JP2010010033A - Proton conductive membrane, and membrane electrode assembly and fuel cell using the same - Google Patents

Proton conductive membrane, and membrane electrode assembly and fuel cell using the same Download PDF

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義彦 中野
Atsushi Tamura
淳 田村
Miki Hayashi
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a proton conductive membrane for producing a fuel cell which can suppress the cross-over of methanol. <P>SOLUTION: The proton conductive membrane comprises proton conductive polymer and proton conductive inorganic oxide. The proton conductive polymer has sulfonic acid groups and is incorporated with a weight W<SB>p</SB>. The proton conductive inorganic oxide has silicon oxide supported on the surface and is incorporated with a weight W<SB>SA+SiO2</SB>. A wight ratio (W<SB>SA+SiO2</SB>/W<SB>p</SB>) is within in a range of 0.03-0.43. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、プロトン伝導性膜、それを用いた膜電極複合体および燃料電池に関する。   The present invention relates to a proton conductive membrane, a membrane electrode assembly using the same, and a fuel cell.

プロトン伝導性膜は、エレクトロクロミック材料やセンサーなどに用いられてきた。最近では、低温で動作し、高いエネルギー密度を有する燃料電池へ応用するために盛んに研究が行なわれている。   Proton conducting membranes have been used for electrochromic materials and sensors. Recently, extensive research has been conducted to apply to fuel cells that operate at low temperatures and have high energy density.

燃料電池においては、プロトン伝導性固体膜からなる電解質膜の一方に燃料極(アノード)が設けられ、他方の面には酸化剤極(カソード)が設けられる。アノードに供給された水素またはメタノールなどの燃料は、電気化学的に酸化されて電子とプロトンとが生成される。電子は外部回路へ流れ、プロトンはプロトン伝導性固体電解質を通してカソードに到達する。カソードにおいては、供給された酸化剤と外部回路からの電子とにより水を生成して電力が取り出される。   In a fuel cell, a fuel electrode (anode) is provided on one side of an electrolyte membrane made of a proton conductive solid membrane, and an oxidant electrode (cathode) is provided on the other side. A fuel such as hydrogen or methanol supplied to the anode is electrochemically oxidized to generate electrons and protons. Electrons flow to the external circuit and protons reach the cathode through the proton conducting solid electrolyte. At the cathode, water is generated by the supplied oxidant and electrons from the external circuit to extract electric power.

プロトン伝導性膜としては、有機高分子系イオン交換膜であるパーフルオロスルホン酸含有高分子が用いられており、具体的にはテトラフルオロエチレンとパーフルオロビニルエーテルとの共重合体をベースとし、イオン交換基としてスルホン酸基を有するもの(例えば、デュポン社製の商品名ナフィオンなど)が知られている。パーフルオロスルホン酸系高分子を電解質膜として用いた燃料電池においては、メタノールなどの有機液体燃料が電解質膜を透過してカソード側へ到達するクロスオーバーが生じる。この場合には、供給された液体燃料と酸化剤とが直接反応してしまい、エネルギーを電力として出力することができない。したがって、安定した出力を得ることができないという問題が生じる。   As the proton conductive membrane, a perfluorosulfonic acid-containing polymer, which is an organic polymer ion exchange membrane, is used. Specifically, it is based on a copolymer of tetrafluoroethylene and perfluorovinyl ether, Those having a sulfonic acid group as an exchange group (for example, trade name Nafion manufactured by DuPont) are known. In a fuel cell using a perfluorosulfonic acid polymer as an electrolyte membrane, a crossover occurs in which an organic liquid fuel such as methanol passes through the electrolyte membrane and reaches the cathode side. In this case, the supplied liquid fuel and oxidant react directly, and energy cannot be output as electric power. Therefore, there arises a problem that a stable output cannot be obtained.

無機固体酸系イオン交換膜としては、固体超強酸性を有する硫酸担持金属酸化物が知られている(例えば、特許文献1参照)。具体的にはジルコニウム、チタン、鉄、錫、シリコン、アルミニウム、モリブデン、タングステンから選ばれる酸化物表面に硫酸を担持し、熱処理によって酸化物表面に硫酸を固定化したものである。硫酸担持金属酸化物は固定化された硫酸根によってプロトン伝導性が発現するが、加水分解により硫酸根が逸脱し、プロトン伝導度が低下する。このため、発電の過程で水を生じる燃料電池、特に液体燃料を用いる燃料電池のプロトン伝導性固体電解質としては不安定であり、長期にわたって安定して電力を供給できないおそれがある。
特開2002−216537号公報
As an inorganic solid acid-based ion exchange membrane, a sulfuric acid-supporting metal oxide having solid superacidity is known (see, for example, Patent Document 1). Specifically, sulfuric acid is supported on an oxide surface selected from zirconium, titanium, iron, tin, silicon, aluminum, molybdenum, and tungsten, and sulfuric acid is immobilized on the oxide surface by heat treatment. The sulfuric acid-supported metal oxide exhibits proton conductivity due to the immobilized sulfate radical, but the sulfate radical deviates due to hydrolysis, and the proton conductivity decreases. For this reason, it is unstable as a proton conductive solid electrolyte of a fuel cell that generates water in the process of power generation, particularly a fuel cell using liquid fuel, and there is a possibility that power cannot be stably supplied over a long period of time.
JP 2002-216537 A

本発明は、上記問題点に鑑みてなされてもので、メタノールのクロスオーバーを抑制することができる燃料電池を得るためのプロトン伝導性膜を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a proton conductive membrane for obtaining a fuel cell capable of suppressing methanol crossover.

本発明の一態様にかかるプロトン伝導性膜は、プロトン伝導性ポリマーとプロトン伝導性無機酸化物とを具備するプロトン伝導性膜であって、
前記プロトン伝導性ポリマーは、スルホン酸基を有し、重量Wpで配合され、
前記プロトン伝導性無機酸化物は、表面に担持された酸化ケイ素を有し、重量WSA+SiO2で配合され、
重量比(WSA+SiO2/WP)は0.03以上0.43以下の範囲内であることを特徴とする。
A proton conductive membrane according to one embodiment of the present invention is a proton conductive membrane comprising a proton conductive polymer and a proton conductive inorganic oxide,
The proton conducting polymer has a sulfonic acid group and is blended with a weight W p .
The proton conductive inorganic oxide has silicon oxide supported on the surface, and is blended with a weight W SA + SiO 2 .
The weight ratio (W SA + SiO 2 / W P ) is in the range of 0.03 to 0.43.

