbon-carbon bonds of alcohols having 2 or more carbon atoms, and a carbon-carbon bond dissociation reaction of the product of the oxidation reaction. The ratio of the first catalyst to the two or more catalysts is higher on the electrolyte membrane side of the catalyst layer than on the surface side of the catalyst layer, and the ratio for the two or more catalysts. The ratio of the two catalysts is preferably higher on the surface side of the catalyst layer than on the electrolyte membrane side of the catalyst layer. As a result, a large amount of the second catalyst is disposed in a region where the concentration of the product of the oxidation reaction without carbon-carbon bond dissociation is high, so that the outside of the fuel cell system (liquid feeding line, fuel storage tank, air Middle product) can be prevented from being discharged.

本発明の膜電極接合体において、作用の異なる2種以上の触媒が混合されている場合に、2種以上の触媒の構成比は、触媒層の面方向に対して変化することが好ましい。なお、触媒の構成比が触媒層の面方向に対して変化するとは、触媒層の面方向に対して触媒の全モル濃度が一定である場合及び変化する場合のいずれも含む。このとき、変化は、連続的であっても、段階的であってもよい。アルコールを強制的に循環させる形態の燃料電池では、セパレータと呼ばれる、拡散層とは別に燃料を送液するための溝を有する燃料供給路が用いられる。その結果、アルコールの供給口付近と排出口付近では、アルコールの濃度及び生成物の濃度が異なる。   In the membrane / electrode assembly of the present invention, when two or more kinds of catalysts having different functions are mixed, the composition ratio of the two or more kinds of catalysts is preferably changed with respect to the surface direction of the catalyst layer. Note that the change in the composition ratio of the catalyst with respect to the surface direction of the catalyst layer includes both cases where the total molar concentration of the catalyst is constant and changes with respect to the surface direction of the catalyst layer. At this time, the change may be continuous or stepwise. In a fuel cell in which alcohol is circulated forcibly, a fuel supply path called a separator having a groove for feeding fuel is used separately from the diffusion layer. As a result, the alcohol concentration and the product concentration differ between the vicinity of the alcohol supply port and the vicinity of the discharge port.

このため、2種以上の触媒は、炭素数が2以上のアルコールの炭素−炭素結合の解離を伴わない酸化反応に活性な第一の触媒及び酸化反応の生成物の炭素−炭素結合の解離反応に活性な第二の触媒を含有し、2種以上の触媒に対する第一の触媒の比は、触媒層のアルコールが排出される側よりも触媒層のアルコールが供給される側で高く、2種以上の触媒に対する第二の触媒の比は、触媒層のアルコールが供給される側よりも触媒層のアルコールが排出される側で高いことが好ましい。これにより、炭素−炭素結合の解離を伴わない酸化反応の生成物の濃度が高くなる領域に、第二の触媒が多く配置されるので、燃料電池系外(送液ライン、燃料貯蔵タンク、大気中)に副生成物が排出されることを抑制することができる。   For this reason, two or more types of catalysts are a first catalyst active in an oxidation reaction not involving dissociation of carbon-carbon bonds of alcohols having 2 or more carbon atoms, and a carbon-carbon bond dissociation reaction of the product of the oxidation reaction. The ratio of the first catalyst to the two or more catalysts is higher on the side of the catalyst layer where alcohol is supplied than on the side where the alcohol of the catalyst layer is discharged. The ratio of the second catalyst to the above catalyst is preferably higher on the side of the catalyst layer where the alcohol is discharged than on the side where the alcohol of the catalyst layer is supplied. As a result, a large amount of the second catalyst is disposed in a region where the concentration of the product of the oxidation reaction without carbon-carbon bond dissociation is high, so that the outside of the fuel cell system (liquid feeding line, fuel storage tank, air Middle product) can be prevented from being discharged.

上記第一の触媒は、周期律表のIb、IVb、Vb、VIb、VIIb及びVIIIb族の第4〜第6周期に属する元素の単体及び化合物からなる群より選択される一種以上からなり、上記第二の触媒は、周期律表のIIIa、IVa、IVb、Vb、VIb及びVIIIb族の第3、第4、第5及び第6周期に属する元素の単体及び化合物からなる群より選択される一種以上からなることが好ましい。このとき、第一の触媒及び第二の触媒は、上記の元素の単体及び化合物からなる群より選択される一種以上からなる合金であってもよい。第一の触媒としては、白金、白金とルテニウムとの混合体又は白金とルテニウムと、モリブデン、タングステン、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅等の単体又は化合物(酸化物等)との混合体が挙げられる。第二の触媒としては、白金、スズ、コバルト、ニッケル、ロジウム、パラジウム又はこれらとアルミニウム、亜鉛、チタンの酸化物の混合物が挙げられる。   Said 1st catalyst consists of 1 or more types selected from the group which consists of the element of the periodic table Ib, IVb, Vb, VIb, VIIb, and the element which belongs to the 4th-6th period of the VIIIb group, and a compound, The second catalyst is a kind selected from the group consisting of simple substances and compounds belonging to the third, fourth, fifth and sixth periods of groups IIIa, IVa, IVb, Vb, VIb and VIIIb of the periodic table It is preferable to consist of the above. At this time, the first catalyst and the second catalyst may be an alloy composed of one or more selected from the group consisting of the simple elements and compounds of the above elements. As the first catalyst, platinum, a mixture of platinum and ruthenium or platinum and ruthenium, and a simple substance or compound (oxide, etc.) such as molybdenum, tungsten, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper ) And a mixture thereof. Examples of the second catalyst include platinum, tin, cobalt, nickel, rhodium, palladium, or a mixture of these and oxides of aluminum, zinc, and titanium.

本発明の膜電極接合体の作製方法は、特に限定されるものではないが、第一の触媒及び第二の触媒が積層されているアノードの触媒層を形成する場合の具体例を以下に示す。   The method for producing the membrane electrode assembly of the present invention is not particularly limited, but a specific example in the case of forming an anode catalyst layer in which the first catalyst and the second catalyst are laminated is shown below. .

第一の方法は、第一の触媒を含む第一触媒インク及び第二の触媒を含む第二触媒インクを用いて、アノードの触媒層を形成する方法である。   The first method is a method of forming an anode catalyst layer using a first catalyst ink containing a first catalyst and a second catalyst ink containing a second catalyst.

具体的には、電解質膜上に、第一触媒インクを塗布、乾燥した後、第二触媒インクを塗布、乾燥することにより、触媒層を形成することができる。   Specifically, the catalyst layer can be formed by applying and drying the first catalyst ink on the electrolyte membrane and then applying and drying the second catalyst ink.

また、電解質膜上に、第二触媒インク及び第一触媒インクが順次塗布、乾燥されているPTFEシートをホットプレス等により圧着した後に、PTFEシートを剥がすことにより、電解質膜上に、触媒層を転写することができる。   In addition, after the PTFE sheet, in which the second catalyst ink and the first catalyst ink are sequentially applied and dried on the electrolyte membrane, is pressure-bonded by hot pressing or the like, the PTFE sheet is peeled off to form a catalyst layer on the electrolyte membrane. Can be transferred.

