JP2010009761A - Solid polymer fuel battery - Google Patents

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Yukihiro Shintani
幸弘 新谷
Daisuke Yamazaki
大輔 山崎
Nobuhiro Tomosada
伸浩 友定
Atsushi Kimura
篤史 木村
Tomomi Akutsu
智美 阿久津
Saaya Sato
紗綾 佐藤
Makoto Kawano
誠 川野
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Yokogawa Electric Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode structure for improving electromotive force of a solid polymer fuel battery. <P>SOLUTION: In the electrode structure for a solid polymer fuel battery cell 11 with an anode electrode 7 and a cathode electrode 6 arranged on both faces of a solid polymer electrolyte film 1, ionomers as aromatic hydrocarbon system polymer sulfide contained in each a three-phase interface of an anode-electrode side catalyst layer 3 and a cathode-electrode side catalyst layer 2, are to be of different chemical species, PH values of the both electrodes are controlled by changing density of functional groups governing each ionomer PH value, and a theoretical electromotive force is to be larger than 1.23 V. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子電解質膜とイオノマーを含有する触媒層とを備える固体高分子型燃料電池に関し、特に、起電圧の向上に関する。   The present invention relates to a solid polymer fuel cell including a solid polymer electrolyte membrane and a catalyst layer containing an ionomer, and more particularly to improvement of an electromotive voltage.

従来から、固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell; PEFC)は、たとえば、電気自動車、定置コジェネレーションシステム、携帯機器用の電源として研究開発が進められている。この固体高分子型燃料電池は、固体高分子型燃料電池セルが複数枚積層(電気的に直列接続)されて構成されるものであり、触媒を介した酸化還元反応を利用して発電する。   Conventionally, polymer electrolyte fuel cells (PEFC) have been researched and developed as power sources for electric vehicles, stationary cogeneration systems, and portable devices, for example. This polymer electrolyte fuel cell is configured by stacking a plurality of polymer electrolyte fuel cells (electrically connected in series), and generates power using a redox reaction via a catalyst.

このような固体高分子型燃料電池に関連する先行技術文献としては、次のようなものがある。   Prior art documents relating to such a polymer electrolyte fuel cell include the following.

特許第3954793号Japanese Patent No. 3954793 特開2007−165005号公報JP 2007-165005 A 特開2001−118579号公報JP 2001-118579 A 特開2006−155965号公報JP 2006-155965 A

特許文献1には従来の固体高分子型燃料電池に関する技術が記載されている。図3は従来の固体高分子型燃料電池セルの一例を示す分断構成図である。図3において、従来の固体高分子型燃料電池セルでは、固体高分子電解質膜1の両面に貴金属(たとえば、白金)を含むカソード極側触媒層2とアノード極側触媒層3とが接合された膜電極接合体が使用される。   Patent Document 1 describes a technique related to a conventional polymer electrolyte fuel cell. FIG. 3 is a fragmentary block diagram showing an example of a conventional polymer electrolyte fuel cell. In FIG. 3, in a conventional polymer electrolyte fuel cell, a cathode electrode side catalyst layer 2 containing a noble metal (for example, platinum) and an anode electrode side catalyst layer 3 are joined to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane 1. A membrane electrode assembly is used.

またカソード極側ガス拡散層4はカソード極側触媒層2を介して固体高分子電解膜1と対向するように配置され、アノード極側触媒層3はアノード極側ガス拡散層5を介して固体高分子電解膜1と対向するように配置される。   The cathode electrode side gas diffusion layer 4 is disposed so as to face the solid polymer electrolyte membrane 1 with the cathode electrode side catalyst layer 2 interposed therebetween, and the anode electrode side catalyst layer 3 is solid with the anode electrode side gas diffusion layer 5 interposed therebetween. It arrange | positions so that the polymer electrolyte membrane 1 may be opposed.

カソード極側触媒層2とカソード極側ガス拡散層4はカソード極6を構成し、アノード極側触媒層3とアノード極側ガス拡散層5はアノード極7を構成する。   The cathode electrode side catalyst layer 2 and the cathode electrode side gas diffusion layer 4 constitute a cathode electrode 6, and the anode electrode side catalyst layer 3 and the anode electrode side gas diffusion layer 5 constitute an anode electrode 7.

なお、カソード極側ガス拡散層4およびアノード極側ガス拡散層5は、それぞれ酸化剤ガス(おもに酸素または空気など)および燃料ガス(おもに水素など)を通過させて、電流を外部に伝える働きをする。   The cathode electrode side gas diffusion layer 4 and the anode electrode side gas diffusion layer 5 function to transmit an oxidant gas (mainly oxygen or air, etc.) and a fuel gas (mainly hydrogen, etc.) to transmit an electric current to the outside. To do.

両面に複数の溝8aおよび溝9aが形成されたセパレータ10aは、カソード極側触媒層2またはカソード極側ガス拡散層4と接合され、両面に複数の溝8aおよび溝9aが形成されたセパレータ10bは、アノード極側触媒層3またはアノード極側拡散層5と接合される。すなわち一組のセパレータは膜電極接合体を挟持するように配置される。   Separator 10a having a plurality of grooves 8a and grooves 9a formed on both sides is joined to cathode electrode side catalyst layer 2 or cathode electrode side gas diffusion layer 4, and separator 10b having a plurality of grooves 8a and grooves 9a formed on both sides. Is joined to the anode electrode side catalyst layer 3 or the anode electrode side diffusion layer 5. That is, the pair of separators are arranged so as to sandwich the membrane electrode assembly.

