JP2007284705A - Electrolytic hydrogen-generating device, method for generating hydrogen gas, and fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device for efficiently and inexpensively generating hydrogen with an electrolytic method, and to provide a fuel cell which introduces generated hydrogen into a fuel electrode. <P>SOLUTION: The electrolytic hydrogen-generating device comprises: an anion-exchange membrane; an anode and a cathode arranged on both sides of the exchange membrane so as to face each other; and a supply means for supplying an electric current between the electrodes. A material containing water is supplied to a cathode side, and a material containing an alcoholic compound is supplied to an anode side. A film formed of a strongly basic anion exchange resin can be used for the anion-exchange membrane. Because of using the anion-exchange membrane, the electrolytic hydrogen-generating device does not need to use a precious metal such as platinum for an electrode catalyst, but can use preferably any of Fe, Ni, Co and Ag, or an alloy thereof for a catalyst of the cathode, and preferably any of Co, Ag and Ni, or an alloy thereof for a catalyst of the anode. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解法により効率よく水素を発生させる装置及び方法、並びに発生した水素を燃料極に導入する燃料電池に関する。さらに詳しくは、電解触媒として高価な白金などの貴金属を使用しなくても効率よく水素を発生させる装置及び方法に関する。   The present invention relates to an apparatus and method for efficiently generating hydrogen by an electrolysis method, and a fuel cell in which the generated hydrogen is introduced into a fuel electrode. More specifically, the present invention relates to an apparatus and method for efficiently generating hydrogen without using an expensive noble metal such as platinum as an electrocatalyst.

高分子固体電解質型燃料電池は、その開発が進み、一部では実用化されているがまだ商用化レベルには達していない。それは製造コストの問題、耐久性の問題、燃料貯蔵の問題等解決すべき課題が多々あるからである。特に燃料の水素は取り扱いが難しく、その供給手段に問題が多い。例えば水素ガスとしては高圧容器での貯蔵が提案されているが、危険性と漏洩の問題が残っており、水素貯蔵合金やカーボンナノチューブなどでの保存では実用上の吸蔵能力が不足している。このため、燃料電池に隣接して熱分解法の改質装置をつけて改質を行うことも提案されており、例えばメタンやメタノールなどの燃料を触媒下で数百度の温度で水蒸気と反応させて水素を得る方法である。これには高温が必要とするばかりでなく、COも発生水素中に混入して燃料電池の触媒金属が被毒され性能劣化につながる。一方、理論分解電圧の低いメタノールを電解法で分解して水素を発生させる方法も多数提案されている(例えば特許文献1〜2)。しかし、提案されている技術はいずれも陽イオン交換膜が使用され、電解液は酸性になり、その電解槽で用いられる電極は白金などの貴金属主体の成分に限定されている。そのため低コスト化が困難である。   The development of solid polymer electrolyte fuel cells has progressed and some have been put into practical use, but have not yet reached commercialization. This is because there are many problems to be solved, such as manufacturing cost problems, durability problems, and fuel storage problems. In particular, hydrogen as a fuel is difficult to handle, and there are many problems with its supply means. For example, hydrogen gas has been proposed to be stored in a high-pressure vessel, but there are still problems of danger and leakage, and storage in hydrogen storage alloys, carbon nanotubes, etc. lacks practical storage capacity. For this reason, it has also been proposed to perform reforming by attaching a thermal cracking reformer adjacent to the fuel cell. For example, a fuel such as methane or methanol is reacted with water vapor at a temperature of several hundred degrees under a catalyst. This is a method for obtaining hydrogen. Not only does this require high temperatures, but CO is also mixed into the generated hydrogen and poisons the catalyst metal of the fuel cell, leading to performance degradation. On the other hand, many methods for generating hydrogen by decomposing methanol with a low theoretical decomposition voltage by an electrolytic method have been proposed (for example, Patent Documents 1 and 2). However, all of the proposed techniques use a cation exchange membrane, the electrolytic solution becomes acidic, and the electrodes used in the electrolytic cell are limited to components mainly composed of noble metals such as platinum. Therefore, cost reduction is difficult.

燃料として水素を導入するのではなく直接メタノールを導入するタイプの燃料電池であるダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)も活発に研究されている(米国特許第4390603号明細書、米国特許第5599638号明細書等)。しかし、DMFCではメタノールが電解質膜を通過して空気極側で反応するクロスオーバーの問題があり、またDMFCの起電力自体が水素を用いる電池に比べて相当低くなる欠点がある。   A direct methanol fuel cell (DMFC), which is a type of fuel cell that directly introduces methanol instead of hydrogen as a fuel, is also being actively studied (US Pat. No. 4,390,603, US Pat. No. 5,599,638). Calligraphy). However, DMFC has a problem of crossover in which methanol passes through the electrolyte membrane and reacts on the air electrode side, and there is a drawback that the electromotive force of DMFC itself is considerably lower than that of a battery using hydrogen.

特開平11−229167号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-229167 特開2004−137592号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-137582

本発明の課題は、アルコール化合物を用いた電解型の水素発生を効率よくかつ低コストで行うための装置及び方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an apparatus and a method for efficiently and inexpensively generating electrolytic hydrogen using an alcohol compound.

本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、アノード電極及びカソード電極との分離膜として陰イオン交換膜を使用し、カソード電極側には水を供給し、アノード電極側にはアルコール化合物を供給することにより、電極触媒として白金等の貴金属を使用しなくても電解が可能であり、水素を効率よく製造できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は以下の電解型水素発生装置、水素ガスの発生方法及び燃料電池に関する。
As a result of intensive studies, the present inventors have used an anion exchange membrane as a separation membrane between the anode electrode and the cathode electrode, supplying water to the cathode electrode side and supplying an alcohol compound to the anode electrode side. Thus, it has been found that electrolysis is possible without using noble metals such as platinum as an electrode catalyst, and hydrogen can be produced efficiently, and the present invention has been completed.
That is, the present invention relates to the following electrolytic hydrogen generator, hydrogen gas generation method, and fuel cell.