本発明の一態様にかかる膜電極複合体は、燃料極、酸化剤極、および前記燃料極と前記酸化剤極との間に配置された電解質膜を具備する膜電極複合体であって、前記電解質膜は、前述のプロトン伝導性膜を含むことを特徴とする。   A membrane electrode assembly according to an aspect of the present invention is a membrane electrode assembly comprising a fuel electrode, an oxidant electrode, and an electrolyte membrane disposed between the fuel electrode and the oxidant electrode, The electrolyte membrane includes the aforementioned proton conductive membrane.

本発明の一態様にかかる燃料電池は、前述の膜電極複合体を具備することを特徴とする。   A fuel cell according to one embodiment of the present invention includes the above-described membrane electrode assembly.

本発明によれば、メタノールのクロスオーバーを抑制することができる燃料電池を得るためのプロトン伝導性膜が提供される。   According to the present invention, a proton conductive membrane for obtaining a fuel cell capable of suppressing methanol crossover is provided.

以下、本発明の実施形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

本発明の実施形態にかかるプロトン伝導性膜においては、スルホン酸基を有するプロトン伝導性ポリマーにプロトン伝導性無機酸化物が分散されている。   In the proton conductive membrane according to the embodiment of the present invention, a proton conductive inorganic oxide is dispersed in a proton conductive polymer having a sulfonic acid group.

スルホン酸基を有するプロトン伝導性ポリマーは、特に限定されないが、具体的には、nafion(デュポン社製)に代表されるパーフルオロスルホン酸系ポリマーや、スルホン化ポリスチレンやスルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリエーテルスルホンあるいは他のスルホン化したエンジニアリングプラスチック材料が挙げられる。   The proton conductive polymer having a sulfonic acid group is not particularly limited. Specifically, a perfluorosulfonic acid polymer represented by nafion (manufactured by DuPont), sulfonated polystyrene, sulfonated polyetherketone, sulfone. Sulfonated polyethersulfone, sulfonated polysulfone, sulfonated polyethersulfone or other sulfonated engineering plastic materials.

プロトン伝導性無機酸化物は、表面に担持された酸化ケイ素を有する。酸化ケイ素は微粒子として担持されていても、あるいはプロトン伝導性無機酸化物の表面に層状に堆積していてもよい。いずれの状態であっても、プロトン伝導性無機酸化物の表面に酸化ケイ素が担持されていれば、プロトン伝導性無機酸化物同士が合成時に融着して粒成長することを防ぐことができる。   The proton conductive inorganic oxide has silicon oxide supported on the surface. Silicon oxide may be supported as fine particles or may be deposited in layers on the surface of the proton conductive inorganic oxide. In any state, as long as silicon oxide is supported on the surface of the proton conductive inorganic oxide, it is possible to prevent the proton conductive inorganic oxides from fusing together during synthesis and grain growth.

プロトン伝導性無機酸化物に酸化ケイ素が担持されていることは、例えば、透過電子顕微鏡(TEM)、X線回折(XRD)、X線光電子分光法(XPS)などの機器分析により確認することが可能である。   It can be confirmed by instrumental analysis such as transmission electron microscope (TEM), X-ray diffraction (XRD), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) that silicon oxide is supported on the proton conductive inorganic oxide. Is possible.

酸化ケイ素は、プロトン伝導性無機酸化物の重量の0.1倍以上0.5倍以下の重量で担持されることが好ましい。すなわち、酸化ケイ素とプロトン伝導性無機酸化物の成分の重量をそれぞれWSiO2、WSAとした時、その重量比(WSiO2/WSA)は、0.1〜0.5が好ましい。より好ましくは、重量比は0.05〜0.5である。 The silicon oxide is preferably supported at a weight of 0.1 to 0.5 times the weight of the proton conductive inorganic oxide. That is, when the weights of the components of silicon oxide and proton conductive inorganic oxide are W SiO2 and W SA , respectively, the weight ratio (W SiO2 / W SA ) is preferably 0.1 to 0.5. More preferably, the weight ratio is 0.05 to 0.5.

プロトン伝導性無機酸化物は、酸化物担体とこの酸化物担体の表面に担持された酸化物粒子とを含む。酸化物担体は、例えば、Ti、Zr、およびSnからなる群から選択される少なくとも一種の第1の元素を含むことができ、酸化物粒子は、W、MoおよびVからなる群から選択される少なくとも一種の第2の元素を含むことができる。酸化物担体の平均粒径は、通常、1〜500nm程度である。   The proton conductive inorganic oxide includes an oxide carrier and oxide particles supported on the surface of the oxide carrier. The oxide support can include, for example, at least one first element selected from the group consisting of Ti, Zr, and Sn, and the oxide particles are selected from the group consisting of W, Mo, and V At least one second element can be included. The average particle size of the oxide carrier is usually about 1 to 500 nm.

第1の元素を含有する酸化物担体としては、具体的には、TiO2、ZrO2、およびSnO2などが挙げられる。第2の元素を含有する酸化物粒子としては、具体的には、WO2、MoO2、およびV25などが挙げられる。このような酸化物担体の表面に酸化物粒子が担持されることによって、酸化物粒子の構造内にルイス酸点が生成する。このルイス酸点が水和することでブレンステッド酸点になり、プロトンの伝導場が形成されるものと推測される。また、プロトン伝導性無機酸化物が非晶質構造を有すると、ルイス酸点生成が促進される。 Specific examples of the oxide carrier containing the first element include TiO 2 , ZrO 2 , and SnO 2 . Specific examples of the oxide particles containing the second element include WO 2 , MoO 2 , and V 2 O 5 . When the oxide particles are supported on the surface of such an oxide carrier, Lewis acid points are generated in the structure of the oxide particles. It is presumed that when this Lewis acid point is hydrated, it becomes a Bronsted acid point and a proton conduction field is formed. In addition, when the proton conductive inorganic oxide has an amorphous structure, the generation of Lewis acid points is promoted.

第2の元素を含む酸化物粒子は、元素やpHの環境によってその溶解度が変動するものの、水溶性を呈する場合がある。一方、第1の元素を含む酸化物担体は水溶性が低い。酸化物粒子を水溶性の低い酸化物担体に担持させることによって、酸化物粒子が水へ溶解するのを抑えることができる。その結果、プロトン伝導性無機酸化物の水および液体燃料に対する安定性が向上する。また、溶出した酸化物粒子のイオンによる他の燃料電池材料や装置の汚染も、回避することができる。   Although the solubility of oxide particles containing the second element varies depending on the element and pH environment, the oxide particles may exhibit water solubility. On the other hand, the oxide carrier containing the first element has low water solubility. By supporting the oxide particles on an oxide carrier having low water solubility, it is possible to suppress dissolution of the oxide particles in water. As a result, the stability of the proton conductive inorganic oxide to water and liquid fuel is improved. Also, contamination of other fuel cell materials and devices by ions of the eluted oxide particles can be avoided.