なお、セパレータ10aがカソード極側触媒層2またはカソード極側ガス拡散層4と接合されることにより、溝8aの開口部分はカソード極6で覆われて反応ガス流通用のガス流路FP1が構成される。   The separator 10a is joined to the cathode electrode side catalyst layer 2 or the cathode electrode side gas diffusion layer 4, so that the opening portion of the groove 8a is covered with the cathode electrode 6 and the gas flow path FP1 for reaction gas circulation is configured. Is done.

またセパレータ10bがアノード極側触媒層3またはアノード極側ガス拡散層5と接合されることにより、溝8bの開口部分はアノード極7で覆われて反応ガス流通用のガス流路FP2が構成される。   Further, when the separator 10b is joined to the anode electrode side catalyst layer 3 or the anode electrode side gas diffusion layer 5, the opening portion of the groove 8b is covered with the anode electrode 7 to form a gas flow path FP2 for reaction gas circulation. The

このように、固体高分子型燃料電池セル11が構成される。また、このような固体高分子型燃料電池セル11を複数枚積層(電気的に直列接続)して、燃料電池スタックを構成することができる。この燃料電池スタックでは、個々のセルで得られる電圧よりも高い電圧を取り出すことができる。   Thus, the polymer electrolyte fuel cell 11 is configured. A plurality of such polymer electrolyte fuel cells 11 can be stacked (electrically connected in series) to form a fuel cell stack. In this fuel cell stack, a voltage higher than that obtained in each individual cell can be taken out.

従来の固体高分子型燃料電池セルの動作について説明する。酸化ガス(たとえば酸素、空気など)は図示しない供給口を介してガス流路FP1に供給される。燃料ガス(たとえば水素など)は図示しない供給口を介してガス流路FP2に供給される。   The operation of the conventional polymer electrolyte fuel cell will be described. Oxidizing gas (for example, oxygen, air, etc.) is supplied to the gas flow path FP1 through a supply port (not shown). The fuel gas (for example, hydrogen) is supplied to the gas flow path FP2 through a supply port (not shown).

アノード極では、水素分子を水素イオン(H+)と電子に分解するアノード極反応が行われる。またカソード極では、固体高分子電解質膜1を伝播してきた水素イオン(H+)と酸素分子が電子(e)から水(H2O)を生成する電気化学反応が行われる。いいかえれば以下の電気化学反応がそれぞれ行われている。 At the anode electrode, an anode electrode reaction is performed to decompose hydrogen molecules into hydrogen ions (H + ) and electrons. In the cathode electrode, an electrochemical reaction is performed in which hydrogen ions (H + ) and oxygen molecules propagating through the solid polymer electrolyte membrane 1 generate water (H 2 O) from electrons (e ). In other words, the following electrochemical reactions are performed.

アノード極側: H2→2H++2e ・・・(1)
カソード極側: 2H++(1/2)O2+2e→H2O ・・・(2)
全体 : H2+(1/2)O2→H2O ・・・(3)
The anode electrode side: H 2 → 2H + + 2e - ··· (1)
Cathode side: 2H + + (1/2) O 2 + 2e → H 2 O (2)
Overall: H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)

このとき、カソード極側とアノード極側(具体的にはセパレータ10aと10b)との間に外部負荷を接続することにより、アノード極側で発生した電子(e)を取り出すことができる。言い換えれば、電流を取り出すことができる。 At this time, an electron (e ) generated on the anode electrode side can be taken out by connecting an external load between the cathode electrode side and the anode electrode side (specifically, separators 10a and 10b). In other words, current can be taken out.


燃料電池の理論電圧は、カソード極側とアノード極側の理論的な電位差Er、つまり水の生成反応のギブス自由エネルギーから求められ、理論起電力(開回路電圧)としては約1.23Vである。これは以下のネルンストの式(式(4))より求められる。ここでE0は標準電位、Rは気体定数、Tは絶対温度、Fはファラデー定数である。
r=E0+(2.3RT/nF)log(PH2・PO 2 0.5/PH 2 O) ・・・(4)

The theoretical voltage of the fuel cell is obtained from the theoretical potential difference E r between the cathode side and the anode side, that is, Gibbs free energy of water generation reaction, and the theoretical electromotive force (open circuit voltage) is about 1.23V. is there. This is obtained from the following Nernst equation (equation (4)). Here, E 0 is a standard potential, R is a gas constant, T is an absolute temperature, and F is a Faraday constant.
E r = E 0 + (2.3RT / nF) log (P H2 · P O 2 0.5 / P H 2 O ) (4)

一方、特許文献2には、固体高分子型燃料電池で使用される電極触媒として、白金担持カーボン触媒電極(Pt/C触媒電極)の従来例が記載されている。白金担持カーボン触媒電極は、カーボンブラックなどの導電体微粒子からなる担体に白金を主体とする活性金属を担持させた構造である。   On the other hand, Patent Document 2 describes a conventional example of a platinum-supported carbon catalyst electrode (Pt / C catalyst electrode) as an electrode catalyst used in a polymer electrolyte fuel cell. The platinum-supported carbon catalyst electrode has a structure in which an active metal mainly composed of platinum is supported on a carrier made of conductive fine particles such as carbon black.