一方、塗布基板として、電解質膜の代わりに、拡散層を用いてもよい。具体的には、カーボンペーパ又はカーボンブラック及び結着材(電解質成分若しくはPTFE成分)からなるカーボン層を表面に形成したカーボンペーパを用いることができる。この場合、カーボンペーパ上に、第二触媒インクを塗布、乾燥した後、第一触媒インクを塗布、乾燥することにより、触媒層を形成することができる。   On the other hand, a diffusion layer may be used as the coated substrate instead of the electrolyte membrane. Specifically, carbon paper in which a carbon layer made of carbon paper or carbon black and a binder (electrolyte component or PTFE component) is formed on the surface can be used. In this case, the catalyst layer can be formed by applying and drying the second catalyst ink on the carbon paper and then applying and drying the first catalyst ink.

なお、触媒インクは、触媒を担持したカーボンと、電解質成分の溶液又は分散液とを、水、アルコール等の溶媒と混合することにより、調製することができる。また、触媒インクの塗布方法は、触媒インクの粘度に応じて、スプレー、スピンコーター、アプリケータ、ワイヤーバー、ドクターブレード、ローラー等を用いることができる。   The catalyst ink can be prepared by mixing carbon carrying the catalyst and a solution or dispersion of the electrolyte component with a solvent such as water or alcohol. As a method for applying the catalyst ink, a spray, a spin coater, an applicator, a wire bar, a doctor blade, a roller, or the like can be used depending on the viscosity of the catalyst ink.

カソードの触媒層は、電解質膜又はカーボンペーパへの塗布法及び転写法のいずれを用いて形成してもよい。   The catalyst layer of the cathode may be formed using any one of an application method to an electrolyte membrane or carbon paper and a transfer method.

電解質膜上に触媒層を形成した場合には、触媒層の表面に拡散層をホットプレスにより圧着し、膜電極接合体を作製することができる。また、拡散層上に触媒層を形成した場合には、触媒層の表面に電解質膜をホットプレスにより圧着し、膜電極接合体を作製することができる。   When the catalyst layer is formed on the electrolyte membrane, the membrane electrode assembly can be produced by pressing the diffusion layer on the surface of the catalyst layer by hot pressing. When a catalyst layer is formed on the diffusion layer, a membrane electrode assembly can be produced by pressure bonding an electrolyte membrane to the surface of the catalyst layer by hot pressing.

図4に、このようにして作製した膜電極接合体の、アノードと電解質膜の接合部分を示す。   FIG. 4 shows the junction between the anode and the electrolyte membrane of the membrane / electrode assembly thus prepared.

第二の方法は、触媒インクと、乾式合成法又は乾式合成法及び湿式合成法を併用することにより、アノードの触媒層を形成する方法である。ここで、乾式合成法としては、スパッタリング法、真空蒸着法、ガス中蒸発法等のPVD(Physical Vapor Deposition)法、cat−CVD法、熱CVD法等のCVD(Chemical Vapor Deposition)法が挙げられる。このとき、燃料及び生成物の拡散を阻害しないのであれば、いずれの方法を用いてもよい。湿式合成法としては、電解めっき、無電解めっき、コロイド含浸法等が挙げられる。乾式及び湿式合成法により形成される層は、触媒のみから構成される。   The second method is a method of forming an anode catalyst layer by using a catalyst ink and a dry synthesis method or a dry synthesis method and a wet synthesis method in combination. Here, examples of the dry synthesis method include a PVD (Physical Vapor Deposition) method such as a sputtering method, a vacuum deposition method, and a gas evaporation method, and a CVD (Chemical Vapor Deposition) method such as a cat-CVD method and a thermal CVD method. . At this time, any method may be used as long as the diffusion of the fuel and the product is not inhibited. Examples of the wet synthesis method include electrolytic plating, electroless plating, colloidal impregnation method, and the like. The layer formed by the dry and wet synthesis methods is composed only of the catalyst.

具体的には、カーボンペーパ又はカーボン層を表面に形成したカーボンペーパ上に、第二触媒インクを上記と同様に、塗布、乾燥した後、スパッタリング法により第一の触媒からなる層を形成することにより、触媒層を形成することができる。このとき、第一の触媒が二成分以上の場合は、同時にスパッタリングしてもよいし、これらの合金をスパッタリングしてもよい。なお、必要に応じて、スパッタリングにより形成した層上に、電解質成分の溶液又は分散液を塗布してもよい。これにより、電解質膜との密着性が良くなる。   Specifically, on the carbon paper having the carbon paper or carbon layer formed on the surface, the second catalyst ink is applied and dried in the same manner as described above, and then a layer made of the first catalyst is formed by a sputtering method. Thus, a catalyst layer can be formed. At this time, when the first catalyst has two or more components, sputtering may be performed simultaneously, or these alloys may be sputtered. In addition, you may apply | coat the solution or dispersion liquid of an electrolyte component on the layer formed by sputtering as needed. Thereby, the adhesiveness with the electrolyte membrane is improved.

また、電解質膜にスパッタリング法により第一の触媒からなる層を形成した後、第二触媒インクを塗布することにより、触媒層を形成することができる。   Moreover, after forming the layer which consists of a 1st catalyst by sputtering method in an electrolyte membrane, a catalyst layer can be formed by apply | coating a 2nd catalyst ink.

カソードの触媒層は、電解質膜又はカーボンペーパへの塗布法及び転写法のいずれを用いて形成してもよい。   The catalyst layer of the cathode may be formed using any one of an application method to an electrolyte membrane or carbon paper and a transfer method.

電解質膜上に触媒層を形成した場合には、触媒層の表面に拡散層をホットプレスにより圧着し、膜電極接合体を作製することができる。また、拡散層上に触媒層を形成した場合には、触媒層の表面に電解質膜をホットプレスにより圧着し、膜電極接合体を作製することができる。   When the catalyst layer is formed on the electrolyte membrane, the membrane electrode assembly can be produced by pressing the diffusion layer on the surface of the catalyst layer by hot pressing. When a catalyst layer is formed on the diffusion layer, a membrane electrode assembly can be produced by pressure bonding an electrolyte membrane to the surface of the catalyst layer by hot pressing.

図5に、このようにして作製した膜電極接合体の、アノードと電解質膜の接合部分を示す。   FIG. 5 shows the junction between the anode and the electrolyte membrane of the membrane / electrode assembly produced in this manner.

次に、第一の触媒及び第二の触媒の構成比が触媒層の厚さ方向に対して変化するアノードの触媒層を形成する方法を以下に示す。具体的には、第一触媒インクと第二触媒インクの体積比を変えて混合した混合インクを用いて、アノードの触媒層を形成する方法である。   Next, a method for forming an anode catalyst layer in which the composition ratio of the first catalyst and the second catalyst varies with respect to the thickness direction of the catalyst layer will be described below. Specifically, the anode catalyst layer is formed using a mixed ink in which the volume ratio of the first catalyst ink and the second catalyst ink is mixed.

まず、第一触媒インク:第二触媒インク(体積比)が75:25、50:50及び25:75となるように混合することにより、それぞれ第三触媒インク、第四触媒インク及び第五触媒インクを調製する。次に、電解質膜上に、第一、第三、第四、第五及び第二の順に触媒インクを塗布、乾燥することにより、触媒層を形成することができる。また、カーボンペーパ又はカーボン層を表面に形成したカーボンペーパ上に、第二、第五、第四、第三及び第一の順に触媒インクを塗布、乾燥することにより、触媒層を形成することができる。   First, the third catalyst ink, the fourth catalyst ink, and the fifth catalyst are mixed by mixing so that the first catalyst ink: second catalyst ink (volume ratio) is 75:25, 50:50, and 25:75, respectively. Prepare ink. Next, the catalyst layer can be formed by applying and drying the catalyst ink on the electrolyte membrane in the order of the first, third, fourth, fifth and second. In addition, a catalyst layer may be formed by applying and drying catalyst ink in the order of second, fifth, fourth, third and first on carbon paper or carbon paper having a carbon layer formed on the surface. it can.