1.陰イオン交換膜と、該交換膜の両面に対向して配置されるアノード電極及びカソード電極と、該電極間に電流を供給する手段とを備え、カソード電極側には水を含む材料が供給され、アノード電極側にはアルコール化合物を含む材料が供給されることを特徴とする電解型水素発生装置。
2.陰イオン交換膜が強塩基性陰イオン交換樹脂からなる前記1に記載の電解型水素発生装置。
3.カソード電極がFe、Ni、Co、Agのいずれかまたはそれらの合金を主体に構成された触媒を含む電極である前記1または2に記載の電解型水素発生装置。
4.カソード電極がFe表面をNi分散メッキして活性化した触媒を含む電極である前記1〜3のいずれかに記載の電解型水素発生装置。
5.アノード電極がCo、Ag、Niのいずれかまたはそれらの合金を主体に構成された触媒を含む電極である前記1〜4のいずれかに記載の電解型水素発生装置。
6.カソード電極、アノード電極、陰イオン交換膜が一つの積層体からなる前記1〜5のいずれかに記載の電解型水素発生装置。
7.アルコール化合物を含む材料が、メタノールまたはその水溶液である前記1〜6のいずれかに記載の電解型水素発生装置。
8.陰イオン交換膜と、該交換膜の両面に対向して配置されるアノード電極及びカソード電極と、該電極間に電流を供給する手段とを備えた電解型水素発生装置において、カソード側で水を電気分解して水素ガスと水酸化物イオン(OH-)を発生させ、アノード側で陰イオン交換膜を透過した水酸化物イオン(OH-)とアルコール化合物とを反応させることを特徴とする水素ガスの発生方法。
9.陰イオン交換膜が強塩基性陰イオン交換樹脂からなる前記8に記載の水素ガスの発生方法。
10.カソード電極がFe、Ni、Co、Agのいずれかまたはそれらの合金を主体に構成された触媒を含む電極である前記8または9に記載の水素ガスの発生方法。
11.カソード電極がFe表面をNi分散メッキして活性化した触媒を含む電極である前記8〜10のいずれかに記載の水素ガスの発生方法。
12.アノード電極がCo、Ag、Niのいずれかまたはそれらの合金を主体に構成された触媒を含む電極である前記8〜11のいずれかに記載の水素ガスの発生方法。
13.カソード電極、アノード電極、陰イオン交換膜が一つの積層体からなる前記8〜12のいずれかに記載の水素ガスの発生方法。
14.アルコール化合物がメタノールである前記8〜13のいずれかに記載の水素ガスの発生方法。
15.原料となる水素の供給装置として前記1〜7のいずれかに記載の電解型水素発生装置を備えた燃料電池。
1. An anion exchange membrane, an anode electrode and a cathode electrode arranged opposite to both surfaces of the exchange membrane, and means for supplying current between the electrodes, and a material containing water is supplied to the cathode electrode side The electrolytic hydrogen generator is characterized in that a material containing an alcohol compound is supplied to the anode electrode side.
2. 2. The electrolytic hydrogen generator according to 1 above, wherein the anion exchange membrane is made of a strongly basic anion exchange resin.
3. 3. The electrolytic hydrogen generator according to 1 or 2, wherein the cathode electrode is an electrode including a catalyst mainly composed of any one of Fe, Ni, Co, Ag, or an alloy thereof.
4). 4. The electrolytic hydrogen generator according to any one of 1 to 3, wherein the cathode electrode is an electrode containing a catalyst activated by Ni dispersion plating on the Fe surface.
5). 5. The electrolytic hydrogen generator according to any one of 1 to 4, wherein the anode electrode is an electrode including a catalyst mainly composed of any one of Co, Ag, Ni, or an alloy thereof.
6). 6. The electrolytic hydrogen generator according to any one of 1 to 5, wherein the cathode electrode, the anode electrode, and the anion exchange membrane comprise a single laminate.
7). 7. The electrolytic hydrogen generator according to any one of 1 to 6, wherein the material containing the alcohol compound is methanol or an aqueous solution thereof.
8). In an electrolytic hydrogen generator comprising an anion exchange membrane, an anode electrode and a cathode electrode arranged opposite to both surfaces of the exchange membrane, and means for supplying a current between the electrodes, water is supplied to the cathode side. electrolysis to hydrogen gas and hydroxide ions (OH -) is generated, the anode in a hydroxide was passed through the anion exchange membrane ion (OH -) and hydrogen comprises reacting an alcohol compound Gas generation method.
9. 9. The method for generating hydrogen gas as described in 8 above, wherein the anion exchange membrane comprises a strongly basic anion exchange resin.
10. 10. The method for generating hydrogen gas as described in 8 or 9 above, wherein the cathode electrode is an electrode containing a catalyst mainly composed of any one of Fe, Ni, Co, Ag, or an alloy thereof.
11. 11. The method for generating hydrogen gas as described in any one of 8 to 10 above, wherein the cathode electrode is an electrode containing a catalyst activated by Ni-dispersing plating on the Fe surface.
12 12. The method for generating hydrogen gas as described in any one of 8 to 11 above, wherein the anode electrode is an electrode containing a catalyst mainly composed of any one of Co, Ag, Ni, or an alloy thereof.
13. 13. The method for generating hydrogen gas according to any one of 8 to 12, wherein the cathode electrode, the anode electrode, and the anion exchange membrane comprise a single laminate.
14 14. The method for generating hydrogen gas according to any one of 8 to 13, wherein the alcohol compound is methanol.
15. A fuel cell comprising the electrolytic hydrogen generator according to any one of 1 to 7 as a supply device for hydrogen as a raw material.

本発明の電解型水素発生装置によれば、アノードとカソードの分離膜として陰イオン交換膜を用いることにより、電極触媒として高価な白金等の貴金属類を用いる必要がなく、より安価な金属を用いることができるので低コスト化に大きく寄与する。また、カソード電極、アノード電極、陰イオン交換膜を積層して膜−電極集合体(MEA)とすることで構造をよりコンパクトにすることができる。
本発明の水素発生装置は、高分子固体電解質型燃料電池の水素供給装置として用いることにより携帯用や据え置き用燃料電池として機能させることができる。
According to the electrolytic hydrogen generator of the present invention, an anion exchange membrane is used as a separation membrane between an anode and a cathode, so that it is not necessary to use expensive noble metals such as platinum as an electrode catalyst, and a cheaper metal is used. Can greatly contribute to cost reduction. Further, the structure can be made more compact by laminating a cathode electrode, an anode electrode, and an anion exchange membrane to form a membrane-electrode assembly (MEA).
The hydrogen generator of the present invention can function as a portable or stationary fuel cell when used as a hydrogen supply device of a polymer solid oxide fuel cell.