発電能を向上させる目的でイオノマー(ionomer;有機溶剤に可溶な水素イオン導電性高分子材料)が白金担持カーボン触媒に添加されている。固体高分子電解質膜にはナフィオン膜を使用し、触媒中のイオノマーにはナフィオン粒子を使用するのが典型である。つまり固体高分子電解質膜と両電極のイオノマーは同一化学種であり、一方のイオノマーは膜状、他方のイオノマーは分散粒子状として供される。   For the purpose of improving the power generation capacity, an ionomer (hydrogen ion conductive polymer material soluble in an organic solvent) is added to the platinum-supported carbon catalyst. A Nafion membrane is typically used for the solid polymer electrolyte membrane, and Nafion particles are typically used for the ionomer in the catalyst. In other words, the solid polymer electrolyte membrane and the ionomer of both electrodes are the same chemical species, and one ionomer is provided as a membrane and the other ionomer is provided as a dispersed particle.

すなわち、白金担持カーボン触媒電極は、反応ガスである水素や酸素などのガス相と、電子が移動する触媒電極相と、イオンが移動するイオノマー相の3種類の異相により構成され、電気化学反応はこれら異相が接触する三相界面で進行する。   In other words, the platinum-supported carbon catalyst electrode is composed of three different phases: a gas phase such as hydrogen or oxygen as a reaction gas, a catalyst electrode phase in which electrons move, and an ionomer phase in which ions move. It proceeds at the three-phase interface where these different phases come into contact.

また特許文献3には、固体高分子型燃料電池における電極触媒の製造方法について記載されている。   Patent Document 3 describes a method for producing an electrode catalyst in a polymer electrolyte fuel cell.

しかしながら、従来の固体高分子型燃料電池セルでは、実際の発電時には電位損失が燃料電池内部で発生するので、電池外部に取り出すことができる電圧Eは理論電圧Erよりも低い値となってしまう(式(4)参照)。 However, in a conventional polymer electrolyte fuel cell, a potential loss occurs inside the fuel cell during actual power generation, so the voltage E that can be taken out of the battery is lower than the theoretical voltage Er. (See equation (4)).

発電により得られる電池電圧は電流が増加するにつれて低下し、この電圧低下分および開回路電圧での理論値1.23Vとセルの実測値との差をあわせて以下「過電圧」という。過電圧の種類には、反応活性に対応する活性化過電圧ηact 、電子やイオンの抵抗電圧降下に対応する濃度過電圧ηrの2種類があり、これらの関係は、式(5)で表される。
E=Er―ηact―ηr・・・(5)
The battery voltage obtained by power generation decreases as the current increases, and the difference between this voltage drop and the theoretical value of 1.23 V at the open circuit voltage and the measured value of the cell is hereinafter referred to as “overvoltage”. There are two types of overvoltages: activation overvoltage η act corresponding to reaction activity and concentration overvoltage η r corresponding to resistance voltage drop of electrons and ions, and these relations are expressed by equation (5). .
E = E r −η act −η r (5)

なお、特許文献4には、このような過電圧を表す式(5)や、上述のネルンストの式(式(4))などが記載されている。   Patent Document 4 describes Equation (5) representing such overvoltage, the above-mentioned Nernst equation (Equation (4)), and the like.

これにより、実際に出力される電池電圧値Eは、理論起電圧から過電圧を減じた値となる。具体的には、従来の固体高分子型燃料電池では約0.95〜1V程度の開回路電圧が得られる。このため従来の燃料電池では電池電圧値を向上させることが求められている。   Thus, the battery voltage value E that is actually output is a value obtained by subtracting the overvoltage from the theoretical electromotive voltage. Specifically, an open circuit voltage of about 0.95 to 1 V can be obtained with a conventional polymer electrolyte fuel cell. For this reason, the conventional fuel cell is required to improve the cell voltage value.

このような問題に対しては、電池電圧を向上させるために過電圧値を抑制する方法が種々検討されているものの、未だ十分ではない。   For such a problem, various methods for suppressing the overvoltage value in order to improve the battery voltage have been studied, but it is still not sufficient.

また、式(5)に基づき、電池電圧値Eを向上させる方法として理論電圧値Erを増加させる方法があり得るが、この種の検討はなされていなかった。 Further, based on the formula (5), there is a method of increasing the theoretical voltage value Er as a method of improving the battery voltage value E, but this kind of examination has not been made.

本発明は上述の問題点を解決するものであり、その目的は、固体高分子型燃料電池の起電力を向上させることにある。   The present invention solves the above-described problems, and an object thereof is to improve the electromotive force of the polymer electrolyte fuel cell.

また本願発明者は、アノード極とカソード極のpH(水素イオン指数)値と各々の電極電位との関係に着眼し、両電極のpH値に差を持たせて起電圧の向上を図ることができるという燃料電池の特性を新たに見出している。   Further, the inventor of the present application focuses on the relationship between the pH (hydrogen ion index) values of the anode electrode and the cathode electrode and the respective electrode potentials, and aims to improve the electromotive voltage by making a difference between the pH values of both electrodes. We have newly found the characteristics of fuel cells that can be used.

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項1記載の発明は、
固体高分子電解質膜の両面にアノード極およびカソード極が配置された固体高分子型燃料電池において、
アノード極とカソード極のpH値が異なることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
In order to achieve such a problem, the invention according to claim 1 of the present invention is:
In a polymer electrolyte fuel cell in which an anode electrode and a cathode electrode are arranged on both sides of a polymer electrolyte membrane,
A polymer electrolyte fuel cell, wherein the anode electrode and the cathode electrode have different pH values.