カソードの触媒層は、電解質膜又はカーボンペーパへの塗布法及び転写法のいずれを用いて形成してもよい。   The catalyst layer of the cathode may be formed using any one of an application method to an electrolyte membrane or carbon paper and a transfer method.

電解質膜上に触媒層を形成した場合には、触媒層の表面に拡散層をホットプレスにより圧着し、膜電極接合体を作製することができる。また、拡散層上に触媒層を形成した場合には、触媒層の表面に電解質膜をホットプレスにより圧着し、膜電極接合体を作製することができる。   When the catalyst layer is formed on the electrolyte membrane, the membrane electrode assembly can be produced by pressing the diffusion layer on the surface of the catalyst layer by hot pressing. When a catalyst layer is formed on the diffusion layer, a membrane electrode assembly can be produced by pressure bonding an electrolyte membrane to the surface of the catalyst layer by hot pressing.

次に、第一の触媒及び第二の触媒の構成比が触媒層の面方向に対して変化するアノードの触媒層を形成する場合の具体例を以下に示す。   Next, a specific example in the case of forming an anode catalyst layer in which the composition ratio of the first catalyst and the second catalyst varies with respect to the surface direction of the catalyst layer is shown below.

第一の方法は、電解質膜上又はカーボンペーパ若しくはカーボン層を表面に形成したカーボンペーパ上に、ギャップ幅が変化しているブレードを用いて、第一触媒インク(又は第二触媒インク)を塗布、乾燥した後に、ギャップ幅が一定のブレードを用いて第二触媒インク(又は第一触媒インク)を塗布する方法である。   The first method is to apply the first catalyst ink (or the second catalyst ink) on the electrolyte membrane or the carbon paper or the carbon paper having the carbon layer formed on the surface by using a blade whose gap width is changed. In this method, after drying, the second catalyst ink (or the first catalyst ink) is applied using a blade having a constant gap width.

第二の方法は、電解質膜上又はカーボンペーパ若しくはカーボン層を表面に形成したカーボンペーパ上に、第一触媒インク及び第二触媒インクを塗布する際に、機械式スプレー塗布装置を制御する方法である。機械式スプレー塗布装置を制御する方法としては、スプレーガンの移動(距離及び速度)を制御する方法、塗布圧力を制御する方法等が挙げられる。   The second method is a method of controlling the mechanical spray coating device when applying the first catalyst ink and the second catalyst ink on the electrolyte membrane or the carbon paper or the carbon paper on which the carbon layer is formed. is there. Examples of the method for controlling the mechanical spray coating apparatus include a method for controlling the movement (distance and speed) of the spray gun and a method for controlling the coating pressure.

第三の方法は、電解質膜上又はカーボンペーパ若しくはカーボン層を表面に形成したカーボンペーパ上に、第一触媒インク及び第二触媒インクを同時にスプレー塗布し、それぞれの触媒インクの塗布量を制御する方法である。なお、触媒インクの塗布量は、塗布圧力により、制御することができる。   In the third method, the first catalyst ink and the second catalyst ink are simultaneously spray-coated on the electrolyte membrane or the carbon paper or the carbon paper on which the carbon layer is formed, and the coating amount of each catalyst ink is controlled. Is the method. The amount of catalyst ink applied can be controlled by the application pressure.

カソードの触媒層は、電解質膜又はカーボンペーパへの塗布法及び転写法のいずれを用いて形成してもよい。   The catalyst layer of the cathode may be formed using any one of an application method to an electrolyte membrane or carbon paper and a transfer method.

電解質膜上に触媒層を形成した場合には、触媒層の表面に拡散層をホットプレスにより圧着し、膜電極接合体を作製することができる。また、拡散層上に触媒層を形成した場合には、触媒層の表面に電解質膜をホットプレスにより圧着し、膜電極接合体を作製することができる。   When the catalyst layer is formed on the electrolyte membrane, the membrane electrode assembly can be produced by pressing the diffusion layer on the surface of the catalyst layer by hot pressing. When a catalyst layer is formed on the diffusion layer, a membrane electrode assembly can be produced by pressure bonding an electrolyte membrane to the surface of the catalyst layer by hot pressing.

本発明の燃料電池は、本発明の膜電極接合体を複数有するが、複数の膜電極接合体は、少なくとも一つの平面上に配列されていると共に、電気的に直列に接続されていることが好ましい。これにより、単セルの供給電力が弱い場合に、直列に接続することにより、電力を補うことができる。一般的に、平面上に配列すると、燃料を循環させるためのポンプやブロアが必要なくなり、また、装置全体の厚みを薄くできるので、小型燃料電池に適している。   The fuel cell of the present invention has a plurality of the membrane electrode assemblies of the present invention, and the plurality of membrane electrode assemblies may be arranged on at least one plane and electrically connected in series. preferable. Thereby, when the supply power of a single cell is weak, electric power can be supplemented by connecting in series. Generally, when arranged on a flat surface, a pump and a blower for circulating the fuel are not necessary, and the thickness of the entire apparatus can be reduced, which is suitable for a small fuel cell.

本発明の燃料電池は、本発明の膜電極接合体を複数有するが、複数の膜電極接合体は、バイポーラプレートを介して順次積層されていることが好ましい。これにより、平面上に接続する場合と比較して、接続による電気抵抗を減らすことができるため、大電力の供給が可能となる。   The fuel cell of the present invention has a plurality of the membrane electrode assemblies of the present invention, but the plurality of membrane electrode assemblies are preferably laminated sequentially via a bipolar plate. Thereby, compared with the case where it connects on a plane, since the electrical resistance by connection can be reduced, supply of large electric power is attained.

図1に、本発明の燃料電池の第1の実施形態を示す。図1の燃料電池は、筐体1a及び1b内にイオン伝導性を有する電解質膜2と、それを挟持する一対の電極(アノード3及びカソード4)を有し、それらの外側に燃料供給路5と酸化剤供給路6を具備してなる。なお、燃料として、アルコール水溶液を例示しているが、水素ガス、改質ガス燃料等の気体燃料であってもよい。   FIG. 1 shows a first embodiment of the fuel cell of the present invention. The fuel cell of FIG. 1 has an electrolyte membrane 2 having ion conductivity in housings 1a and 1b and a pair of electrodes (anode 3 and cathode 4) sandwiching the electrolyte membrane 2, and a fuel supply path 5 outside them. And an oxidant supply path 6. In addition, although alcohol aqueous solution is illustrated as a fuel, gaseous fuels, such as hydrogen gas and a reformed gas fuel, may be sufficient.

アノード3側には、燃料供給路5が設けられる。燃料供給路5は、燃料を収納するための部位であってもよいが、外部燃料収納部(図示せず)との流通路であってもよい。この際、燃料は、自然対流及び/又は強制対流により攪拌されることが好ましい。強制対流が必要な場合は、強制対流手段(図示せず)を付設してもよい。   A fuel supply path 5 is provided on the anode 3 side. The fuel supply path 5 may be a part for storing fuel, but may be a flow path with an external fuel storage part (not shown). At this time, the fuel is preferably stirred by natural convection and / or forced convection. If forced convection is required, forced convection means (not shown) may be provided.