本発明の電解型水素発生装置は、陰イオン交換膜と、該交換膜の両面に対向して配置されるアノード電極及びカソード電極と、該電極間に電流を供給する手段とを備え、陰イオン交換膜と各電極は、通常電解槽中に設置される。具体的には、電解槽は、陰イオン交換膜によってアノード室とカソード室とに区分けされ、交換膜に対向してアノード室側にはアノード電極、カソード室側にはカソード電極が配置される。   An electrolytic hydrogen generator according to the present invention includes an anion exchange membrane, an anode electrode and a cathode electrode arranged to face both surfaces of the exchange membrane, and means for supplying a current between the electrodes. The exchange membrane and each electrode are usually installed in an electrolytic cell. Specifically, the electrolytic cell is divided into an anode chamber and a cathode chamber by an anion exchange membrane, and an anode electrode is arranged on the anode chamber side and a cathode electrode is arranged on the cathode chamber side facing the exchange membrane.

本発明で使用できる陰イオン交換膜としては、水酸化物イオン(OH-)を透過させるものであれば特に制限はないが、透過性に優れ、導電性に優れ、耐アルカリ性を有する強塩基性低抵抗型の陰イオン交換材料からなる交換膜が好ましい。また、この交換膜は各電極で発生するガスが互いに透過しないようガスセパレータの作用を有することが好ましい。膜厚としては、交換膜の材質によるので一概に言えないが、導電性、膜強度等を考慮して決定する。通常は20〜200μmである。 The anion exchange membrane that can be used in the present invention is not particularly limited as long as it allows hydroxide ions (OH ) to pass therethrough, but has excellent permeability, excellent conductivity, and strong basicity having alkali resistance. An exchange membrane made of a low resistance type anion exchange material is preferred. The exchange membrane preferably has a gas separator function so that gases generated at the respective electrodes do not permeate each other. The film thickness depends on the material of the exchange membrane and cannot be generally specified, but is determined in consideration of conductivity, membrane strength, and the like. Usually, it is 20-200 micrometers.

陰イオン交換膜材料としては、例えば、基材としてのスチレン/ジビニルベンゼン共重合体に、陰イオン交換基が導入されてなる陰イオン交換体が挙げられる。陰イオン交換基としては、強塩基性であるものが好ましく、具体的には、4級アンモニウム基またはピリジニウム基が好ましく用いられる。4級アンモニウム基としては、例えば−CH2−N(CH33OH基などが挙げられる。
また、基材としてのポリビニルアルコールにポリアリルアミンなどの非イオン性親水性高分子を導入したものも使用できる。その製造は、例えばポリビニルアルコール90質量部、ポリアリルアミン10質量部の割合で水溶液を調製し、それをプレート上に流し込んで60℃程度で乾燥することにより膜状に成形することにより行なうことができる。
Examples of the anion exchange membrane material include an anion exchanger in which an anion exchange group is introduced into a styrene / divinylbenzene copolymer as a base material. As the anion exchange group, those having strong basicity are preferable, and specifically, a quaternary ammonium group or a pyridinium group is preferably used. Examples of the quaternary ammonium group include a —CH 2 —N (CH 3 ) 3 OH group.
Moreover, what introduce | transduced nonionic hydrophilic polymers, such as polyallylamine, to the polyvinyl alcohol as a base material can be used. The production can be performed, for example, by preparing an aqueous solution at a ratio of 90 parts by mass of polyvinyl alcohol and 10 parts by mass of polyallylamine, pouring the solution on a plate and drying at about 60 ° C. to form a film. .

本発明においては、カソード電極側には水を含む材料が供給され、アノード電極側にはアルコール化合物を含む材料が供給される。カソード側では水が電気分解され水素ガスと水酸化物イオン(OH-)が発生し、アノード側で陰イオン交換膜を透過した水酸化物イオン(OH-)とアルコール化合物とが反応して水と二酸化炭素が発生する。 In the present invention, a material containing water is supplied to the cathode electrode side, and a material containing an alcohol compound is supplied to the anode electrode side. On the cathode side, water is electrolyzed to generate hydrogen gas and hydroxide ions (OH ). On the anode side, hydroxide ions (OH ) that have passed through the anion exchange membrane react with alcohol compounds to form water. And carbon dioxide is generated.

カソード側に供給される水を含む材料としては、水単独あるいは水にアルカリ水酸化物などの電解質を加えたものが使用できる。アルカリ水酸化物を用いることで電気伝導度を向上できる。アルカリ水酸化物としては水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられ、濃度は1.0モル/リットル以下とすることが好ましい。   As the material containing water supplied to the cathode side, water alone or a material obtained by adding an electrolyte such as an alkali hydroxide to water can be used. Electrical conductivity can be improved by using an alkali hydroxide. Examples of the alkali hydroxide include sodium hydroxide and potassium hydroxide, and the concentration is preferably 1.0 mol / liter or less.

アノード側に供給されるアルコール化合物を含む材料のアルコール化合物としては特に制限されないが、例えば比較的毒性も低く分解電圧も低い炭素数1〜4のアルキルアルコールが好ましく使用できる。具体的には、メタノール、エタノール、プロパノール等が挙げられ、これらは2種以上を混合して用いることもできる。また、これらアルコール化合物に水を添加し、水溶液としてアノードに供給することもできる。   Although it does not restrict | limit especially as an alcohol compound of the material containing the alcohol compound supplied to an anode side, For example, a C1-C4 alkyl alcohol with comparatively low toxicity and low decomposition voltage can be used preferably. Specifically, methanol, ethanol, propanol, etc. are mentioned, These can also be used in mixture of 2 or more types. Moreover, water can be added to these alcohol compounds and supplied to the anode as an aqueous solution.