請求項2記載の発明は、
請求項1記載の固体高分子型燃料電池において
前記アノード極と前記カソード極の三相界面に含まれるイオノマーは、異なる化学種の組合せの水素イオン導電性高分子であることを特徴とする。
The invention according to claim 2
2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the ionomer contained in the three-phase interface between the anode electrode and the cathode electrode is a hydrogen ion conductive polymer of a combination of different chemical species.

請求項3記載の発明は、
請求項1または請求項2記載の固体高分子型燃料電池において、
前記アノード極と前記カソード極の三相界面に含まれるイオノマーは、pH値を支配する官能基の密度が異なる組合せの水素イオン導電性高分子であることを特徴とする。
The invention described in claim 3
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2,
The ionomer contained in the three-phase interface between the anode electrode and the cathode electrode is a hydrogen ion conductive polymer having a combination in which the density of functional groups governing the pH value is different.

請求項4記載の発明は、
請求項1または請求項2記載の固体高分子型燃料電池において、
前記イオノマーを含有し、前記固体高分子電解質膜の一方の面に配置されるカソード極側触媒層と、
前記イオノマーを含有し、前記固体高分子電解質膜の他方の面に配置されるアノード極側触媒層とを備え、
前記カソード側触媒層に含有されるイオノマーと前記アノード側触媒層に含有されるイオノマーは異なる化学種であることを特徴とする。
The invention according to claim 4
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2,
A cathode electrode side catalyst layer containing the ionomer and disposed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane;
An anode electrode side catalyst layer containing the ionomer and disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane,
The ionomer contained in the cathode catalyst layer and the ionomer contained in the anode catalyst layer are different chemical species.

請求項5記載の発明は、
請求項1〜請求項3いずれかに記載の固体高分子型燃料電池において、
前記イオノマーを含有し、前記固体高分子電解質膜の一方の面に配置されるカソード極側触媒層と、
前記イオノマーを含有し、前記固体高分子電解質膜の他方の面に配置されるアノード極側触媒層とを備え、
前記カソード側触媒層に含有されるイオノマーと前記アノード側触媒層に含有されるイオノマーpH値を支配する官能基の密度が異なることを特徴とする。
The invention according to claim 5
The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
A cathode electrode side catalyst layer containing the ionomer and disposed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane;
An anode electrode side catalyst layer containing the ionomer and disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane,
The ionomer contained in the cathode catalyst layer and the functional group density controlling the ionomer pH value contained in the anode catalyst layer are different.

請求項6記載の発明は、
請求項1〜請求項5いずれかに記載の固体高分子型燃料電池において、
前記各pH値が制御され、理論起電力が1.23Vよりも大きいことを特徴とする。
The invention described in claim 6
The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
The pH values are controlled, and the theoretical electromotive force is greater than 1.23V.

請求項7記載の発明は、
請求項1〜請求項6いずれかに記載の固体高分子型燃料電池において、
前記イオノマーは、芳香族炭化水素系高分子スルホン化物であることを特徴とする。
The invention described in claim 7
The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 6,
The ionomer is an aromatic hydrocarbon polymer sulfonated product.

本発明に係る固体高分子型燃料電池によれば、起電力を向上させることができる。   According to the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the electromotive force can be improved.

本願発明者は、上述の式(4)(ネルンストの式)で表される起電力と両電極電位との関係、すなわちアノード極とカソード極のpH値と各々の電極電位との関係に着眼し、両電極のpH値に差を持たせることにより起電圧の向上を図ることができる点を見出した。   The inventor of the present application pays attention to the relationship between the electromotive force expressed by the above formula (4) (Nernst equation) and the potentials of both electrodes, that is, the relationship between the pH values of the anode and cathode and the respective electrode potentials. The inventors have found that the electromotive force can be improved by providing a difference in pH value between the two electrodes.

そして本願発明者は、この点を考慮しイオノマーを異なる材料とすることで容易かつ安定的に両電極のpH値が制御できることを新たに見出した。以下、このようなpH制御が可能な固体高分子型燃料電池セルの実施例について説明する。   The inventor of the present application newly found that the pH value of both electrodes can be controlled easily and stably by using different materials for the ionomer in consideration of this point. Hereinafter, examples of the polymer electrolyte fuel cell capable of such pH control will be described.

図1は本発明に係る固体高分子型燃料電池セルの一実施例を示す構成図であり、図3と共通する部分には同一の符号を付けて適宜説明を省略する。図1と図3との相違点は、図1では、カソード極6とアノード極7とに添加されるイオノマーを異種材料または官能基密度が異なる同一化学種とする点である。なお異種材料とは異なる化学種のイオノマーをも含む総称として以下説明する。   FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention. The same reference numerals are given to the same parts as those in FIG. The difference between FIG. 1 and FIG. 3 is that, in FIG. 1, ionomers added to the cathode electrode 6 and the anode electrode 7 are the same chemical species having different materials or different functional group densities. In addition, it demonstrates below as a general term also including the ionomer of the chemical species different from a dissimilar material.

また本願中の官能基の密度とは、1分子中の官能基数(官能基数/分子数)、もしくは単位体積中の官能基数(官能基数/mm3)を指す。具体的にはナフィオン(登録商標)がイオノマー材料に用いられる場合には硫酸基(SO3H)が官能基(以下の化学式(1)参照)となる。この場合の官能基の密度は、たとえばカソード極側触媒層2に被覆されたナフィオン分子数がX個で官能基数がY個とすれば(Y/X(官能基数/分子数))となる。一方カソード極側触媒層2に被覆されたナフィオンの体積がZmm3とすれば(Y/Z(官能基数/mm3))となる。 Further, the density of functional groups in the present application refers to the number of functional groups in one molecule (number of functional groups / number of molecules) or the number of functional groups in a unit volume (number of functional groups / mm 3 ). Specifically, when Nafion (registered trademark) is used for an ionomer material, a sulfate group (SO 3 H) becomes a functional group (see the following chemical formula (1)). The density of the functional groups in this case is, for example, Y (X / functional number / number of molecules) when the number of Nafion molecules covered on the cathode electrode side catalyst layer 2 is X and the number of functional groups is Y. On the other hand, if the volume of Nafion coated on the cathode electrode side catalyst layer 2 is Zmm 3 , (Y / Z (number of functional groups / mm 3 )).