カソード4側には、酸化剤供給路6が設けられている。上方に酸化剤(多くの場合は、空気)を導入するための酸化剤導入孔が設けられる一方、下方に未反応空気と生成物(多くの場合は、水)を排出するための酸化剤排出孔が設けられている。この場合、強制吸気及び/又は強制排気手段を付設してもよい(図示せず)。また、筐体1aに空気の自然対流孔を設けてもよい。   An oxidant supply path 6 is provided on the cathode 4 side. An oxidant introduction hole for introducing an oxidant (in many cases, air) is provided above, while an oxidant discharge for discharging unreacted air and product (in many cases, water) is provided below. A hole is provided. In this case, forced intake and / or forced exhaust means may be provided (not shown). Moreover, you may provide the natural convection hole of air in the housing | casing 1a.

本発明の燃料電池を、直接エタノール型燃料電池として用いる場合、アノード3に供給される燃料は、市販のエタノールであってもよいが、トウモロコシ、サトウキビ等の植物の発酵で得られるバイオエタノールを使用することが好ましい。   When the fuel cell of the present invention is used as a direct ethanol fuel cell, the fuel supplied to the anode 3 may be commercially available ethanol, but bioethanol obtained by fermentation of plants such as corn and sugarcane is used. It is preferable to do.

図1に示す燃料電池は、単セルを表しているが、本発明においては、単セルをそのまま使用してもよいし、複数のセルを直列及び/又は並列接続して実装燃料電池とすることもできる。   The fuel cell shown in FIG. 1 represents a single cell, but in the present invention, a single cell may be used as it is, or a plurality of cells are connected in series and / or in parallel to form a mounted fuel cell. You can also.

図2に、本発明の燃料電池の第2の実施形態を示す。図2に示す燃料電池は、厚みの小さい偏平な直方体の形状をしている。燃料電池内には、これを上下に仕切る燃料供給路5が形成されている。また、この燃料電池は、例えば、円筒状の容器7から構成された燃料収納部を有する。容器7は、燃料電池に対して、着脱可能になっている。容器7は、その側面に小孔7aが形成されている。容器7内に収納された燃料は、小孔7aを通じて供給される。小孔7aは、容器7が筐体1へ装着される前は、所定の封止手段(図示せず)によって封止されており、容器7内に燃料を密封収容することが可能となっている。小孔7aは、容器7が燃料電池内に装着されたときに、小孔7aが燃料供給路5と連通する位置に形成されている。   FIG. 2 shows a second embodiment of the fuel cell of the present invention. The fuel cell shown in FIG. 2 has a flat rectangular parallelepiped shape with a small thickness. A fuel supply path 5 is formed in the fuel cell to partition it vertically. In addition, this fuel cell has a fuel storage portion constituted by, for example, a cylindrical container 7. The container 7 is detachable from the fuel cell. The container 7 has a small hole 7a formed on its side surface. The fuel stored in the container 7 is supplied through the small hole 7a. The small hole 7 a is sealed by a predetermined sealing means (not shown) before the container 7 is attached to the housing 1, and the fuel can be hermetically accommodated in the container 7. Yes. The small hole 7 a is formed at a position where the small hole 7 a communicates with the fuel supply path 5 when the container 7 is mounted in the fuel cell.

本実施形態の燃料電池は、燃料供給路5の上側に、4個のセルからなる第1のセル群が配置されている。一方、燃料供給路5の下側にも、4個のセルからなる第2のセル群が配置されている。各セルは、いずれもアノード3、カソード4及びこれらの間に介在配置された電解質膜2から構成されており、個々に独立している。各セル群におけるセルは、平面状に配置されていると共に、直列に結線されている。第1のセル群のセルと、第2のセル群のセルとは、それらのアノード3が燃料供給路5を挟んで相対向するように配置されている。これと共に第1のセル群のセルと、第2のセル群のセルとは、それらのカソード4が外方を向くように配置されている。セルをこのように配置することで、燃料電池の小型化が容易となり、小型電源、特に携帯機器の電源として適したものとなる。また、燃料を収納した容器7が着脱可能になっているので、燃料の補充が容易であり、これによっても本発明の燃料電池は携帯機器の電源として適したものとなる。   In the fuel cell according to the present embodiment, a first cell group including four cells is disposed on the upper side of the fuel supply path 5. On the other hand, a second cell group consisting of four cells is also arranged below the fuel supply path 5. Each cell is composed of an anode 3, a cathode 4, and an electrolyte membrane 2 interposed between them, and is independent of each other. The cells in each cell group are arranged in a plane and are connected in series. The cells of the first cell group and the cells of the second cell group are arranged so that their anodes 3 face each other across the fuel supply path 5. At the same time, the cells of the first cell group and the cells of the second cell group are arranged so that their cathodes 4 face outward. By arranging the cells in this way, the fuel cell can be easily downsized, and is suitable as a small power source, particularly as a power source for portable devices. Further, since the container 7 containing the fuel is detachable, the fuel can be easily replenished, and this also makes the fuel cell of the present invention suitable as a power source for portable equipment.

容器7内から燃料供給路5への燃料を供給する際には、アルコールを主成分とする液体燃料を用いることが好ましいが、燃料の円滑に供給するためには、燃料供給路5は、例えば、SiO、Al等を焼結することにより得られる多孔質体、高分子繊維、高分子多孔質膜等から構成されていることが好ましい。高分子繊維や高分子多孔質膜を用いる場合には、これらが燃料に触れても変形しない必要がある。 When supplying the fuel from the container 7 to the fuel supply path 5, it is preferable to use a liquid fuel mainly composed of alcohol. However, in order to supply the fuel smoothly, the fuel supply path 5 is, for example, , SiO 2 , Al 2 O 3, etc. are preferably composed of a porous body, a polymer fiber, a polymer porous film, and the like obtained by sintering. When polymer fibers or polymer porous membranes are used, they need not be deformed even if they come into contact with fuel.

図2において、横方向に隣接するセル間には、未反応燃料がカソード4に到達すること(一種のクロスオーバー)を抑制するために、燃料遮断機能を有する部材を配置することが望ましい(図示せず)。例えば、ポリエチレン及びポリプロピレンに代表される高分子材料や、ガラス及び酸化アルミを始めとする無機酸化物薄膜を、隣接するセル間に充填することにより、燃料のカソード4への到達を遮断することができる。   In FIG. 2, it is desirable to arrange a member having a fuel cutoff function between the cells adjacent in the lateral direction in order to suppress the unreacted fuel from reaching the cathode 4 (a kind of crossover) (FIG. 2). Not shown). For example, the fuel can be blocked from reaching the cathode 4 by filling between adjacent cells with a polymer material typified by polyethylene and polypropylene, or an inorganic oxide thin film such as glass and aluminum oxide. it can.

各セル群のセルにおけるカソード4は、外方を向いており、筐体1と対向している。カソード4と筐体1との間には、空間が設けられている。また、筐体1には、空間と外部とを連通させる通気孔(図示せず)が設けられている。したがって、カソード4と筐体1との間の空間には、自然対流によって空気が流通する。これによって、カソード4に酸素(酸化剤)が供給される。カソード4への空気の供給を制御したい場合には、筐体の所定部位にファン等の強制対流手段を付設してもよい。   The cathode 4 in each cell group cell faces outward and faces the housing 1. A space is provided between the cathode 4 and the housing 1. In addition, the housing 1 is provided with a vent hole (not shown) that allows communication between the space and the outside. Therefore, air circulates in the space between the cathode 4 and the housing 1 by natural convection. As a result, oxygen (oxidant) is supplied to the cathode 4. When it is desired to control the supply of air to the cathode 4, forced convection means such as a fan may be attached to a predetermined part of the housing.