こうしたプロトン伝導性無機酸化物をプロトン伝導性膜に用いることにより、メタノールのクロスオーバーが抑制されるので、長期にわたって高い信頼性を有する燃料電池を得ることができる。   By using such a proton conductive inorganic oxide for the proton conductive membrane, crossover of methanol is suppressed, so that a fuel cell having high reliability over a long period of time can be obtained.

第1の元素を含む酸化物担体は、任意の方法により合成することができる。例えば、第1の元素を含むガスを分解して酸化物を作製する気相法、あるいは第1の元素を含む溶液または金属アルコキシドを原料としたゾル−ゲル法などが挙げられる。酸化物担体は、複数種類の金属元素を含む複合酸化物であってもよい。   The oxide carrier containing the first element can be synthesized by any method. For example, a vapor phase method in which a gas containing a first element is decomposed to produce an oxide, or a sol-gel method using a solution containing a first element or a metal alkoxide as a raw material can be given. The oxide carrier may be a complex oxide containing a plurality of types of metal elements.

第1の元素としてSnを用いた場合には、プロトン伝導性を十分に高くすることができる。また、第1の元素としてTiを用いた場合には、製造コストを抑えつつ高いプロトン伝導性が得られる。酸化物担体は、粒子状、繊維状、平板状、層状および多孔性などの種々の形状とすることができ、その形状は特に限定されない。酸化物担体においては、表面がプロトン伝導サイトとして作用する。このため、ナノサイズの微粒子状の酸化物を酸化物担体として使用することによって、十分なプロトン伝導サイトが得られる。   When Sn is used as the first element, the proton conductivity can be sufficiently increased. In addition, when Ti is used as the first element, high proton conductivity can be obtained while suppressing the manufacturing cost. The oxide carrier can have various shapes such as a particle shape, a fiber shape, a flat plate shape, a layer shape, and a porous shape, and the shape is not particularly limited. In the oxide carrier, the surface acts as a proton conduction site. For this reason, sufficient proton conduction sites can be obtained by using nano-sized fine particle oxide as an oxide carrier.

第2の元素を含む酸化物粒子は、例えば次のような方法によって、第1の元素を含む酸化物担体の表面に担持させることができる。まず、第2の元素を含む前駆体を溶解した溶液、例えば塩化物、硝酸塩、水素酸、オキソ酸塩などの酸性またはアルカリ性水溶液、あるいは金属アルコキシドのアルコール溶液を調製する。このとき溶解する溶媒としては、例えば水およびアルコールを用いることができる。ここに、第1の元素を含む酸化物担体を分散し、溶媒を除去する。それによって、第2の元素を含む酸化物粒子の原料を酸化物担体に担持させた後、熱処理を施して酸化物粒子が得られる。   The oxide particles containing the second element can be supported on the surface of the oxide carrier containing the first element, for example, by the following method. First, a solution in which a precursor containing the second element is dissolved, for example, an acidic or alkaline aqueous solution such as chloride, nitrate, hydrogen acid, or oxo acid salt, or an alcohol solution of a metal alkoxide is prepared. As a solvent which dissolves at this time, for example, water and alcohol can be used. Here, the oxide carrier containing the first element is dispersed, and the solvent is removed. As a result, the oxide particles containing the second element are supported on the oxide carrier and then subjected to heat treatment to obtain oxide particles.

第2の元素を含む酸化物粒子は、複数の元素を含む複合酸化物の状態で酸化物担体に担持されていてもよい。溶媒は、加熱により除去するのが一般的であるが、これに限定されない。加熱せずに減圧して溶媒を除去することができる。さらには、加熱と減圧とを同時に行なって、溶媒を除去してもよい。   The oxide particles containing the second element may be supported on the oxide carrier in the state of a composite oxide containing a plurality of elements. The solvent is generally removed by heating, but is not limited thereto. The solvent can be removed under reduced pressure without heating. Furthermore, the solvent may be removed by simultaneously performing heating and decompression.

第2の元素を含む酸化物粒子は、第1の元素を含む酸化物担体の表面の少なくとも一部に担持されていれば、その効果が発揮される。例えば、酸化物担体の表面に点在したり、あるいは酸化物担体の表面を覆うような層状物であってもよい。酸化物粒子が酸化物担体の表面に担持されていればよい。また、酸化物粒子または酸化物担体の結晶性は限定されるものではない。   The effect is exhibited if the oxide particles containing the second element are supported on at least a part of the surface of the oxide carrier containing the first element. For example, it may be a layered material that is scattered on the surface of the oxide support or covers the surface of the oxide support. It is sufficient that the oxide particles are supported on the surface of the oxide carrier. Further, the crystallinity of the oxide particles or the oxide carrier is not limited.

ルイス酸点生成の促進、酸性度の向上に寄与する可能性、製造コストの低下、および製造プロセスの容易さを考慮すると、酸化物粒子および酸化物担体はいずれも非晶質であることが望ましい。酸化物粒子は非晶質であって、酸化物担体は結晶であることがより望ましい。これとは逆に、酸化物粒子および酸化物担体のいずれも結晶で使用する場合、あるいは酸化物粒子が結晶であり、酸化物担体が非晶質で使用することも可能である。   Considering the promotion of Lewis acid point generation, the possibility of contributing to the improvement of acidity, the reduction of the manufacturing cost, and the ease of the manufacturing process, it is desirable that both the oxide particles and the oxide support are amorphous. . More preferably, the oxide particles are amorphous and the oxide support is crystalline. On the contrary, it is also possible to use both the oxide particles and the oxide carrier in the form of crystals, or the oxide particles can be used in the form of crystals and the oxide carrier can be used in an amorphous state.

なお、酸化物担体の表面に酸化物粒子の原料が担持された状態が、プロトン伝導性無機酸化物の前駆体粒子である。溶媒を除去して、酸化物担体の表面に酸化物粒子を担持させる際、前駆体粒子は強く凝集して粗大な凝集体となる。この凝集状態を解除することは容易ではなく、製造コストの増大につながる。一方、凝集状態のまま引き続いて熱処理をすると、酸化物担体同士が融着して粒成長を起こす。   The state in which the raw material of the oxide particles is supported on the surface of the oxide carrier is the proton conductive inorganic oxide precursor particles. When the solvent is removed and the oxide particles are supported on the surface of the oxide carrier, the precursor particles are strongly aggregated into coarse aggregates. It is not easy to release this aggregation state, leading to an increase in manufacturing cost. On the other hand, when the heat treatment is continued in the agglomerated state, the oxide carriers are fused to cause grain growth.