Figure 2010009761
Figure 2010009761

図1において、図示しないイオノマーIO200がカソード極側触媒層2の表面に分散粒子状に被覆され、イオノマーIO300がアノード極側触媒層3の表面に分散粒子状に被覆される。このイオノマーIO200とイオノマーIO300とは異種材料のものである。   In FIG. 1, ionomer IO200 (not shown) is coated on the surface of cathode electrode side catalyst layer 2 in the form of dispersed particles, and ionomer IO300 is coated on the surface of anode electrode side catalyst layer 3 in the form of dispersed particles. The ionomer IO200 and the ionomer IO300 are made of different materials.

これらイオノマーIO200、IO300は、カソード極(酸素極)側のpH値をa、アノード極(水素極)側のpH値をb(但し、a≠b)とするような異種材料のものである。   These ionomers IO200 and IO300 are made of different materials such that the pH value on the cathode electrode (oxygen electrode) side is a and the pH value on the anode electrode (hydrogen electrode) side is b (where a ≠ b).

本発明に係る固体高分子型燃料電池セルの動作について説明する。酸化ガス(たとえば酸素または空気など)がガス流路FP1に供給され、燃料ガス(たとえばr水素など)がガス流路FP2に供給される。   The operation of the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described. An oxidizing gas (for example, oxygen or air) is supplied to the gas flow path FP1, and a fuel gas (for example, r hydrogen) is supplied to the gas flow path FP2.

アノード極6、カソード極7では、上述の式(1)、(2)で表される電気化学反応が行われ、燃料電池セル全体では式(3)のような電気化学反応が行われている。以下改めて式(1)、(2)、(3)を記載する。   The anode electrode 6 and the cathode electrode 7 perform the electrochemical reaction represented by the above formulas (1) and (2), and the fuel cell as a whole performs the electrochemical reaction represented by the formula (3). . Hereinafter, formulas (1), (2), and (3) will be described again.

アノード極側: H2→2H++2e ・・・(1)
カソード極側: 2H++(1/2)O2+2e→H2O ・・・(2)
全体 : H2+(1/2)O2→H2O ・・・(3)
The anode electrode side: H 2 → 2H + + 2e - ··· (1)
Cathode side: 2H + + (1/2) O 2 + 2e → H 2 O (2)
Overall: H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)

このとき、カソード極6とアノード極7との間に外部負荷を接続することにより、アノード極側で発生した電子(e)を取り出すことができる。 At this time, by connecting an external load between the cathode electrode 6 and the anode electrode 7, electrons (e ) generated on the anode electrode side can be taken out.

ここで燃料電池の起電圧は、カソード極6とアノード極7との電位差である。両極では以下の式(6)、(7)で示す電気化学反応によりアノード極(水素極)の平衡電位EH2、カソード極(酸素極)の平衡電位EO2を生じている。なおRは気体定数、Tは絶対温度、Fはファラデー定数、aHは水素イオンの活量、EHはaH=1の場合の水素電極電位(0V)、EOはaH=1の場合の酸素電極電位(1.23V)とする。また「水素イオン活量」と「水素イオン濃度」の定義は厳密には異なるものであるが、本願明細書では両語を同義の言葉として用いる。 Here, the electromotive voltage of the fuel cell is a potential difference between the cathode electrode 6 and the anode electrode 7. In both electrodes, the equilibrium potential E H2 of the anode electrode (hydrogen electrode) and the equilibrium potential E O2 of the cathode electrode (oxygen electrode) are generated by the electrochemical reaction represented by the following formulas (6) and (7). R is gas constant, T is absolute temperature, F is Faraday constant, aH is hydrogen ion activity, E H is hydrogen electrode potential (0V) when aH = 1, E O is oxygen when aH = 1 The electrode potential is 1.23V. In addition, although the definitions of “hydrogen ion activity” and “hydrogen ion concentration” are strictly different, in this specification, both terms are used as synonymous words.

H2=EH+(RT/F)×ln(aH)=EH−(RT/F)×pH ・・・(6)
O2=EO+(RT/F)×ln(aH)=EO−(RT/F)×pH ・・・(7)
E H2 = E H + (RT / F) × ln (aH) = E H − (RT / F) × pH (6)
E O2 = E O + (RT / F) × ln (aH) = E O − (RT / F) × pH (7)

図2はカソード極(酸素極)およびアノード極(水素極)の平衡電位EO2、EH2とpH値との関係図であり、上述の式(6)と式(7)を図示したものである。点線がカソード極6の平衡電位、2点鎖線がアノード極7の平衡電位を示している。 FIG. 2 is a relationship diagram between the equilibrium potentials E O2 and E H2 of the cathode electrode (oxygen electrode) and the anode electrode (hydrogen electrode) and the pH value, and illustrates the above formulas (6) and (7). is there. The dotted line indicates the equilibrium potential of the cathode electrode 6, and the two-dot chain line indicates the equilibrium potential of the anode electrode 7.