アノード側にメタノールを供給して電解する場合の反応式は次の通りである。
カソード:6H2O+6e-→3H2+6OH-
アノード:CH3OH+6OH-→CO2+5H2O+6e-
カソード極で発生した水素は外部に取り出され燃料電池の燃料にまたは貯蔵用に供給される。発生した水酸化物イオン(OH-)は陰イオン交換膜を通過してアノード側に運ばれそこでメタノールを酸化する。この反応式に示した通り、総合的な反応はメタノールと水が1分子反応して水素が3分子と二酸化炭素が1分子発生する反応であるので、カソード極側には水の供給が必要で、アノード極にはアルコール(この例ではメタノール)の供給が必要となる。
The reaction formula when electrolysis is performed by supplying methanol to the anode side is as follows.
Cathode: 6H 2 O + 6e → 3H 2 + 6OH
Anode: CH 3 OH + 6OH → CO 2 + 5H 2 O + 6e
Hydrogen generated at the cathode electrode is taken outside and supplied to the fuel of the fuel cell or for storage. The generated hydroxide ions (OH ) pass through the anion exchange membrane and are transported to the anode side where they oxidize methanol. As shown in this reaction formula, the overall reaction is a reaction in which one molecule of methanol and water reacts, and three molecules of hydrogen and one molecule of carbon dioxide are generated, so water must be supplied to the cathode side. The anode electrode must be supplied with alcohol (in this example, methanol).

これらの液体原料をアノード側及びカソード側に供給するためには、アノード室及びカソード室にそれぞれ液体原料の供給口及び排出口を設ける。好ましくは循環型とし、排出口から流出する液体原料を原料濃度の調整をした後に供給口に循環させる。その循環路中に気液分離装置を設けて、カソード側から水素を分離取得する。アノード側から発生する二酸化炭素については、ほぼ純粋な二酸化炭素ガスはその気泡が大きいことから、気液分離装置を設けなくても良好に気液分離することができるが、もちろん気液分離装置を設けても良い。   In order to supply these liquid materials to the anode side and the cathode side, a liquid material supply port and a discharge port are provided in the anode chamber and the cathode chamber, respectively. It is preferably a circulation type, and the liquid raw material flowing out from the discharge port is circulated to the supply port after adjusting the raw material concentration. A gas-liquid separator is provided in the circulation path to separate and acquire hydrogen from the cathode side. As for carbon dioxide generated from the anode side, almost pure carbon dioxide gas has large bubbles, so that gas-liquid separation can be satisfactorily performed without providing a gas-liquid separation device. It may be provided.

本発明では陰イオン交換膜を用いることにより、陽イオン交換膜を用いた電解型水素発生装置のように液が強酸性にならないので、電極触媒金属に白金等の貴金属を用いる必要がなく、低コスト化を図ることができる。   In the present invention, by using an anion exchange membrane, the liquid does not become strongly acidic like an electrolytic hydrogen generator using a cation exchange membrane, so there is no need to use a noble metal such as platinum as an electrode catalyst metal. Cost can be reduced.

本発明で使用できるカソード電極の電極触媒としては、Fe、Ni、Co、Ag、Znやそれらの合金などが挙げられ、アノード電極の電極触媒としては、Co、Ag、Ni、Mo、Fe、Cr、Mnやそれらの合金または酸化物などが挙げられる。さらにそれぞれの金属に同種金属または他種金属をメッキして活性度を上げて用いることも好ましい。   Examples of the electrode catalyst for the cathode electrode that can be used in the present invention include Fe, Ni, Co, Ag, Zn, and alloys thereof. Examples of the electrode catalyst for the anode electrode include Co, Ag, Ni, Mo, Fe, and Cr. , Mn, alloys thereof or oxides thereof. Furthermore, it is also preferable to use the same kind of metal or another kind of metal on each metal to increase the activity.

これらの電極に用いる金属を選定する重要な要素は、反応に対して安定であり劣化しにくいと同時に分解電圧、特に活性化過電圧が低いものでさらに安価なことである。この観点から、カソード極としてはFe、Ni、Co、Agのいずれかまたはそれらの合金が好ましく、アノード極にはCo、Ag、Niのいずれかまたはそれらの合金が好ましい。さらにカソード極を活性化させるためにFeの表面をNiとSを分散メッキしたものも好適である。   The important factors for selecting the metal used for these electrodes are that they are stable against reaction and hardly deteriorate, and at the same time, the decomposition voltage, particularly the activation overvoltage is low, and the cost is further low. In this respect, the cathode electrode is preferably any one of Fe, Ni, Co, and Ag, or an alloy thereof, and the anode electrode is preferably any one of Co, Ag, Ni, or an alloy thereof. Further, it is also preferable to disperse Ni and S on the surface of Fe in order to activate the cathode electrode.