特に、酸化物担体がナノ粒子のような微小な粒子である場合には、酸化物担体の融点よりもかなり低い温度で粒成長が生じやすい。粒成長が起こると粒子の比表面積が低下して、プロトン伝導サイトが減少する。その結果、セル抵抗が増大し、電池全体としては高い出力を得られない傾向が強くなる。   In particular, when the oxide carrier is a fine particle such as a nanoparticle, grain growth tends to occur at a temperature considerably lower than the melting point of the oxide carrier. When grain growth occurs, the specific surface area of the particles decreases and proton conduction sites decrease. As a result, the cell resistance increases, and the tendency that a high output cannot be obtained as a whole battery becomes strong.

本発明者らは、プロトン伝導性無機酸化物の前駆体粒子の凝集を容易に解除する手法を見出した。具体的には、第2の元素を含む物質を溶解した溶液に酸化物担体を分散する際、酸化ケイ素粒子を添加した後、溶媒を除去する。これによって、酸化物担体の表面に酸化ケイ素粒子が付着する。あるいは、溶液に溶解した酸化ケイ素が酸化物担体の表面に析出して堆積し、酸化ケイ素を酸化物担体の表面に担持させることができる。このように酸化ケイ素の粒子を添加した状態で熱処理を行なうことによって、酸化物担体の融着および粒成長を抑制できることも確認された。   The present inventors have found a technique for easily canceling aggregation of precursor particles of a proton conductive inorganic oxide. Specifically, when the oxide carrier is dispersed in a solution in which the substance containing the second element is dissolved, the silicon oxide particles are added, and then the solvent is removed. As a result, silicon oxide particles adhere to the surface of the oxide support. Alternatively, silicon oxide dissolved in the solution can be deposited and deposited on the surface of the oxide support, and the silicon oxide can be supported on the surface of the oxide support. It was also confirmed that by performing the heat treatment with the silicon oxide particles added in this manner, it is possible to suppress the fusion and grain growth of the oxide carrier.

この現象のメカニズムは、次のように考察される。酸化ケイ素は難焼結性の酸化物であり、凝集した酸化物担体の粒子の間に酸化ケイ素が存在することによって、酸化物担体同士の間の融着が抑制されるためである。上述の手法により合成されたプロトン伝導性無機酸化物においては、酸化物粒子は、酸化物担体の表面のみならず酸化ケイ素粒子の表面にも担持される。酸化ケイ素粒子の表面に担持された酸化物粒子のみを分離除去することは、困難である。   The mechanism of this phenomenon is considered as follows. This is because silicon oxide is a hardly sinterable oxide, and the presence of silicon oxide between the aggregated oxide carrier particles suppresses fusion between the oxide carriers. In the proton conductive inorganic oxide synthesized by the above method, the oxide particles are supported not only on the surface of the oxide carrier but also on the surface of the silicon oxide particles. It is difficult to separate and remove only the oxide particles supported on the surface of the silicon oxide particles.

上述したように酸化ケイ素は難焼結性の酸化物であり、酸化物粒子が結合しにくい。このため、酸化物粒子が発電中に溶出して、その成分により燃料電池の構成部材が汚染されるおそれがある。こうした不都合を避けるために、水または熱湯により予め洗浄して、酸化ケイ素粒子の表面に担持された酸化物粒子を除去することが望まれる。   As described above, silicon oxide is a hardly sinterable oxide, and oxide particles are difficult to bond. For this reason, oxide particles may elute during power generation, and the components of the fuel cell may be contaminated by the components. In order to avoid such an inconvenience, it is desired to remove the oxide particles supported on the surface of the silicon oxide particles by washing in advance with water or hot water.

洗浄によって、酸化物担体と、その表面に担持された酸化物粒子および酸化ケイ素粒子からなるプロトン伝導性無機酸化物が得られる。酸化ケイ素は難焼結性の酸化物であり、合成条件によっては、酸化物担体との結合が弱い場合がある。この場合、酸化ケイ素粒子は予め水または熱湯により洗浄することにより、除去することも可能である。   By washing, a proton conductive inorganic oxide composed of an oxide carrier and oxide particles and silicon oxide particles carried on the surface thereof is obtained. Silicon oxide is a hardly sinterable oxide, and the bond with the oxide carrier may be weak depending on the synthesis conditions. In this case, the silicon oxide particles can be removed by washing with water or hot water in advance.

すでに説明したように、表面に担持される酸化ケイ素粒子の重量(WSiO2)は、プロトン伝導性無機酸化物(SA)の重量(WSA)の0.1〜0.5倍であることが好ましい。すなわち、酸化ケイ素粒子とプロトン伝導性無機酸化物との重量比(WSiO2/WSA)は、0.1〜0.5の範囲内であれば、電極触媒層のプロトン伝導性や電子伝導性を低下させることなく、粒成長を抑制する効果が得られる。 As already explained, the weight (W SiO2 ) of the silicon oxide particles supported on the surface is 0.1 to 0.5 times the weight (W SA ) of the proton conductive inorganic oxide (SA). preferable. That is, if the weight ratio (W SiO2 / W SA ) between the silicon oxide particles and the proton conductive inorganic oxide is within the range of 0.1 to 0.5, the proton conductivity and the electron conductivity of the electrode catalyst layer. The effect of suppressing grain growth can be obtained without lowering.

酸化ケイ素の平均粒径は、酸化物担体の平均粒径を越えないことが好ましい。扱いやすさおよび粒成長の抑制効果を考慮すれば、酸化ケイ素の平均粒径は1〜15nmの範囲が好ましい。粒子の結晶性や形状などは特に制限されはないので、コストなどを勘案して適切なものを選択すればよい。   It is preferable that the average particle diameter of silicon oxide does not exceed the average particle diameter of the oxide support. Considering the ease of handling and the effect of suppressing grain growth, the average particle diameter of silicon oxide is preferably in the range of 1 to 15 nm. The crystallinity and shape of the particles are not particularly limited, and an appropriate one may be selected in consideration of the cost.

プロトン伝導性無機酸化物の比表面積は、10〜2000m2/gの範囲であることが好ましい。比表面積が2000m2/gを越えると、取り扱い性や均一な合成の制御が難しく、10m2/g未満の場合には十分なプロトン伝導性が得られない。 The specific surface area of the proton conductive inorganic oxide is preferably in the range of 10 to 2000 m 2 / g. When the specific surface area exceeds 2000 m 2 / g, it is difficult to control handling and uniform synthesis, and when it is less than 10 m 2 / g, sufficient proton conductivity cannot be obtained.