この図2によれば、pH値が増加するにつれ、いいかえれば、水素イオン濃度が低下するにつれて各極の電位は低下する。またカソード極6の平衡電位線とアノード極7の平衡電位線は平行関係であり、それぞれのpH値における両極間の電位差、すなわち、起電力は1.23Vで一定である。   According to FIG. 2, as the pH value increases, in other words, the potential of each electrode decreases as the hydrogen ion concentration decreases. Further, the equilibrium potential line of the cathode electrode 6 and the equilibrium potential line of the anode electrode 7 are in parallel relation, and the potential difference between both electrodes at each pH value, that is, the electromotive force is constant at 1.23V.

このとき、アノード極(水素極)側のpH値をb、カソード極(酸素極)側のpHがa(但し、a≠b)の場合、起電力β=Voa―Vhb>1.23Vとなる。 At this time, when the pH value on the anode electrode (hydrogen electrode) side is b and the pH value on the cathode electrode (oxygen electrode) side is a (where a ≠ b), the electromotive force β = V oa −V hb > 1.23V It becomes.

このように、本発明に係る固体高分子型燃料電池セルは、アノード極(水素極)とカソード極(酸素極)の両極間にpH値に差を持たせることにより、高起電力を得ることができる。   Thus, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention obtains a high electromotive force by providing a difference in pH value between the anode electrode (hydrogen electrode) and the cathode electrode (oxygen electrode). Can do.

いいかえれば、三相界面のイオノマーの種類を変えてpHを制御し、水素極と酸素極の水素イオン濃度を異値とさせることにより、その差に起因して起電圧を向上させることができる。   In other words, by changing the type of ionomer at the three-phase interface to control the pH and making the hydrogen ion concentrations of the hydrogen electrode and the oxygen electrode different values, the electromotive voltage can be improved due to the difference.

また、本発明に係る固体高分子型燃料電池セルを単セルとして用いて燃料電池スタックを構成すれば、要求される電圧を出力するために必要となる単セル数の低減を図ることができ、電源装置の小型化やスタック製造コストの低減化などに効果が期待できる。   Further, if the solid polymer fuel cell according to the present invention is used as a single cell to constitute a fuel cell stack, the number of single cells required for outputting the required voltage can be reduced, The effect can be expected to reduce the size of the power supply device and the stack manufacturing cost.

従来の燃料電池と本発明の燃料電池における起電圧の差について比較検討する。従来の固体高分子型燃料電池では、当然のようにして電解質膜、アノード極のイオノマーおよびカソード極のイオノマーとで共通の高分子材料が使用されているので、両電極のpH値に差を持たせるというようなpHの制御は困難であり、起電圧の向上を図ることができなかった。   The difference in electromotive voltage between the conventional fuel cell and the fuel cell of the present invention will be compared and examined. In the conventional polymer electrolyte fuel cell, as a matter of course, since the same polymer material is used for the electrolyte membrane, the ionomer of the anode electrode, and the ionomer of the cathode electrode, there is a difference in pH value between both electrodes. It was difficult to control the pH so that the electromotive force could be improved.

たとえば従来の燃料電池ではイオノマー材料、電解質材料共にナフィオン(登録商標)に代表されるパーフルオロ系樹脂が使用されている。ナフィオン(登録商標)のpHは、pH1程度とされているので従来の燃料電池の電極間領域のpHは1と考えられる。   For example, in a conventional fuel cell, a perfluoro resin represented by Nafion (registered trademark) is used for both an ionomer material and an electrolyte material. Since the pH of Nafion (registered trademark) is about pH 1, the pH of the region between electrodes of the conventional fuel cell is considered to be 1.

図3より、pHが1の場合では、カソード極(酸素極)の電位はVo、アノード極(水素極)の電位はVhとなり、起電力αはα=Vo―Vh=1.23となる。 3, when the pH is 1, the cathode electrode (oxygen electrode) potential is V o , the anode electrode (hydrogen electrode) potential is V h , and the electromotive force α is α = V o −V h = 1. 23.

また図3は、アノード極(水素極)とカソード極(酸素極)の電極間領域で均一なpH値であれば、起電圧の理論値は1.23Vとなることを示している。つまりナフィオンのpHが1ではなくても起電力αは1.23Vとなることになる。   Further, FIG. 3 shows that the theoretical value of the electromotive voltage is 1.23 V if the pH value is uniform in the region between the anode electrode (hydrogen electrode) and the cathode electrode (oxygen electrode). That is, even if the pH of Nafion is not 1, the electromotive force α is 1.23V.

これに対して、本発明に係る固体高分子型燃料電池セルは、両極のイオノマーを異なる材料を使用し、カソード極(酸素極)とアノード極(水素極)のpH値に差違を持たせることにより、起電力β=Voa―Vhb>α(1.23V)となる。 On the other hand, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention uses different materials for the ionomers of both electrodes, and has a difference in pH value between the cathode electrode (oxygen electrode) and the anode electrode (hydrogen electrode). Thus, the electromotive force β = V oa −V hb > α (1.23 V).

このため、本発明に係る固体高分子型燃料電池は、従来の固体高分子型燃料電池よりも高い起電圧を得ることができる。   For this reason, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention can obtain an electromotive voltage higher than that of a conventional polymer electrolyte fuel cell.