これらの電極触媒は、基材上に分散担持させて電極とすることができる。基材としては、例えばガス拡散電極等に使用される炭素繊維織物に炭素粉末を分散させた三次元的な広がりを持つ材料、炭素粉末をフッ素樹脂をバインダーとして混練しホットプレスによりシート状にしたものが使用できる。炭素繊維として好ましくは、導電性に優れた気相法炭素繊維が挙げられる。炭素粉末としてはケッチェンブラック等のカーボンブラックが挙げられる。バインダーとして用いるフッ素樹脂としては、ポリ(テトラフルオロエチレン)樹脂(PTFE樹脂)等が挙げられる。また、炭素以外の基材としては、例えばチタンスポンジを固めて板状にしたものや、フォーム状のもの、チタン繊維を焼結したような三次元的な広がりを持つ材料、またはエクスパンドメッシュなどが使用できる。この基材の上に電極物質を形成して電極とする。これらの電極物質の生成法に関しては特に指定されないが、例えばコバルトの場合は、所定の割合に混合した塩化コバルト酸をブチルアルコールなどに溶解した塗布液を電極基材の電極面に塗布し、水素気流中で200℃から600℃で熱分解することによってコバルトを基材表面に形成することが出来る。電極物質の担持量は、塗布/熱分解の回数を調節することにより調節できる。   These electrode catalysts can be dispersed and supported on a substrate to form an electrode. As a base material, for example, a carbon fiber fabric used for gas diffusion electrodes or the like is a material having a three-dimensional spread in which carbon powder is dispersed, and carbon powder is kneaded using a fluororesin as a binder and formed into a sheet by hot pressing Things can be used. The carbon fiber is preferably a vapor grown carbon fiber excellent in conductivity. Examples of the carbon powder include carbon black such as ketjen black. Examples of the fluororesin used as the binder include poly (tetrafluoroethylene) resin (PTFE resin). In addition, as a base material other than carbon, for example, a titanium sponge is formed into a plate shape, a foam shape, a material having a three-dimensional spread such as sintered titanium fiber, or an expanded mesh is used. Can be used. An electrode material is formed on this substrate to form an electrode. Although there is no particular designation regarding the method for producing these electrode materials, for example, in the case of cobalt, a coating solution in which cobalt chloride acid mixed in a predetermined ratio is dissolved in butyl alcohol is applied to the electrode surface of the electrode substrate, and hydrogen is added. Cobalt can be formed on the substrate surface by pyrolysis at 200 ° C. to 600 ° C. in an air stream. The amount of the electrode material supported can be adjusted by adjusting the number of times of application / thermal decomposition.

また、基材が炭素など高温の酸化雰囲気に弱い場合には、あらかじめこれらの電極物質をチタンスポンジなど、金属粉末に被覆しておき、これを炭素、フッ素樹脂などと共に基材に塗布し、フッ素樹脂の焼結温度、例えばPTFE樹脂であれば200〜300℃で軽く圧力をかけながらホットプレスすることによって焼き付けて製造することができる。   In addition, when the substrate is weak in a high-temperature oxidizing atmosphere such as carbon, these electrode materials are coated in advance on a metal powder such as titanium sponge, and this is applied to the substrate together with carbon, fluorine resin, etc. If it is resin sintering temperature, for example, PTFE resin, it can be baked by hot pressing while applying light pressure at 200 to 300 ° C.

本発明においては、陰イオン交換膜とカソード触媒を担持した電極とアノード触媒を担持した電極とを積層していわゆる分離膜と電極の集合体(MEA)として用いることができる。MEAとすることにより、コンパクトな構造に収めることができるとともに電解の過電圧を小さく抑えることができる。   In the present invention, an anion exchange membrane, an electrode carrying a cathode catalyst, and an electrode carrying an anode catalyst can be laminated to form a so-called separation membrane-electrode assembly (MEA). By using the MEA, it is possible to fit in a compact structure, and to suppress the overvoltage of electrolysis small.

電極の外側には集電体を設置する。集電体としては導電性及び耐食性等を有するものであれば特に制限されず、例えば、銅材料や炭素材料からなるものが使用できる。   A current collector is installed outside the electrode. The current collector is not particularly limited as long as it has conductivity and corrosion resistance, and for example, a current collector made of a copper material or a carbon material can be used.

本発明において、電極間に電流を供給する手段としては特に制限されなく、通常電解反応で使用されているものが同様に使用できる。本発明において、適用する電流密度は0.1〜10A/dm2が好ましい。 In the present invention, the means for supplying current between the electrodes is not particularly limited, and those usually used in an electrolytic reaction can be used in the same manner. In the present invention, the current density to be applied is preferably from 0.1 to 10 A / dm 2.

アルコールとしてメタノールを用いた反応の理論分解電圧は、0.05Vである。いかに過電圧を小さくして理論分解電圧に近い電圧で水素を取り出せるかが水素発生装置での重要なファクターになるので、上記した様な活性化過電圧の小さい電極触媒を選択するとともに電極と集電体や液抵抗を小さくすることが重要である。   The theoretical decomposition voltage of the reaction using methanol as the alcohol is 0.05V. How to reduce the overvoltage and extract hydrogen at a voltage close to the theoretical decomposition voltage is an important factor in the hydrogen generator, so select an electrode catalyst with a small activation overvoltage as described above and use the electrode and current collector. It is important to reduce the liquid resistance.

本発明の燃料電池は、原料となる水素の供給装置として上記の電解型水素発生装置を使用するものである。その接続方法等は、従来公知の方法が制限なく使用できる。   The fuel cell of the present invention uses the above-described electrolytic hydrogen generator as a supply device for hydrogen as a raw material. As the connection method, a conventionally known method can be used without limitation.

本発明を考慮する上で、DMFCとの効率性の対比が重要となる。本発明のように水素を燃料にした燃料電池は実用的には0.7Vの発生電圧を有しており、一方DMFCの実用発生電圧は0.4V程度である。この差の0.3V分が水素を直接燃料に用いた燃料電池にはDMFCに比べて有利であり、この範囲内の電圧で電解して水素を発生させかつその製造コストを含めて0.3Vの付加価値内に収めることが要求される。本発明の電解型水素発生装置は水素発生効率に優れ、コストも低く抑えることができるので、この要求を十分に満たし得る。   In considering the present invention, the efficiency comparison with DMFC is important. A fuel cell using hydrogen as a fuel as in the present invention practically has a generated voltage of 0.7V, while a practically generated voltage of DMFC is about 0.4V. The difference of 0.3V in this difference is more advantageous than that of DMFC in the fuel cell using hydrogen as a direct fuel. Electrolysis is generated at a voltage within this range to generate hydrogen and 0.3V including its production cost. It is required to be within the added value. Since the electrolytic hydrogen generator of the present invention is excellent in hydrogen generation efficiency and can be kept low in cost, this requirement can be satisfied sufficiently.