図2の燃料電池で使用される各素材は、図1と同様のものを使用することができる。   Each material used in the fuel cell in FIG. 2 can be the same as in FIG.

なお、本発明の燃料電池は、前記実施形態に制限されない。例えば、図1及び図2に示す実施形態は、本発明を説明するための一例であり、各々のセルの配置、配列、結線等に関して、図示する以外の公知の方法を使用することは全く差し支えがない。   The fuel cell of the present invention is not limited to the above embodiment. For example, the embodiment shown in FIG. 1 and FIG. 2 is an example for explaining the present invention, and it is quite possible to use known methods other than those shown in the drawings for the arrangement, arrangement, connection, etc. of each cell. There is no.

図3に、本発明の燃料電池の第3の実施形態を示す。この燃料電池は、図1と同様のアノード3、カソード4及び電解質膜2で構成された膜電極接合体を、燃料供給部5と酸化剤供給部6を構成する多孔質膜で挟持することにより、セルが構成されている。このようなセルの上下を緻密なカーボン等からなるバイポーラプレート8及び9で挟持し、さらに、このような構成を積層(スタック)した構造を有する。図3の構成では、スタック構造のセル群を貫通した燃料供給孔が形成され、各セルにおいてアルコール燃料が燃料供給路5に供給される。一方、スタック構造のセル群を貫通した酸化剤供給孔が形成され、各セルにおいて酸化剤供給路6に酸化剤が供給される。供給された燃料及び酸化剤を、それぞれ燃料供給路5及び酸化剤供給路6に沿って一様に拡散させるため、バイポーラプレート8及び9のアノード3及びカソード4側には、溝が形成されている(図示せず)。このようなスタック型の燃料電池では、多数のセルを直列接続することができ、その結果、セルのスタック数に対応した所望の出力電圧を得ることができる。   FIG. 3 shows a third embodiment of the fuel cell of the present invention. In this fuel cell, a membrane electrode assembly composed of an anode 3, a cathode 4 and an electrolyte membrane 2 similar to FIG. 1 is sandwiched between porous membranes constituting a fuel supply unit 5 and an oxidant supply unit 6. The cell is configured. Such a cell has a structure in which the upper and lower sides of the cell are sandwiched between bipolar plates 8 and 9 made of dense carbon and the like, and such a structure is stacked. In the configuration of FIG. 3, fuel supply holes penetrating the stack-structured cells are formed, and alcohol fuel is supplied to the fuel supply path 5 in each cell. On the other hand, an oxidant supply hole penetrating the stack-structured cell group is formed, and the oxidant is supplied to the oxidant supply path 6 in each cell. In order to uniformly diffuse the supplied fuel and oxidant along the fuel supply path 5 and the oxidant supply path 6 respectively, grooves are formed on the anode 3 and cathode 4 sides of the bipolar plates 8 and 9. (Not shown). In such a stack type fuel cell, a large number of cells can be connected in series, and as a result, a desired output voltage corresponding to the number of stacks of cells can be obtained.

本発明の電子機器の実施形態を以下に説明する。本実施形態の電子機器は、本発明の燃料電池を有する。なお、本実施形態では、携帯可能なパーソナルコンピュータ等の情報処理装置について説明する。   Embodiments of the electronic apparatus of the present invention will be described below. The electronic device of this embodiment has the fuel cell of the present invention. In the present embodiment, an information processing apparatus such as a portable personal computer will be described.

図6は、パーソナルコンピュータへの電源部51の搭載イメージを示したものである。図7は、本実施形態の情報処理装置の構成を概略的に示すブロック図である。図8及び図9は、それぞれ電源部51の概要図及びブロック概要図である。   FIG. 6 shows an image of mounting the power supply unit 51 on a personal computer. FIG. 7 is a block diagram schematically showing the configuration of the information processing apparatus of the present embodiment. 8 and 9 are a schematic diagram and a block schematic diagram of the power supply unit 51, respectively.

図7に示すように、情報処理装置は、各種演算を行って各部を集中的に制御するCPU(Central Processing Unit)52、BIOS等を記憶しているROM(Read Only Memory)53及びCPU52の作業エリアとなるRAM(Random Access Memory)54がバス55により接続されて構成されている。バス55には、大容量記憶装置であるHDD(Hard Disk Drive)56、LCD(Liquid Crystal Display)等の表示装置57、キーボード、マウス等の入力装置58、CD、DVD等の記憶媒体59からデータを読み取る光ディスク装置等のデータ読取装置60及び電力を供給する電源部51等が各種のコントローラ(図示せず)等を介して接続されている。   As shown in FIG. 7, the information processing apparatus includes a CPU (Central Processing Unit) 52 that performs various operations and centrally controls each unit, a ROM (Read Only Memory) 53 that stores BIOS and the like, and operations of the CPU 52. A RAM (Random Access Memory) 54 serving as an area is connected by a bus 55. The bus 55 includes data from a storage device 59 such as a hard disk drive (HDD) 56, a display device 57 such as an LCD (Liquid Crystal Display), an input device 58 such as a keyboard and a mouse, and a CD and DVD. A data reading device 60 such as an optical disk device and a power supply unit 51 for supplying power are connected via various controllers (not shown).

記憶媒体59には、各種のプログラムが記憶されている。これらのプログラムは、データ読取装置60で読み取られ、HDD56にインストールされる。なお、記憶媒体59としては、CD、DVD等の光ディスク、光磁気ディスク、フレキシブルディスク等の各種方式のメディアを用いることができる。データ読取装置60も記憶媒体59の方式に応じて、光ディスク装置、光磁気ディスク装置、FDD等が用いられる。また、各種のプログラムは、記憶媒体59から読み取るのではなく、ネットワーク(図示せず)からダウンロードしてHDD56にインストールされるものであってもよい。   Various programs are stored in the storage medium 59. These programs are read by the data reading device 60 and installed in the HDD 56. As the storage medium 59, various types of media such as optical disks such as CD and DVD, magneto-optical disks, and flexible disks can be used. As the data reading device 60, an optical disk device, a magneto-optical disk device, an FDD, or the like is used according to the method of the storage medium 59. Various programs may be downloaded from a network (not shown) and installed in the HDD 56 instead of being read from the storage medium 59.

図9は、電源部51の構成を概略的に示すブロック図である。なお、矢印は、燃料等の流れを示す。   FIG. 9 is a block diagram schematically showing the configuration of the power supply unit 51. The arrow indicates the flow of fuel or the like.