なお、イオノマーIO200、IO300として使用する材料は、pHを異とする材料の組み合わせであれば、どのようなものでもよい。たとえば、パーフルオロ系プロトン伝導性ポリマー(商品名としては、ナフィオン膜、フレミオン、アシプレックスなど)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)スルホン化物、ポリエーテルスルホン(PES)スルホン化物、ポリエーテルイミド(PEI)スルホン化物、ポリイミド(PI)スルホン化物、ポリフェニレンオキシド(PPO)スルホン化物、ポリフェニレンサルファイド(PPS)スルホン化物、ポリスルホン(PSF)スルホン化物などの芳香族炭化水素系高分子スルホン化物、スルホン化ポリサルホン、炭化フッ素系ビニルモノマーと炭化水素系ビニルモノマーからなる共重合体とスルホン酸基を有する芳香族系炭化水素からなるスルホン酸型ポリスチレンーグラフトーエチレンーテトラフルオロエチレン共重合体、スルホン酸型ポリスチレンーグラフトーエチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE-g-PSt)、スチレンー(エチレンーブチレン)―スチレンスルホン化物、フッ素系ビニルモノマーと炭化水素系ビニルモノマーとの共重合体、陽イオン交換基導入型スチレンージビニルベンゼン共重合体、陰イオン交換基導入型スチレンージビニルベンゼン共重合体、ポリオレフィン系高分子、末端スルホン酸基を有するハイパーブランチポリマー(HBPES)と直鎖芳香族高分子(PEEES)との共重合体、その他の水素イオン伝導性を有する炭化水素系高分子のいずれかの組み合わせを用いることで、本発明が供する固体高分子型燃料電池を構築することができる。   In addition, as long as the material used as ionomer IO200 and IO300 is the combination of the material from which pH differs, what kind of thing may be sufficient as it. For example, perfluoro proton conductive polymers (trade names include Nafion membrane, Flemion, Aciplex, etc.), polyetheretherketone (PEEK) sulfonated products, polyethersulfone (PES) sulfonated products, polyetherimide (PEI) Sulfonated products, polyimide (PI) sulfonated products, polyphenylene oxide (PPO) sulfonated products, polyphenylene sulfide (PPS) sulfonated products, aromatic hydrocarbon polymer sulfonated products such as sulfonated polysulfone (PSF) sulfonated products, sulfonated polysulfone, fluorocarbon Of sulfonic acid type polystyrene-graft-ethylene-tetrafluoroethylene copolymer of styrene vinyl monomer and hydrocarbon vinyl monomer, and aromatic hydrocarbon having sulfonic acid group , Sulfonic acid type polystyrene-graft-ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE-g-PSt), styrene- (ethylene-butylene) -styrene sulfonated product, copolymer of fluoro vinyl monomer and hydrocarbon vinyl monomer, Cation-exchange group-introduced styrene-divinylbenzene copolymer, anion-exchange-group-introduced styrene-divinylbenzene copolymer, polyolefin polymer, hyperbranched polymer having terminal sulfonic acid group (HBPES) and linear aromatic A solid polymer fuel cell provided by the present invention can be constructed by using any combination of a copolymer with a polymer (PEEEES) and another hydrocarbon polymer having hydrogen ion conductivity. .

また、上述の実施形態において、カソード極(酸素極)6とアノード極(水素極)7のイオノマーの材料を違えることで本提案の燃料電池セルが実現できるが、両極のpHを違えることができれば、両極のイオノマーとして同一化学種を使用するものでもよい。   In the above embodiment, the proposed fuel cell can be realized by using different ionomer materials for the cathode electrode (oxygen electrode) 6 and the anode electrode (hydrogen electrode) 7. However, if the pH of both electrodes can be changed. Alternatively, the same chemical species may be used as the bipolar ionomer.

具体的には、イオノマーとして同一化楽種を用いる場合にはpHの値を支配するような官能基(たとえばナフィオンでは硫酸基)の密度を各電極にて異なる密度にすることにより、両極のpH値に差を持たせるものでよい。   Specifically, when using the same species as an ionomer, the density of functional groups (for example, sulfate groups in Nafion) that dominate the pH value is made different at each electrode, so that the pH of both electrodes It may be a value that makes a difference.

たとえば硫酸基密度が異なるナフィオン(パーフルオロ系プロトン伝導性ポリマー)を両電極のイオノマーに使用することで、両極のpH値に差を持たせるものでもよい。   For example, Nafion (perfluoro-type proton conductive polymer) having different sulfate group densities may be used for the ionomer of both electrodes, so that the pH values of both electrodes are different.

また、上述の実施形態では、両極のpHを制御する方法として両極のイオノマー種を異ならせているが、特にこれに限定するものではなく、固体高分子電解質膜1のカソード極6とアノード極7に接する膜表面およびその近傍部位の化学構造を変化させてpHを制御するものであってもよい。   In the above-described embodiment, the ionomer species of both electrodes are different as a method for controlling the pH of both electrodes. However, the present invention is not particularly limited to this, and the cathode 6 and anode 7 of the solid polymer electrolyte membrane 1 are not limited thereto. The pH may be controlled by changing the chemical structure of the film surface in contact with the surface and the vicinity thereof.

たとえば、固体高分子電解質膜1にナフィオン(登録商標)を使用し、カソード極6(酸素極)側面とアノード極7(水素極)側面の硫酸基密度を変化させて実現するものでよい。   For example, the solid polymer electrolyte membrane 1 may be realized by using Nafion (registered trademark) and changing the sulfate group density on the side surface of the cathode electrode 6 (oxygen electrode) and the side surface of the anode electrode 7 (hydrogen electrode).