一方、水素を直接貯蔵するには700気圧程度の高圧にしないとかさばって現実的ではない。しかしこのような高圧貯蔵ではいろいろな危険が潜んでおり問題がある。その代わりに水素含有量の大きい物質で貯蔵してそれを必要な時に電解して水素にして取り出せば安全で効率的である。しかも電解による水素発生器と燃料電池をシステム的に融合させれば携帯式の電源としてもまた据え置き型の電源としても非常に有効である。   On the other hand, in order to store hydrogen directly, it is bulky and not realistic unless the pressure is set to about 700 atm. However, such high-pressure storage has various dangers and problems. Instead, it is safe and efficient to store in a substance with a high hydrogen content and to electrolyze it to hydrogen when necessary. Moreover, if a hydrogen generator by electrolysis and a fuel cell are systematically combined, it is very effective as a portable power source or a stationary power source.

以下、本発明を、実施例及び比較例により説明するが、本発明は以下の例により制限されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention, this invention is not restrict | limited by the following examples.

実施例1
陰イオン交換膜としては、株式会社アストム製のネオセプタ(登録商標)強塩基性低抵抗膜(型番:AM−1、膜厚:110μm、電気抵抗:1.2Ω・cm2)を用いた。
カソード極としては、鉄製メッシュにNiとSをメッキ処理して活性化したものを用いた。
アノード極としては、チタン製メッシュ上にカーボンブラックにPTFE樹脂をバインダーとして焼き付けた厚さ0.2mmの多孔体を芯材として、その表面に塩化コバルト酸のブチルアルコール溶液を塗布し、水素気流中で400℃で熱分解してコバルト相を形成したものを用いた。
カソードとイオン交換膜及びアノードとイオン交換膜の間にそれぞれテフロン(登録商標)製1mm厚のシートを挟んでさらに両極の外側にそれぞれの集電用銅板を両極が接触しないようにして配置し、集電用銅板の外側からプレスして電解槽を作製した。カソード極側及びアノード極側にはそれぞれ液の入口及び出口を設け液循環ができるようにした。それぞれの電極から排出された液はガスを含んでいるのでそれぞれ別にミストキャッチャー付気液分離器を設け、カソード側からは水素がアノード側からは主にCO2が分離排出できるようにした。それぞれの液は循環させてそれぞれの極の液の入り口に戻すようにした。カソード極の循環液には0.1モル/リットルのKOH水溶液を用い、アノード極の循環液には50%メタノール水溶液を用いた。
Example 1
As an anion exchange membrane, a Neoceptor (registered trademark) strong basic low resistance membrane (model number: AM-1, film thickness: 110 μm, electric resistance: 1.2 Ω · cm 2 ) manufactured by Astom Co., Ltd. was used.
As the cathode electrode, an iron mesh activated by plating Ni and S was used.
As an anode electrode, a 0.2 mm-thick porous body made of carbon black and baked with PTFE resin as a binder on a titanium mesh is coated with a butyl alcohol solution of cobaltous chloride on its surface. And a cobalt phase formed by thermal decomposition at 400 ° C. was used.
Place a 1 mm thick sheet made of Teflon (registered trademark) between the cathode and the ion exchange membrane and the anode and the ion exchange membrane, respectively, and further arrange the current collecting copper plates on the outside of both electrodes so that the two electrodes do not contact each other, An electrolytic cell was produced by pressing from the outside of the current collecting copper plate. A liquid inlet and outlet were respectively provided on the cathode electrode side and the anode electrode side to enable liquid circulation. Since the liquid discharged from each electrode contains a gas, a gas-liquid separator with a mist catcher is provided separately so that hydrogen can be separated and discharged mainly from the cathode side and CO 2 from the anode side. Each liquid was circulated back to the liquid inlet of each pole. A 0.1 mol / liter aqueous KOH solution was used for the circulating solution of the cathode electrode, and a 50% aqueous methanol solution was used for the circulating solution of the anode electrode.

電流密度1A/dm2で電解行ったところ電圧は0.26Vで安定した。カソード側からは水素が連続的に放出され、アノード極側からはCO2が連続的放出された。それぞれの液濃度は循環液にメタノールや精製水の補充で調製した。カソードから発生したガス成分をガスクロマトグラフィーで測定したところほぼ100%水素であった。またその量から換算するとカソード側の電流効率は99.5%以上であった。
アノード側からはCO2がほぼ理論値どおり得られ、全体の電流効率は90%以上を保持した。さらに電流密度を10A/dm2に上げたところ、電圧は0.34Vまで上昇したがそれぞれの極にて水素やCO2などの発生は順調に行えた。
When electrolysis was performed at a current density of 1 A / dm 2 , the voltage was stable at 0.26 V. Hydrogen was continuously released from the cathode side, and CO 2 was continuously released from the anode side. The concentration of each solution was adjusted by supplementing the circulating fluid with methanol or purified water. When the gas component generated from the cathode was measured by gas chromatography, it was almost 100% hydrogen. When converted from the amount, the current efficiency on the cathode side was 99.5% or more.
CO 2 was obtained from the anode side almost as theoretically, and the overall current efficiency was maintained at 90% or more. Further, when the current density was increased to 10 A / dm 2 , the voltage increased to 0.34 V, but generation of hydrogen, CO 2, etc. was successfully performed at each pole.