プロトン伝導性無機酸化物においては、酸化物粒子に含有される第2の元素(M2)と、酸化物担体に含有される第1の元素(M1)との原子比(M2/M1)は、0.0001〜5の範囲内であることが好ましい。原子比(M2/M1)が0.0001未満の場合には、担持量が少なくプロトンの伝導場が少ない。一方、5を越えると、担持量が多すぎて、プロトンの伝導場が酸化物粒子により覆われてしまう。いずれの場合も、十分なプロトン伝導度が得られないおそれがある。原子比(M2/M1)は、0.01〜1の範囲であることがより望ましい。   In the proton conductive inorganic oxide, the atomic ratio (M2 / M1) between the second element (M2) contained in the oxide particles and the first element (M1) contained in the oxide carrier is: It is preferable to be within the range of 0.0001-5. When the atomic ratio (M2 / M1) is less than 0.0001, the supported amount is small and the proton conduction field is small. On the other hand, if it exceeds 5, the supported amount is too large and the proton conduction field is covered with oxide particles. In either case, sufficient proton conductivity may not be obtained. The atomic ratio (M2 / M1) is more preferably in the range of 0.01 to 1.

プロトン伝導性無機酸化物は、例えば、酸化物担体に酸化物粒子の前駆体を担持した後、例えば大気中のような酸化雰囲気で熱処理することにより得られる。熱処理の温度は、200〜1000℃とすることが好ましい。200℃より低い場合には、酸化物粒子の前駆体が酸化物となりにくく、酸化物担体と酸化物粒子との間に十分な化学結合が形成されない。一方、1000℃を越えると、粒子同士の融着に加えて粒成長が生じて比表面積が小さくなる。いずれの場合も、十分なプロトン伝導性を得られないおそれがある。熱処理温度は、400〜800℃がより望ましい。   The proton conductive inorganic oxide can be obtained, for example, by supporting a precursor of oxide particles on an oxide carrier and then heat-treating it in an oxidizing atmosphere such as the air. It is preferable that the temperature of heat processing shall be 200-1000 degreeC. When the temperature is lower than 200 ° C., the precursor of the oxide particles hardly becomes an oxide, and a sufficient chemical bond is not formed between the oxide carrier and the oxide particles. On the other hand, when the temperature exceeds 1000 ° C., grain growth occurs in addition to fusion between the particles, and the specific surface area becomes small. In either case, there is a possibility that sufficient proton conductivity cannot be obtained. The heat treatment temperature is more preferably 400 to 800 ° C.

プロトン伝導性無機酸化物は、固体超強酸性を示すことが望ましい。プロトンの解離度は酸強度として表現することができ、固体酸の酸強度はHammettの酸度関数H0として表わされる。例えば100%硫酸のH0は−11.93であり、プロトン伝導性無機酸化物は、H0<−11.93となる固体超強酸性を示すことがより好ましい。また、プロトン伝導性無機酸化物は、合成法を最適化することによって、H0=−20.00まで酸性度を高めることが可能である。したがって、−20.00<H0<−11.93の範囲の酸強度を有するプロトン伝導性無機酸化物を使用することが望ましい。 It is desirable that the proton conductive inorganic oxide exhibits a solid superacidity. The degree of proton dissociation can be expressed as acid strength, and the acid strength of solid acid is expressed as Hammett acidity function H 0 . For example, H 0 of 100% sulfuric acid is -11.93, and it is more preferable that the proton conductive inorganic oxide exhibits a solid superacidity that satisfies H 0 <-11.93. Further, the proton conductive inorganic oxide, by optimizing the synthesis method, it is possible to increase the acidity to H 0 = -20.00. Therefore, it is desirable to use a proton conductive inorganic oxide having an acid strength in the range of −20.00 <H 0 <−11.93.

プロトン伝導性無機酸化物の酸性度は、アンモニア昇温脱理法(TPD)法を用いて測定することができる。具体的には、固体酸試料にアンモニアガスを吸着させ、試料を昇温する。脱離したアンモニアの脱離量と脱離温度を検出して、固体酸の酸性度が解析される。   The acidity of the proton-conductive inorganic oxide can be measured using an ammonia temperature rising desorption method (TPD) method. Specifically, ammonia gas is adsorbed on the solid acid sample, and the sample is heated. By detecting the desorption amount and desorption temperature of the desorbed ammonia, the acidity of the solid acid is analyzed.

本発明の実施形態にかかるプロトン伝導性膜は、上述したようなスルホン酸基を有するプロトン伝導性ポリマーとプロトン伝導性無機酸化物とを含有する。高いプロトン伝導度を維持しつつ、液体燃料の透過(メタノールクロスオーバー)を抑制するためには、表面に酸化ケイ素(例えばSiO2)を担持した固体超強酸(SA+SiO2)とプロトン伝導性ポリマー(P)との重量比(WSA+SiO2/WP)が0.03〜0.43の範囲内であることが望ましい。ここでWPはプロトン伝導性ポリマー(P)の重量である。 The proton conductive membrane according to the embodiment of the present invention contains a proton conductive polymer having a sulfonic acid group as described above and a proton conductive inorganic oxide. In order to suppress the permeation of liquid fuel (methanol crossover) while maintaining high proton conductivity, solid super strong acid (SA + SiO 2 ) carrying a silicon oxide (for example, SiO 2 ) on the surface and a proton conducting polymer ( The weight ratio (W SA + SiO 2 / W P ) to P ) is preferably in the range of 0.03 to 0.43. Here, W P is the weight of the proton conductive polymer (P).

プロトン伝導性膜を燃料電池に使用する際には、一般的には膜の状態で使用されるが、これに限定されるものではない。例えば筒状で用いることも可能である。具体的には、プロトン伝導性無機酸化物とプロトン伝導性ポリマーとの分散混合物を、膜状に直接キャスティングする方法、あるいは、該分散混合物を多孔質芯材、織布または不織布などに含浸キャスティングするなどの方法によって、燃料電池に適用することができる。   When a proton conductive membrane is used in a fuel cell, it is generally used in a membrane state, but is not limited thereto. For example, it can be used in a cylindrical shape. Specifically, a method of directly casting a dispersion mixture of a proton conductive inorganic oxide and a proton conductive polymer into a film shape, or impregnating the dispersion mixture into a porous core material, a woven fabric or a non-woven fabric. The method can be applied to a fuel cell.

プロトン伝導性膜の厚さは、特に限定されないが、強度や液体燃料の透過性、プロトン伝導性など実用に耐え得る膜を得るには10μmよりも厚いことが望まれる。膜抵抗を低減するためには、300μmより薄い方が好ましい。特に、燃料電池の内部抵抗を小さくするためには、10〜150μmがより好ましい。   The thickness of the proton conductive membrane is not particularly limited, but it is preferably thicker than 10 μm in order to obtain a membrane that can withstand practical use, such as strength, liquid fuel permeability, and proton conductivity. In order to reduce the film resistance, it is preferable that the thickness is smaller than 300 μm. In particular, in order to reduce the internal resistance of the fuel cell, 10 to 150 μm is more preferable.