ここで固体高分子電解質膜1の厚みは10〜50μmである。両表面の硫酸基密度が異なる電解質膜を安定的に生産することを鑑みると、両電極のpHの制御方法としては、三相界面のイオノマーの種類を変えてpHを制御する方法が特に好ましい。   Here, the thickness of the solid polymer electrolyte membrane 1 is 10 to 50 μm. In view of stably producing electrolyte membranes having different sulfate group densities on both surfaces, a method of controlling the pH by changing the type of ionomer at the three-phase interface is particularly preferred as a method of controlling the pH of both electrodes.

以上に説明したように、本発明に係る固体高分子型燃料電池セルは、アノード極とカソード極におけるイオノマーの種類を変えてpHを制御することにより起電圧を向上させることができ、電気自動車、定置コジェネレーションシステム、携帯機器用の電源としての貢献が期待できる。   As described above, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention can improve the electromotive voltage by controlling the pH by changing the type of ionomer in the anode and cathode, It can be expected to contribute as a stationary cogeneration system and power source for portable devices.

本発明に係る固体高分子型燃料電池セルの一実施例を示す構成図である。It is a block diagram which shows one Example of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on this invention. カソード極(酸素極)およびアノード極(水素極)の平衡電位とpH値との関係図である。FIG. 6 is a relationship diagram between an equilibrium potential of a cathode electrode (oxygen electrode) and an anode electrode (hydrogen electrode) and a pH value. 従来の固体高分子型燃料電池セルの一例を示す分断構成図である。It is a fragmentation block diagram which shows an example of the conventional polymer electrolyte fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

1 固体高分子電解室膜
2 カソード極側触媒層
3 アノード極側触媒層
4 カソード極側ガス拡散層
5 アノード極側ガス拡散層
6 カソード極(酸素極)
7 アノード極(水素極)
8a、8b 溝(流路FP1、FP2)
9a、9b 溝
10a、10b セパレータ
11 固体高分子型燃料電池セル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid polymer electrolysis chamber membrane 2 Cathode electrode side catalyst layer 3 Anode electrode side catalyst layer 4 Cathode electrode side gas diffusion layer 5 Anode electrode side gas diffusion layer 6 Cathode electrode (oxygen electrode)
7 Anode electrode (hydrogen electrode)
8a, 8b groove (flow path FP1, FP2)
9a, 9b Groove 10a, 10b Separator 11 Polymer electrolyte fuel cell

Claims (7)

固体高分子電解質膜の両面にアノード極およびカソード極が配置された固体高分子型燃料電池において、
アノード極とカソード極のpH値が異なることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
In a polymer electrolyte fuel cell in which an anode electrode and a cathode electrode are arranged on both sides of a polymer electrolyte membrane,
A polymer electrolyte fuel cell, wherein the anode electrode and the cathode electrode have different pH values.
前記アノード極と前記カソード極の三相界面に含まれるイオノマーは、異なる化学種の組合せの水素イオン導電性高分子であることを特徴とする
請求項1記載の固体高分子型燃料電池。
2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the ionomer contained in the three-phase interface between the anode electrode and the cathode electrode is a hydrogen ion conductive polymer of a combination of different chemical species.
前記アノード極と前記カソード極の三相界面に含まれるイオノマーは、pH値を支配する官能基の密度が異なる組合せの水素イオン導電性高分子であることを特徴とする
請求項1または請求項2記載の固体高分子型燃料電池。
The ionomer contained in the three-phase interface between the anode electrode and the cathode electrode is a hydrogen ion conductive polymer having a combination of different functional group densities that control the pH value. The solid polymer fuel cell as described.
前記イオノマーを含有し、前記固体高分子電解質膜の一方の面に配置されるカソード極側触媒層と、
前記イオノマーを含有し、前記固体高分子電解質膜の他方の面に配置されるアノード極側触媒層とを備え、
前記カソード側触媒層に含有されるイオノマーと前記アノード側触媒層に含有されるイオノマーは異なる化学種であることを特徴とする
請求項1または請求項2記載の固体高分子型燃料電池。
A cathode electrode side catalyst layer containing the ionomer and disposed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane;
An anode electrode side catalyst layer containing the ionomer and disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane,
3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the ionomer contained in the cathode catalyst layer and the ionomer contained in the anode catalyst layer are different chemical species.
前記イオノマーを含有し、前記固体高分子電解質膜の一方の面に配置されるカソード極側触媒層と、
前記イオノマーを含有し、前記固体高分子電解質膜の他方の面に配置されるアノード極側触媒層とを備え、
前記カソード側触媒層に含有されるイオノマーと前記アノード側触媒層に含有されるイオノマーpH値を支配する官能基の密度が異なることを特徴とする
請求項1〜請求項3いずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
A cathode electrode side catalyst layer containing the ionomer and disposed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane;
An anode electrode side catalyst layer containing the ionomer and disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane,
4. The solid according to claim 1, wherein the ionomer contained in the cathode-side catalyst layer and the functional group density controlling the ionomer pH value contained in the anode-side catalyst layer are different. Polymer fuel cell.
前記各pH値が制御され、理論起電力が1.23Vよりも大きいことを特徴とする
請求項1〜請求項5いずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
6. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein each pH value is controlled, and a theoretical electromotive force is larger than 1.23V.
前記イオノマーは、芳香族炭化水素系高分子スルホン化物であることを特徴とする
請求項1〜請求項6いずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
7. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the ionomer is an aromatic hydrocarbon polymer sulfonated product.
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