実施例2
陰イオン交換膜としては、株式会社アストム製のネオセプタ(登録商標)強塩基性低抵抗膜(型番:AFN、膜厚:130μm、電気抵抗:0.3Ω・cm2)を用いた。
アノード触媒には昭和電工製VGCF(気相法炭素繊維)とカーボンブラックとをPTFEバインダーで結合した担材の表面にコバルト粉末を水素中還元反応で相形成させて担持させたものを用い、カソード触媒には昭和電工製VGCFとカーボンブラックとをPTFEバインダーで結合したものの表面にFe粉末をコロイド法で担持させたものを用いて、それぞれを陰イオン交換膜の片面ずつ塗布してシート状に成形して膜−電極複合体(MEA)とした。セパレーターには昭和電工製のカーボン系セパレーターを用いて単セル4槽の積層型電解槽を作製した。両終端の集電板には昭和電工製カーボンを用いた。
アノード極側には95%メタノール水溶液を供給し、カソード極側にはイオン交換後蒸留を行った精製水を供給した。メタノール水溶液の供給は循環方式とし、発生した炭酸ガスを分離する分離器を外部循環路に設け、濃度調整した後、再度アノード極に循環した。精製水は加圧しながらカソード極に押し込みながら循環させた。なお、MEAはあらかじめ水蒸気で湿潤させて使用した。一通り循環が行われてから外部から直流電流を流し電解を始めた。電流密度は1A/dm2で行った。これにより電解電圧は1.06Vでカソード側から水素が連続的に放出された。発生した水素濃度をガスクロマトグラフィーで測定したところ水蒸気分を除くとほぼ100%であった。電流効率は98%を記録した。またアノード極側からはほぼ理論どおりのCO2が観測された。電流密度を10A/dm2まで上げて電解したところ、電解電圧は1.41Vまで上昇したが電流効率は92%で非常に効率が良かった。
Example 2
As an anion exchange membrane, a Neoceptor (registered trademark) strong basic low resistance membrane (model number: AFN, film thickness: 130 μm, electric resistance: 0.3 Ω · cm 2 ) manufactured by Astom Co., Ltd. was used.
As the anode catalyst, a cathode in which cobalt powder is phase-formed by a reduction reaction in hydrogen and supported on the surface of a support material in which VGCF (gas phase carbon fiber) manufactured by Showa Denko and carbon black are combined with a PTFE binder is used. As a catalyst, VGCF made by Showa Denko and carbon black are combined with PTFE binder, and Fe powder is supported on the surface by colloid method, and each one side of anion exchange membrane is applied to form a sheet. Thus, a membrane-electrode assembly (MEA) was obtained. A separator-type carbon separator manufactured by Showa Denko was used to produce a laminated electrolytic cell with four single cells. Showa Denko carbon was used for the current collector plates at both ends.
A 95% aqueous methanol solution was supplied to the anode side, and purified water distilled after ion exchange was supplied to the cathode side. The methanol aqueous solution was supplied in a circulation system, and a separator for separating the generated carbon dioxide gas was provided in the external circulation path to adjust the concentration, and then circulated again to the anode electrode. Purified water was circulated while being pushed into the cathode while being pressurized. Note that the MEA was used after being wetted with water vapor. After circulation was complete, electrolysis was started by applying a direct current from the outside. The current density was carried out at 1A / dm 2. As a result, the electrolysis voltage was 1.06 V, and hydrogen was continuously released from the cathode side. When the generated hydrogen concentration was measured by gas chromatography, it was almost 100% excluding water vapor. The current efficiency was recorded as 98%. Further, almost theoretical CO 2 was observed from the anode side. When the current density was increased to 10 A / dm 2 and electrolysis was performed, the electrolysis voltage increased to 1.41 V, but the current efficiency was 92%, which was very good.

実施例3
陰イオン交換膜にはアストム製のネオセプタ(登録商標)強塩基性1価イオン選択透過性膜(型番:AM−3、膜厚:200μm、電気抵抗:2.8Ω・cm2)を用い、カソード極触媒としてFe粉末に代えてFe粉表面をNiとSでメッキ処理して活性化したものを用いた以外は実施例2と同様なMEAを作製した。
その他セパレーター、集電板も実施例2と同様にして電解槽を構成した。
アノード極側には50%エタノール水溶液を供給し、カソード極側には実施例2と同様な精製水を供給した。エタノール水溶液の供給は循環方式とし、発生した炭酸ガスを分離する分離器を外部循環路に設け、濃度調整した後、再度アノード極に循環した。精製水はカソード極を循環させて使用した。MEAはあらかじめ湿潤させて用いた。最初電流密度を1A/dm2で行った。電解電圧は0.98Vでカソード側から水素が連続的に放出された。水素はほぼ100%でカソード側の電流効率は95%以上であった。またアノード極側からはほぼ理論どおりのCO2が観測された。電流密度を10A/cm2まで上げて電解したところ、電解電圧は1.28Vまで上昇したがトータルの電流効率は85%以上を保持した。
Example 3
The anion exchange membrane is an Astom Neocepta (registered trademark) strong basic monovalent ion permselective membrane (model number: AM-3, film thickness: 200 μm, electric resistance: 2.8 Ω · cm 2 ), cathode An MEA similar to that of Example 2 was prepared, except that the electrode catalyst was activated by plating the surface of Fe powder with Ni and S instead of Fe powder.
Other separators and current collector plates also constituted an electrolytic cell in the same manner as in Example 2.
A 50% ethanol aqueous solution was supplied to the anode electrode side, and purified water similar to Example 2 was supplied to the cathode electrode side. The ethanol aqueous solution was supplied in a circulation system. A separator for separating the generated carbon dioxide gas was provided in the external circulation path, the concentration was adjusted, and then it was circulated again to the anode electrode. Purified water was used by circulating the cathode. The MEA was used after being wetted. Initially, the current density was 1 A / dm 2 . The electrolysis voltage was 0.98 V, and hydrogen was continuously released from the cathode side. Hydrogen was almost 100% and the current efficiency on the cathode side was 95% or more. Further, almost theoretical CO 2 was observed from the anode side. When electrolysis was performed with the current density increased to 10 A / cm 2 , the electrolysis voltage increased to 1.28 V, but the total current efficiency was maintained at 85% or more.

実施例4
実施例2で用いた電解槽から発生した水素ガスを直接別途設けた燃料電池の燃料用に用いて燃料電池を稼動させた。この燃料電池は、デュポン製ナフィオン117を用い、その一面に昭和電工製VGCFに担持させたPt−Ru合金の熱分解生成物を触媒としてPTFE樹脂と混ぜてカーボンブラックに混合させたものを塗布して燃料極を構成し、もう一面にPt粉を触媒としてVGCFに担持させてカーボンブラックに混合したものを塗布して空気極を構成し、MEAとした。このMEAを、セパレーターに昭和電工製カーボン系セパレーターを用いて、4層重ねて、その両端にはカーボン製集電板を設置し、それを圧着して燃料電池を構成した。
この燃料電池の出力は実質の出力電圧は0.7Vで出力密度は130mW/cm2であった。燃料のメタノール有効使用率は85%であった。
Example 4
The fuel cell was operated using the hydrogen gas generated from the electrolytic cell used in Example 2 for the fuel of the fuel cell provided separately. This fuel cell uses a DuPont Nafion 117, and on one side, a Pt-Ru alloy thermal decomposition product supported on a VGCF made by Showa Denko was mixed with PTFE resin as a catalyst and mixed with carbon black. A fuel electrode was formed, and on the other side, Pt powder was supported on VGCF as a catalyst and mixed with carbon black was applied to form an air electrode to obtain an MEA. The MEA was stacked in four layers using a carbon separator made by Showa Denko as a separator, a carbon current collector plate was installed at both ends, and a fuel cell was constructed by crimping it.
As for the output of this fuel cell, the actual output voltage was 0.7 V and the output density was 130 mW / cm 2 . The effective use rate of methanol for the fuel was 85%.