膜の厚さは、次のような手法により制御することができる。例えば、プロトン伝導性無機酸化物とプロトン伝導性ポリマーとを含有する分散溶液を、膜状に直接キャスティングする場合には、キャストするプロトン伝導性無機酸化物と上記のプロトン伝導性ポリマーの分散混合物の量あるいはキャスト面積で変更することができる。さらには、膜形成後、ホットプレス機などにより膜を加熱、加圧して、膜厚さを低減するといった手法も挙げられる。これらに特に限定されるものではない。   The thickness of the film can be controlled by the following method. For example, when a dispersion solution containing a proton conductive inorganic oxide and a proton conductive polymer is directly cast into a film, a dispersion mixture of the proton conductive inorganic oxide to be cast and the above proton conductive polymer is used. It can be changed by quantity or cast area. Furthermore, after film formation, there is a method of reducing the film thickness by heating and pressurizing the film with a hot press machine or the like. It is not particularly limited to these.

上述したようなプロトン伝導性膜を用いて、本発明の実施形態にかかる膜電極複合体が構成される。すなわち、実施形態にかかる膜電極複合体は、燃料極、酸化剤極、前記燃料極と酸化剤極との間に配置される電解質膜を具備し、この電解質膜は前述のプロトン伝導性膜により構成される。   The membrane electrode assembly according to the embodiment of the present invention is configured using the proton conductive membrane as described above. That is, the membrane electrode assembly according to the embodiment includes a fuel electrode, an oxidant electrode, and an electrolyte membrane disposed between the fuel electrode and the oxidant electrode. The electrolyte membrane is formed by the proton conductive membrane described above. Composed.

燃料極は、メタノール酸化触媒を有効成分とし、これに、プロトン伝導材、撥水材、結着剤などを添加した組成物を電極支持体に担持させて作製することができる。メタノール酸化触媒としては、PtRu、PtRuMo、PtRuW、PtIr、およびPtRuSnなどの触媒を用いることができる。   The fuel electrode can be produced by supporting a composition obtained by using a methanol oxidation catalyst as an active ingredient and adding a proton conductive material, a water repellent material, a binder and the like on an electrode support. As the methanol oxidation catalyst, catalysts such as PtRu, PtRuMo, PtRuW, PtIr, and PtRuSn can be used.

プロトン伝導材としては、前述の電解質膜を形成した材料を用いることができる。撥水材は、水が電極膜内を通過するのを防止するために配合するものであり、フッ素樹脂などを用いることができる。結着剤は、触媒粒子を相互に結着し膜状を維持する成分であり、高分子樹脂を用いることができる。なお、撥水材としての機能を有することから、撥水材と結着剤とを兼ねてフッ素樹脂を用いることが好ましい。さらに、燃料極の電気伝導性を向上させるため、導電剤を添加することもできる。導電剤としては、カーボンブラックなどの炭素粒子を用いるのが好ましい。これらの添加成分は、直接メタノール燃料電池の技術において通常用いられているものである。   As the proton conductive material, a material in which the above-described electrolyte membrane is formed can be used. The water repellent material is blended to prevent water from passing through the electrode film, and a fluorine resin or the like can be used. The binder is a component that binds the catalyst particles to each other and maintains a film shape, and a polymer resin can be used. In addition, since it has a function as a water repellent material, it is preferable to use a fluororesin as a water repellent material and a binder. Furthermore, in order to improve the electrical conductivity of the fuel electrode, a conductive agent can be added. As the conductive agent, it is preferable to use carbon particles such as carbon black. These additive components are those commonly used in direct methanol fuel cell technology.

電極支持体としては、多孔質カーボンペーパーを用いることが、原料ガスを触媒へ効率的に輸送するため好ましい。これ以外にも、例えば金、白金、ステンレス、ニッケル等の薄膜やメッシュあるいはスポンジ、あるいは、酸化チタン、シリカ、酸化スズに代表される公知の導電性粒子が挙げられる。この電極支持体に集電体をさらに接合して形成することができる。電極支持体が、燃料極あるいは酸化剤極の集電体を兼ねてもよい。   As the electrode support, it is preferable to use porous carbon paper in order to efficiently transport the raw material gas to the catalyst. Other than this, for example, a thin film such as gold, platinum, stainless steel, nickel or the like, a mesh or a sponge, or well-known conductive particles represented by titanium oxide, silica, or tin oxide can be used. A current collector can be further joined to the electrode support. The electrode support may also serve as a fuel electrode or oxidant electrode current collector.

触媒は、例えば塗布法によって電極支持体に担持させることができる。具体的には、まず、多孔質カーボンペーパーなどの所望の電極支持体を用意し、その上にメタノール酸化触媒あるいは酸素還元触媒を含む懸濁液を塗布する。次いで、乾燥することによって、触媒が担持された電極支持体が得られる。   The catalyst can be supported on the electrode support by, for example, a coating method. Specifically, first, a desired electrode support such as porous carbon paper is prepared, and a suspension containing a methanol oxidation catalyst or an oxygen reduction catalyst is applied thereon. Next, by drying, an electrode support on which a catalyst is supported is obtained.

塗布法以外にも、スパッタやケミカルベーパーデポジションに代表される真空薄膜作製法、メッキ、無電解メッキや含浸法等の化学的または電気化学的方法により、電極支持体に触媒を担持させることができる。さらには、アーク溶解やメカニカルミリング等の方法を使用してもよい。   In addition to the coating method, a catalyst may be supported on the electrode support by a chemical or electrochemical method such as a vacuum thin film preparation method represented by sputtering or chemical vapor deposition, plating, electroless plating, or impregnation method. it can. Furthermore, methods such as arc melting and mechanical milling may be used.

酸化剤極は、酸素還元触媒を有効成分とし、これに、プロトン伝導材、撥水材、結着剤などを添加した組成物を電極支持体に担持させて作製することができる。酸素還元触媒としては、Pt、PtCo、PtNi、Fe、RuSe、およびRuSeSなどの触媒を用いることができる。これらの触媒は、粒状で用いることが、触媒機能を高効率で発揮することができることから好ましい。   The oxidant electrode can be produced by supporting a composition in which an oxygen reduction catalyst is an active ingredient and a proton conductive material, a water repellent material, a binder and the like are added to an electrode support. As the oxygen reduction catalyst, catalysts such as Pt, PtCo, PtNi, Fe, RuSe, and RuSeS can be used. These catalysts are preferably used in the form of particles because the catalyst function can be exhibited with high efficiency.