図9に示すように、電源部51は、燃料電池61、液体燃料を収容する液体燃料カートリッジ71、液体燃料カートリッジ71に接続された混合器72、液体燃料カートリッジ71と混合器72との間に設けられたバルブ73、液体燃料を燃料電池61に供給するための液体燃料ポンプ74、液体燃料の濃度を検知する濃度センサー75、発電後の燃料を気体と液体とに分離する気液分離器76、温度センサー77と冷却素子78とを有する熱交換器79、空気を燃料電池61に供給するための空気ポンプ80、温度センサー81と冷却素子82とを有する水分凝縮器83、水分凝縮器83からの水分を収容する水タンク84、水タンク84と混合器72との間に設けられたバルブ85、これらの各部を制御するための制御回路86及び燃料電池61の正負極が接続されたDCDCコンバーター87等から構成されている。なお、液体燃料等が通過する各部は、チューブ等の流路により接続されている。   As shown in FIG. 9, the power supply unit 51 includes a fuel cell 61, a liquid fuel cartridge 71 containing liquid fuel, a mixer 72 connected to the liquid fuel cartridge 71, and between the liquid fuel cartridge 71 and the mixer 72. A provided valve 73, a liquid fuel pump 74 for supplying liquid fuel to the fuel cell 61, a concentration sensor 75 for detecting the concentration of the liquid fuel, and a gas-liquid separator 76 for separating the fuel after power generation into gas and liquid. A heat exchanger 79 having a temperature sensor 77 and a cooling element 78, an air pump 80 for supplying air to the fuel cell 61, a moisture condenser 83 having a temperature sensor 81 and a cooling element 82, and a moisture condenser 83. Water tank 84 for storing water, a valve 85 provided between the water tank 84 and the mixer 72, a control circuit 86 for controlling each of these parts, and fuel Positive and negative electrodes of the pond 61 is formed from the connected DCDC converter 87 and the like. In addition, each part through which liquid fuel etc. pass is connected by flow paths, such as a tube.

このような電源部51では、混合器72を通過した燃料は、液体燃料ポンプ74を経て、濃度センサー75に導かれる。濃度センサー75により検知された液体燃料の濃度が所定の濃度より低い場合には、制御回路86は、液体燃料カートリッジ71のバルブ73を開ける。液体燃料は、燃料電池61に導かれる。発電後の液体燃料は、気液分離器76により気体成分(炭酸ガス)と液体成分とに分けられ、液体成分は熱交換器79に導かれる。温度センサー77により検知された液体温度が所定の温度より低い場合には、制御回路86は、冷却素子78により液体を冷却せず、液体温度が所定の温度より高い場合には、制御回路86は、冷却素子78により液体を冷却する。熱交換器79を通過した液体燃料は、再び混合器72に戻される。このような流れが燃料ラインとして機能する。   In such a power supply unit 51, the fuel that has passed through the mixer 72 is guided to the concentration sensor 75 via the liquid fuel pump 74. When the concentration of the liquid fuel detected by the concentration sensor 75 is lower than a predetermined concentration, the control circuit 86 opens the valve 73 of the liquid fuel cartridge 71. The liquid fuel is guided to the fuel cell 61. The liquid fuel after power generation is divided into a gas component (carbon dioxide gas) and a liquid component by the gas-liquid separator 76, and the liquid component is guided to the heat exchanger 79. When the liquid temperature detected by the temperature sensor 77 is lower than the predetermined temperature, the control circuit 86 does not cool the liquid by the cooling element 78, and when the liquid temperature is higher than the predetermined temperature, the control circuit 86 The liquid is cooled by the cooling element 78. The liquid fuel that has passed through the heat exchanger 79 is returned to the mixer 72 again. Such a flow functions as a fuel line.

空気ポンプ80からの空気は、燃料電池61に導かれる。燃料電池61を通過した気液混合ガスは水分凝縮器83に導かれる。温度センサー81により検知されたガス温度が所定の温度より低い場合には、制御回路86は、冷却素子82により気液混合ガスを冷却せず、ガス温度が所定の温度より高い場合には、制御回路86は、冷却素子82により気液混合ガスを冷却する。なお、排ガスは、電源部51の外部に排出される。ここで、排ガスを排出するための排出口(図示せず)は、情報処理装置に対する電源部51の装着位置により異なるが、情報処理装置の外部に面した位置に設けることが好ましい。水分凝縮器83により凝縮された水分は、水タンク84を介して混合器72に戻される。このような流
れが酸化剤ライン(空気ライン)として機能する。
Air from the air pump 80 is guided to the fuel cell 61. The gas-liquid mixed gas that has passed through the fuel cell 61 is guided to the moisture condenser 83. When the gas temperature detected by the temperature sensor 81 is lower than the predetermined temperature, the control circuit 86 does not cool the gas-liquid mixed gas by the cooling element 82, and when the gas temperature is higher than the predetermined temperature, the control circuit 86 performs control. The circuit 86 cools the gas-liquid mixed gas by the cooling element 82. The exhaust gas is discharged outside the power supply unit 51. Here, an exhaust port (not shown) for exhausting the exhaust gas is preferably provided at a position facing the outside of the information processing apparatus, although it varies depending on the mounting position of the power supply unit 51 with respect to the information processing apparatus. The water condensed by the water condenser 83 is returned to the mixer 72 via the water tank 84. Such a flow functions as an oxidant line (air line).

このようにして、液体燃料及び空気が燃料電池61に供給されることで、燃料電池61は、発電し、所定の電力(起電力)をDCDCコンバーター87に付与する。なお、本実施形態においては、蓄電素子を用いていないが、これに限るものではなく、例えば、蓄電素子を電源部61の内部や外部等に設けて用いてもよい。   In this way, the liquid fuel and air are supplied to the fuel cell 61, so that the fuel cell 61 generates power and applies predetermined power (electromotive force) to the DCDC converter 87. In this embodiment, the power storage element is not used. However, the present invention is not limited to this. For example, the power storage element may be provided inside or outside the power supply unit 61.

〔実施例1〕
アノードの作製手順を以下に示す。
[Example 1]
The preparation procedure of the anode is shown below.

カーボンブラックのバルカンXC72R(キャボット社製)に、蒸留水、5重量%ナフィオン溶液(デュポン社製)を加えて、超音波分散、スターラーで攪拌することにより、ナフィオンカーボンインクを作製した。   Distilled water, 5 wt% Nafion solution (manufactured by DuPont) was added to Vulcan XC72R (manufactured by Cabot) of carbon black, and the mixture was stirred with an ultrasonic dispersion and a stirrer to prepare Nafion carbon ink.

白金ルテニウム担持カーボン(白金33重量%、ルテニウム22重量%)に、蒸留水及び5重量%ナフィオン溶液を加えて、超音波分散した後、スターラーで攪拌することにより、第一触媒インクを調製した。   Distilled water and a 5 wt% Nafion solution were added to platinum-ruthenium-supported carbon (33 wt% platinum, 22 wt% ruthenium), and after ultrasonic dispersion, the first catalyst ink was prepared by stirring with a stirrer.

白金スズ担持カーボン(白金33重量%、スズ7重量%)に、蒸留水及び5重量%ナフィオン溶液を加え、超音波分散した後、スターラーで攪拌することにより、第二触媒インクを作製した。   Distilled water and a 5 wt% Nafion solution were added to platinum tin-supported carbon (33 wt% platinum, 7 wt% tin), and after ultrasonic dispersion, the second catalyst ink was prepared by stirring with a stirrer.

撥水処理済みカーボンペーパ(東レ社製)上に、アプリケーターを用いてナフィオンカーボンインクを塗布することにより、導電性カーボン層を形成した。このとき、導電性カーボン層の乾燥塗布量は、0.5mg/cmであり、重量比は、カーボン58重量%、ナフィオン42重量%であった。次に、導電性カーボン層を形成したカーボンペーパ上に、第二触媒インクを、白金の乾燥塗布量が0.8mg/cmになるようにスプレー塗布することにより、第二の触媒層を形成した。さらに、第一触媒インクを、白金の乾燥塗布量が0.2mg/cmになるようにスプレー塗布することにより、第一の触媒層を形成した。これをアノード1とする。 A conductive carbon layer was formed by applying Nafion carbon ink on a water-repellent treated carbon paper (manufactured by Toray Industries, Inc.) using an applicator. At this time, the dry coating amount of the conductive carbon layer was 0.5 mg / cm 2 , and the weight ratio was 58% by weight of carbon and 42% by weight of Nafion. Next, the second catalyst layer is formed by spray-coating the second catalyst ink on the carbon paper on which the conductive carbon layer is formed so that the dry coating amount of platinum is 0.8 mg / cm 2. did. Furthermore, the first catalyst layer was formed by spray coating the first catalyst ink so that the dry coating amount of platinum was 0.2 mg / cm 2 . This is referred to as anode 1.