Claims (15)

陰イオン交換膜と、該交換膜の両面に対向して配置されるアノード電極及びカソード電極と、該電極間に電流を供給する手段とを備え、カソード電極側には水を含む材料が供給され、アノード電極側にはアルコール化合物を含む材料が供給されることを特徴とする電解型水素発生装置。   An anion exchange membrane, an anode electrode and a cathode electrode arranged opposite to both surfaces of the exchange membrane, and means for supplying current between the electrodes, and a material containing water is supplied to the cathode electrode side The electrolytic hydrogen generator is characterized in that a material containing an alcohol compound is supplied to the anode electrode side. 陰イオン交換膜が強塩基性陰イオン交換樹脂からなる請求項1に記載の電解型水素発生装置。   The electrolytic hydrogen generator according to claim 1, wherein the anion exchange membrane is made of a strongly basic anion exchange resin. カソード電極がFe、Ni、Co、Agのいずれかまたはそれらの合金を主体に構成された触媒を含む電極である請求項1または2に記載の電解型水素発生装置。   The electrolytic hydrogen generator according to claim 1 or 2, wherein the cathode electrode is an electrode including a catalyst mainly composed of any one of Fe, Ni, Co, and Ag or an alloy thereof. カソード電極がFe表面をNi分散メッキして活性化した触媒を含む電極である請求項1〜3のいずれかに記載の電解型水素発生装置。   The electrolytic hydrogen generator according to any one of claims 1 to 3, wherein the cathode electrode is an electrode containing a catalyst activated by Ni-plating the Fe surface. アノード電極がCo、Ag、Niのいずれかまたはそれらの合金を主体に構成された触媒を含む電極である請求項1〜4のいずれかに記載の電解型水素発生装置。   The electrolytic hydrogen generator according to any one of claims 1 to 4, wherein the anode electrode is an electrode containing a catalyst mainly composed of one of Co, Ag, Ni, or an alloy thereof. カソード電極、アノード電極、陰イオン交換膜が一つの積層体からなる請求項1〜5のいずれかに記載の電解型水素発生装置。   The electrolytic hydrogen generator according to any one of claims 1 to 5, wherein the cathode electrode, the anode electrode, and the anion exchange membrane comprise a single laminate. アルコール化合物を含む材料が、メタノールまたはその水溶液である請求項1〜6のいずれかに記載の電解型水素発生装置。   The electrolytic hydrogen generator according to any one of claims 1 to 6, wherein the material containing the alcohol compound is methanol or an aqueous solution thereof. 陰イオン交換膜と、該交換膜の両面に対向して配置されるアノード電極及びカソード電極と、該電極間に電流を供給する手段とを備えた電解型水素発生装置において、カソード側で水を電気分解して水素ガスと水酸化物イオン(OH-)を発生させ、アノード側で陰イオン交換膜を透過した水酸化物イオン(OH-)とアルコール化合物とを反応させることを特徴とする水素ガスの発生方法。 In an electrolytic hydrogen generator comprising an anion exchange membrane, an anode electrode and a cathode electrode arranged opposite to both surfaces of the exchange membrane, and means for supplying a current between the electrodes, water is supplied to the cathode side. electrolysis to hydrogen gas and hydroxide ions (OH -) is generated, the anode in a hydroxide has passed through the anion exchange membrane ion (OH -) and hydrogen comprises reacting an alcohol compound Gas generation method. 陰イオン交換膜が強塩基性陰イオン交換樹脂からなる請求項8に記載の水素ガスの発生方法。   The method for generating hydrogen gas according to claim 8, wherein the anion exchange membrane is made of a strongly basic anion exchange resin. カソード電極がFe、Ni、Co、Agのいずれかまたはそれらの合金を主体に構成された触媒を含む電極である請求項8または9に記載の水素ガスの発生方法。   The method for generating hydrogen gas according to claim 8 or 9, wherein the cathode electrode is an electrode containing a catalyst mainly composed of any one of Fe, Ni, Co, Ag, or an alloy thereof. カソード電極がFe表面をNi分散メッキして活性化した触媒を含む電極である請求項8〜10のいずれかに記載の水素ガスの発生方法。   The method for generating hydrogen gas according to any one of claims 8 to 10, wherein the cathode electrode is an electrode containing a catalyst which is activated by Ni dispersion plating on the Fe surface. アノード電極がCo、Ag、Niのいずれかまたはそれらの合金を主体に構成された触媒を含む電極である請求項8〜11のいずれかに記載の水素ガスの発生方法。   The method for generating hydrogen gas according to any one of claims 8 to 11, wherein the anode electrode is an electrode containing a catalyst mainly composed of one of Co, Ag, Ni, or an alloy thereof. カソード電極、アノード電極、陰イオン交換膜が一つの積層体からなる請求項8〜12のいずれかに記載の水素ガスの発生方法。   The method for generating hydrogen gas according to any one of claims 8 to 12, wherein the cathode electrode, the anode electrode, and the anion exchange membrane comprise a single laminate. アルコール化合物がメタノールである請求項8〜13のいずれかに記載の水素ガスの発生方法。   The method for generating hydrogen gas according to any one of claims 8 to 13, wherein the alcohol compound is methanol. 原料となる水素の供給装置として請求項1〜7のいずれかに記載の電解型水素発生装置を備えた燃料電池。
A fuel cell comprising the electrolytic hydrogen generator according to any one of claims 1 to 7 as a supply device for hydrogen as a raw material.
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