燃料極および酸化剤極は、プロトン伝導性膜に当接させて配置される。燃料極と酸化剤極とを電解質膜に当接させる方法としては、ホットプレス、キャスト製膜をはじめとする公知の方法が使用できる。   The fuel electrode and the oxidant electrode are disposed in contact with the proton conductive membrane. As a method of bringing the fuel electrode and the oxidant electrode into contact with the electrolyte membrane, known methods such as hot pressing and cast film formation can be used.

一般的には、電解質膜への燃料極よび酸化剤極の当接は、ホットプレス機を用いて行なわれる。その際のプレス温度は電極、電解質膜に結着剤として使用する高分子材料のガラス転移温度以上であればよい。一般には100〜400℃である。プレス圧は使用する電極の硬さに依存するが、通常、5〜200kg/cm2である。 In general, the fuel electrode and the oxidant electrode are brought into contact with the electrolyte membrane using a hot press machine. The press temperature in that case should just be more than the glass transition temperature of the polymeric material used as a binder for an electrode and an electrolyte membrane. Generally, it is 100-400 degreeC. The press pressure depends on the hardness of the electrode used, but is usually 5 to 200 kg / cm 2 .

次に、上述の膜電極複合体を用いた燃料電池について、図面を用いてより詳細に説明する。   Next, a fuel cell using the above-described membrane electrode assembly will be described in more detail with reference to the drawings.

本実施形態にかかる燃料電池は、アクティブ型およびパッシブ型のいずれのタイプとしてもよい。アクティブ型燃料電池の単セルを図1に模式的に示す。   The fuel cell according to the present embodiment may be either an active type or a passive type. A single cell of an active fuel cell is schematically shown in FIG.

図示するように、電解質膜2は、その両表面に酸化剤極(カソード)1と燃料極(アノード)3が接合され、電極膜複合体(MEA)として配置されている。このMEAは、上述した方法により作製することができる。酸化剤極1および燃料極3の端部は、PTFEなどの材料で形成されたシール材4、5によってシールされ、燃料や排ガスなどが外部に漏出するのが防止される。   As shown in the drawing, the electrolyte membrane 2 has an oxidant electrode (cathode) 1 and a fuel electrode (anode) 3 joined to both surfaces thereof, and is arranged as an electrode membrane composite (MEA). This MEA can be manufactured by the method described above. The end portions of the oxidant electrode 1 and the fuel electrode 3 are sealed by sealing materials 4 and 5 made of a material such as PTFE, so that fuel, exhaust gas and the like are prevented from leaking to the outside.

酸化剤極1の外側には、酸化剤流路6を有する酸化剤流路板7が配置され、空気などの酸化剤が酸化剤極1に供給される。一方、燃料極3の外側には、燃料流路8を有する燃料流路板9が配置され、燃料極3にメタノールなどの燃料が供給される。これらの酸化剤流路6および燃料流路8は、ポンプのような手段によって強制的に酸化剤や燃料を供給または排出することができる。あるいは、強制手段を用いずに、自然対流などによってガスを流通させてもよい。   An oxidant channel plate 7 having an oxidant channel 6 is disposed outside the oxidant electrode 1, and an oxidant such as air is supplied to the oxidant electrode 1. On the other hand, a fuel flow path plate 9 having a fuel flow path 8 is disposed outside the fuel electrode 3, and fuel such as methanol is supplied to the fuel electrode 3. The oxidant channel 6 and the fuel channel 8 can forcibly supply or discharge the oxidant and fuel by means such as a pump. Alternatively, the gas may be circulated by natural convection without using the forcing means.

酸化剤流路板7および燃料流路板9は、酸化剤極1および燃料極3に発生する電気エネルギーを取り出すため、導電体で形成することが好ましい。これらの酸化剤流路板7および燃料流路板9の外側には、金属板などからなる集電体10、11が配置され、電気エネルギーが取り出される。   The oxidant flow path plate 7 and the fuel flow path plate 9 are preferably formed of a conductor in order to extract electric energy generated in the oxidant electrode 1 and the fuel electrode 3. Current collectors 10 and 11 made of a metal plate or the like are disposed outside the oxidant flow path plate 7 and the fuel flow path plate 9, and electric energy is taken out.

図示する例においては、集電体10、11の外側には、ヒーター12、13が配置される。ヒーターで燃料電池を加熱することによって、燃料電池の発電効率を改善することができる。   In the illustrated example, heaters 12 and 13 are disposed outside the current collectors 10 and 11. By heating the fuel cell with the heater, the power generation efficiency of the fuel cell can be improved.

図1に示した直接メタノール型燃料電池の概念図においては筐体を図示していないが、上述した組み立て体を筐体内に収容して、燃料電池を構成することができる。また、図1においては、発電要素として単一の組み立て体である単セルだけを表わしているが、本実施の形態においては、この単セルをそのまま使用してもよいし、複数のセルを直列および/または並列接続して実装燃料電池とすることもできる。   Although the housing is not shown in the conceptual diagram of the direct methanol fuel cell shown in FIG. 1, the fuel cell can be configured by housing the above-described assembly in the housing. In FIG. 1, only a single cell that is a single assembly is shown as a power generation element. However, in this embodiment, this single cell may be used as it is, or a plurality of cells are connected in series. And / or it can also be connected in parallel to provide a mounted fuel cell.

セル同士の接続方法は特に限定されず、例えば、バイポーラ板を使用する従来の接続方式を採用することができる。また、平面接続方式や、その他公知の接続方式の採用も有用である。   The connection method between cells is not specifically limited, For example, the conventional connection system which uses a bipolar plate is employable. It is also useful to adopt a plane connection method or other known connection methods.

図2には、パッシブ型燃料電池の単セルを示す模式図を示す。   In FIG. 2, the schematic diagram which shows the single cell of a passive type fuel cell is shown.

図示する単セルにおいては、電解質膜22が燃料極(アノード)23と酸化剤極(カソード)21とにより挟持されており、これら電解質膜22、燃料極23および酸化剤極21によって、起電部(MEA)24が構成されている。燃料極23および酸化剤極21は、燃料や酸化剤ガスを流通させるとともに電子を通すように、導電性の多孔質体で構成されている。   In the illustrated single cell, an electrolyte membrane 22 is sandwiched between a fuel electrode (anode) 23 and an oxidant electrode (cathode) 21, and an electromotive portion is formed by the electrolyte membrane 22, the fuel electrode 23, and the oxidant electrode 21. (MEA) 24 is configured. The fuel electrode 23 and the oxidant electrode 21 are made of a conductive porous body so that fuel and oxidant gas can be circulated and electrons can pass therethrough.