カソード電極の作製手順を以下に示す。   The procedure for producing the cathode electrode is shown below.

カーボンブラックに、エタノール、58〜62重量%テフロン(登録商標)エマルジョン(デュポン社製)を加えて、ホモジナイザーで混合することにより、テフロン(登録商標)カーボンインクを作製した。   Teflon (registered trademark) carbon ink was prepared by adding ethanol and 58-62 wt% Teflon (registered trademark) emulsion (manufactured by DuPont) to carbon black and mixing with a homogenizer.

白金担持カーボン(白金50重量%)に、蒸留水及び5重量%ナフィオン溶液を加えて、超音波分散した後、スターラーで攪拌することにより、触媒インクを作製した。   Distilled water and a 5 wt% Nafion solution were added to platinum-supported carbon (platinum 50 wt%), and after ultrasonic dispersion, the catalyst ink was prepared by stirring with a stirrer.

カーボンペーパ上に、アプリケーターを用いてテフロン(登録商標)カーボンインクを塗布し、電気炉を用いて360℃で15分間保持することにより、導電性カーボン層を形成した。次に、導電性カーボン層を形成したカーボンペーパ上に、触媒インクを、白金の乾燥塗布量が1.0mg/cmになるようにスプレー塗布することにより、触媒層を形成した。これをカソード1とする。 On the carbon paper, Teflon (registered trademark) carbon ink was applied using an applicator and held at 360 ° C. for 15 minutes using an electric furnace to form a conductive carbon layer. Next, the catalyst layer was formed by spray-coating the catalyst ink on the carbon paper on which the conductive carbon layer was formed so that the dry coating amount of platinum was 1.0 mg / cm 2 . This is referred to as a cathode 1.

電解質膜としては、膜厚が180μmのナフィオン(デュポン社製)を用いた。   As the electrolyte membrane, Nafion (manufactured by DuPont) having a thickness of 180 μm was used.

アノード1及びカソード1のそれぞれの触媒層側を電解質膜の両面に合わせて、圧力4.5MPa、温度140℃で15分間ホットプレスを行うことにより、膜電極接合体を作製した。このとき、アノード1の電解質膜に近い部分には第一の触媒層が、カーボンペーパに近い部分には第二の触媒層が存在する。
〔実施例2〕
実施例1のアノード作製手順と同様に、撥水処理済みカーボンペーパ上に、導電性カーボン層及び第二の触媒層を形成した。次に、スパッタリング時の圧力を5.0Paとし、白金ターゲットに200Wの高周波電力を印加し、ルテニウムターゲットに460Wの高周波電力を印加して12分間スパッタリングすることにより、第一の触媒層を形成した。このとき、第一の触媒層は、白金67重量%及びルテニウム33重量%からなり、白金の担持重量は、0.2mg/cmであった。さらに、ナフィオンの乾燥塗布量が1.0mg/cmになるように5重量%ナフィオン溶液をスプレー塗布した。これをアノード2とする。
A membrane electrode assembly was produced by performing hot pressing for 15 minutes at a pressure of 4.5 MPa and a temperature of 140 ° C. with the catalyst layer sides of the anode 1 and the cathode 1 being aligned with both surfaces of the electrolyte membrane. At this time, the first catalyst layer is present near the electrolyte membrane of the anode 1 and the second catalyst layer is present near the carbon paper.
[Example 2]
Similar to the anode preparation procedure of Example 1, a conductive carbon layer and a second catalyst layer were formed on water-repellent treated carbon paper. Next, the pressure during sputtering was 5.0 Pa, high frequency power of 200 W was applied to the platinum target, high frequency power of 460 W was applied to the ruthenium target, and sputtering was performed for 12 minutes, thereby forming the first catalyst layer. . At this time, the first catalyst layer was composed of 67% by weight of platinum and 33% by weight of ruthenium, and the supported weight of platinum was 0.2 mg / cm 2 . Further, a 5 wt% Nafion solution was spray applied so that the dry application amount of Nafion was 1.0 mg / cm 2 . This is referred to as anode 2.

アノード2を用いた以外は、実施例1と同様にして、膜電極接合体を作製した。   A membrane / electrode assembly was produced in the same manner as in Example 1 except that the anode 2 was used.

本発明の燃料電池の第1の実施形態を示す図である。It is a figure which shows 1st Embodiment of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の第2の実施形態を示す図である。It is a figure which shows 2nd Embodiment of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の第3の実施形態を示す図である。It is a figure which shows 3rd Embodiment of the fuel cell of this invention. アノード及び電解質膜の接合部分の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the junction part of an anode and an electrolyte membrane. アノード及び電解質膜の接合部分の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the junction part of an anode and an electrolyte membrane. 本発明の電子機器の実施形態を示す図である。It is a figure which shows embodiment of the electronic device of this invention. 本発明の電子機器の実施形態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows embodiment of the electronic device of this invention. 図6及び図7の電源部を示す図である。It is a figure which shows the power supply part of FIG.6 and FIG.7. 図6及び図7の電源部を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the power supply part of FIG.6 and FIG.7.

符号の説明Explanation of symbols

1、1a、1b 筐体
2 電解質膜
3 アノード
3a 拡散層
4 カソード
5 燃料供給路
6 酸化剤供給路
7 容器
7a 小孔
8、9 バイポーラプレート
10 カーボン担持体
11 第一の触媒
12 第二の触媒
51 電源部
52 CPU
53 ROM
54 RAM
55 バス
56 HDD
57 表示装置
58 入力装置
59 記録媒体
60 データ読取装置
61 燃料電池
71 液体燃料カートリッジ
72 混合器
73、85 バルブ
74 液体燃料ポンプ
75 濃度センサー
76 気液分離器
77、81 温度センサー
78、82 冷却素子
79 熱交換器
80 空気ポンプ
83 水分凝縮器
84 水タンク
86 制御回路
87 DCDCコンバーター
88 端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1a, 1b Case 2 Electrolyte membrane 3 Anode 3a Diffusion layer 4 Cathode 5 Fuel supply path 6 Oxidant supply path 7 Container 7a Small hole 8, 9 Bipolar plate 10 Carbon support body 11 First catalyst 12 Second catalyst 51 Power supply 52 CPU
53 ROM
54 RAM
55 bus 56 HDD
57 Display device 58 Input device 59 Recording medium 60 Data reader 61 Fuel cell 71 Liquid fuel cartridge 72 Mixer 73, 85 Valve 74 Liquid fuel pump 75 Concentration sensor 76 Gas-liquid separator 77, 81 Temperature sensor 78, 82 Cooling element 79 Heat exchanger 80 Air pump 83 Moisture condenser 84 Water tank 86 Control circuit 87 DCDC converter 88 Terminal

Claims (14)

電解質膜がアノード及びカソードに狭持されている膜電極接合体において、
該アノードは、作用の異なる2種以上の触媒が積層されている触媒層を有することを特徴とする膜電極接合体。
In a membrane electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode,
The anode has a catalyst layer in which two or more kinds of catalysts having different functions are laminated.
前記2種以上の触媒は、炭素数が2以上のアルコールの炭素−炭素結合の解離を伴わない酸化反応に活性な第一の触媒及び該酸化反応の生成物の炭素−炭素結合の解離反応に活性な第二の触媒を含有し、
前記第一の触媒を含有する層を前記触媒層の前記電解質膜との界面に有し、
前記第二の触媒を含有する層を前記触媒層の表面に有することを特徴とする請求項1に記載の膜電極接合体。
The two or more types of catalysts are used for a first catalyst active in an oxidation reaction not involving dissociation of a carbon-carbon bond of an alcohol having 2 or more carbon atoms, and in a dissociation reaction of a carbon-carbon bond of a product of the oxidation reaction. Contains an active second catalyst,
Having a layer containing the first catalyst at the interface of the catalyst layer with the electrolyte membrane;
The membrane electrode assembly according to claim 1, further comprising a layer containing the second catalyst on a surface of the catalyst layer.
電解質膜がアノード及びカソードに狭持されている膜電極接合体において、
該アノードは、作用の異なる2種以上の触媒が混合されている触媒層を有することを特徴とする膜電極接合体。
In a membrane electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode,
The anode has a catalyst layer in which two or more kinds of catalysts having different functions are mixed.
前記2種以上の触媒の構成比は、前記触媒層の厚さ方向に対して連続的に変化することを特徴とする請求項3に記載の膜電極接合体。   4. The membrane electrode assembly according to claim 3, wherein the composition ratio of the two or more types of catalysts continuously changes in the thickness direction of the catalyst layer. 5. 前記2種以上の触媒の構成比は、前記触媒層の厚さ方向に対して段階的に変化することを特徴とする請求項3に記載の膜電極接合体。   4. The membrane electrode assembly according to claim 3, wherein the composition ratio of the two or more types of catalysts changes stepwise in the thickness direction of the catalyst layer. 5. 前記2種以上の触媒は、炭素数が2以上のアルコールの炭素−炭素結合の解離を伴わない酸化反応に活性な第一の触媒及び該酸化反応の生成物の炭素−炭素結合の解離反応に活性な第二の触媒を含有し、
該2種以上の触媒に対する該第一の触媒の比は、前記触媒層の表面の側よりも前記触媒層の前記電解質膜の側で高く、
該2種以上の触媒に対する該第二の触媒の比は、前記触媒層の前記電解質膜の側よりも前記触媒層の表面の側で高いことを特徴とする請求項4又は5に記載の膜電極接合体。
The two or more types of catalysts are used for a first catalyst active in an oxidation reaction not involving dissociation of a carbon-carbon bond of an alcohol having 2 or more carbon atoms, and in a dissociation reaction of a carbon-carbon bond of a product of the oxidation reaction. Contains an active second catalyst,
The ratio of the first catalyst to the two or more catalysts is higher on the electrolyte membrane side of the catalyst layer than on the surface side of the catalyst layer;
6. The membrane according to claim 4 or 5, wherein the ratio of the second catalyst to the two or more types of catalysts is higher on the surface side of the catalyst layer than on the electrolyte membrane side of the catalyst layer. Electrode assembly.
前記2種以上の触媒の構成比は、前記触媒層の面方向に対して連続的に変化することを特徴とする請求項3に記載の膜電極接合体。   4. The membrane electrode assembly according to claim 3, wherein a composition ratio of the two or more kinds of catalysts continuously changes with respect to a surface direction of the catalyst layer. 5. 前記2種以上の触媒の構成比は、前記触媒層の面方向に対して段階的に変化することを特徴とする請求項3に記載の膜電極接合体。   4. The membrane electrode assembly according to claim 3, wherein the composition ratio of the two or more types of catalysts changes stepwise with respect to the surface direction of the catalyst layer. 5. 前記2種以上の触媒は、炭素数が2以上のアルコールの炭素−炭素結合の解離を伴わない酸化反応に活性な第一の触媒及び該酸化反応の生成物の炭素−炭素結合の解離反応に活性な第二の触媒を含有し、
該2種以上の触媒に対する該第一の触媒の比は、前記触媒層の該アルコールが排出される側よりも前記触媒層の該アルコールが供給される側で高く、
該2種以上の触媒に対する該第二の触媒の比は、前記触媒層の該アルコールが供給される側よりも前記触媒層の該アルコールが排出される側で高いことを特徴とする請求項7又は8に記載の膜電極接合体。
The two or more types of catalysts are used for a first catalyst active in an oxidation reaction not involving dissociation of a carbon-carbon bond of an alcohol having 2 or more carbon atoms, and in a dissociation reaction of a carbon-carbon bond of a product of the oxidation reaction. Contains an active second catalyst,
The ratio of the first catalyst to the two or more catalysts is higher on the side of the catalyst layer to which the alcohol is supplied than on the side of the catalyst layer to which the alcohol is discharged,
8. The ratio of the second catalyst to the two or more catalysts is higher on the side of the catalyst layer where the alcohol is discharged than on the side of the catalyst layer where the alcohol is supplied. Or the membrane electrode assembly of 8.
前記第一の触媒は、周期律表のIb、IVb、Vb、VIb、VIIb及びVIIIb族の第4、第5及び第6周期に属する元素の単体及び化合物からなる群より選択される一種以上からなり、
前記第二の触媒は、周期律表のIIIa、IVa、IVb、Vb、VIb及びVIIIb族の第3、第4、第5及び第6周期に属する元素の単体及び化合物からなる群より選択される一種以上からなることを特徴とする請求項2、6及び9のいずれか一項に記載の膜電極接合体。
The first catalyst may be one or more selected from the group consisting of simple substances and compounds belonging to the fourth, fifth and sixth periods of groups Ib, IVb, Vb, VIb, VIIb and VIIIb of the periodic table. Become
The second catalyst is selected from the group consisting of simple elements and compounds belonging to the third, fourth, fifth and sixth periods of groups IIIa, IVa, IVb, Vb, VIb and VIIIb of the periodic table. It consists of 1 or more types, The membrane electrode assembly as described in any one of Claim 2, 6, and 9 characterized by the above-mentioned.
請求項1乃至10のいずれか一項に記載の膜電極接合体を有することを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 10. 前記膜電極接合体を複数有し、
該複数の膜電極接合体は、少なくとも一つの平面上に配列されていると共に、電気的に直列に接続されていることを特徴とする請求項11に記載の燃料電池。
A plurality of the membrane electrode assemblies,
12. The fuel cell according to claim 11, wherein the plurality of membrane electrode assemblies are arranged on at least one plane and are electrically connected in series.
前記膜電極接合体を複数有し、
該複数の膜電極接合体は、バイポーラプレートを介して順次積層されていることを特徴とする請求項11に記載の燃料電池。
A plurality of the membrane electrode assemblies,
The fuel cell according to claim 11, wherein the plurality of membrane electrode assemblies are sequentially stacked via a bipolar plate.
請求項11乃至13のいずれか一項に記載の燃料電池を有することを特徴とする電子機器。   An electronic apparatus comprising the fuel cell according to any one of claims 11 to 13.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010532543A (en) * 2007-07-06 2010-10-07 フラウンホーファー − ゲゼルシャフト ツル フェーデルング デル アンゲヴァントテン フォルシュング エー.ファォ. Membrane electrode assembly
JP2014013742A (en) * 2012-07-03 2014-01-23 Hyundai Motor Company Co Ltd Method of manufacturing anode for fuel cell

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