各単電池には液体燃料を保持する機能を有する燃料浸透部25と、この燃料浸透部25に保持される液体燃料が気化した気体燃料を燃料極23に導くための燃料気化部26とが設けられる。燃料浸透部25は、アノードセパレーター27により包囲されている。燃料浸透部25、燃料気化部26、および起電部24を含む単電池を、セパレーター28を介して複数積層することによって、電池本体となるスタック型燃料電池が構成される。セパレーター28の酸化剤極21と対向する面には、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス供給溝29を連続溝として設けられている。参照符号30は、酸化ガス出口である。また、アノード生成ガス排出口31を設けてもよい。   Each unit cell is provided with a fuel permeation section 25 having a function of retaining liquid fuel, and a fuel vaporization section 26 for guiding the gaseous fuel vaporized by the liquid fuel retained in the fuel permeation section 25 to the fuel electrode 23. It is done. The fuel permeation unit 25 is surrounded by an anode separator 27. By stacking a plurality of unit cells including the fuel permeation unit 25, the fuel vaporization unit 26, and the electromotive unit 24 via the separator 28, a stack type fuel cell serving as a cell body is configured. An oxidant gas supply groove 29 for flowing an oxidant gas is provided as a continuous groove on the surface of the separator 28 facing the oxidant electrode 21. Reference numeral 30 is an oxidizing gas outlet. Moreover, you may provide the anode production | generation gas discharge port 31. FIG.

なお、単電池を積層してスタックを構成する場合は、セパレーター28、燃料浸透部25、および燃料気化部26は、発生した電子を伝導する集電板としての機能も果たすため、カーボンを含有した多孔質体などの導電性材料により形成される。   In the case where a stack is formed by stacking single cells, the separator 28, the fuel permeation unit 25, and the fuel vaporization unit 26 contain carbon in order to function as a current collector plate that conducts generated electrons. It is formed of a conductive material such as a porous body.

上述したように、図2の単電池におけるセパレーター28は、酸化剤ガスを流すチャンネルとしての機能を併せもつものである。このように、セパレーターとチャンネルとの両方の機能を有する部品(以下、チャンネル兼用セパレーターと称する)を用いることによって、部品点数を削減することができ、よりいっそう燃料電池の小型化を図ることが可能となる。あるいは、このセパレーター28に代えて通常のチャンネルを用いることもできる。   As described above, the separator 28 in the unit cell of FIG. 2 also has a function as a channel through which the oxidizing gas flows. In this way, the number of parts can be reduced by using parts having the functions of both separators and channels (hereinafter referred to as channel separators), and the fuel cell can be further reduced in size. It becomes. Alternatively, a normal channel can be used in place of the separator 28.

液体燃料は、燃料タンクからポンプ、燃料浸透部25等を通じて供給される。したがって、例えば、自然落下法と組み合わせると、燃料タンクの設置場所を自在に設定することができるという利点がある。   Liquid fuel is supplied from a fuel tank through a pump, a fuel infiltration unit 25, and the like. Therefore, for example, when combined with the natural fall method, there is an advantage that the installation location of the fuel tank can be freely set.

また、上述したような燃料タンクは電池本体から着脱可能とすることができる。これによって、燃料タンクを交換することで、電池の作動を継続して長時間行なうことが可能となる。また、燃料タンクから燃料浸透部25への液体燃料の供給は、上述したような自然落下やタンク内の内圧等で液体燃料を押し出すような構成、あるいは、燃料浸透部25の毛管力によって燃料を引き出すような構成とすることもできる。   The fuel tank as described above can be detachable from the battery body. Thereby, it becomes possible to continue the operation of the battery for a long time by exchanging the fuel tank. In addition, the liquid fuel is supplied from the fuel tank to the fuel permeation unit 25 by a configuration in which the liquid fuel is pushed out by the natural fall or the internal pressure in the tank as described above, or by the capillary force of the fuel permeation unit 25. It can also be configured to be pulled out.

燃料浸透部25の形態は、液体燃料をその内部に保持し、気化した燃料のみを燃料気化部26を通して燃料極23に供給するような機能を有していれば特に限定されるものではない。例えば、液体燃料の通路を有して、その燃料気化部26との界面に気液分離膜を具備するものとすることができる。   The form of the fuel permeation unit 25 is not particularly limited as long as it has a function of holding the liquid fuel therein and supplying only the vaporized fuel to the fuel electrode 23 through the fuel vaporization unit 26. For example, a liquid fuel passage may be provided, and a gas-liquid separation membrane may be provided at the interface with the fuel vaporization unit 26.

補機を用いずに毛管力により燃料浸透部25に液体燃料を供給する場合には、燃料浸透部25の形態は、液体燃料を毛管力で浸透し得るものであれば特に限定されるものではない。例えば、粒子やフィラーからなる多孔質体や、抄紙法で製造した不織布、繊維を織った織布等を用いることができる。さらに、ガラスやプラスチック等の板との間に形成された狭い隙間等も用いてもよい。   In the case where liquid fuel is supplied to the fuel permeation unit 25 by capillary force without using an auxiliary machine, the form of the fuel permeation unit 25 is not particularly limited as long as the liquid fuel can be permeated by capillary force. Absent. For example, a porous body composed of particles and fillers, a non-woven fabric produced by a papermaking method, a woven fabric woven with fibers, and the like can be used. Furthermore, a narrow gap formed between a plate made of glass or plastic may be used.

ここで、燃料浸透部25として多孔質体を用いた場合について説明する。液体燃料を燃料浸透部25側に引き込むための毛管力としては、まず燃料浸透部25を構成する多孔質体自体の毛管力が挙げられる。このような毛管力を利用する場合、多孔質体である燃料浸透部25の孔を連結させた、いわゆる連続孔とし、その孔径を制御するとともに、液体燃料導入入り口の燃料浸透部25側面から、少なくとも他の一面まで連続した連続孔とすることによって、液体燃料を横方向で円滑に毛管力により供給することが可能となる。   Here, the case where a porous body is used as the fuel permeation portion 25 will be described. As the capillary force for drawing the liquid fuel to the fuel permeation unit 25 side, first, the capillary force of the porous body itself constituting the fuel permeation unit 25 is mentioned. When utilizing such a capillary force, it is a so-called continuous hole in which the holes of the fuel permeation part 25, which is a porous body, are connected, the hole diameter is controlled, and from the side of the fuel permeation part 25 at the liquid fuel inlet, By making the continuous hole continuous to at least one other surface, it becomes possible to supply the liquid fuel smoothly by capillary force in the lateral direction.

燃料浸透部25として用いられる多孔質体の孔径等は、液体燃料を引き込むことができるものであればよく、特に限定されるものではない。燃料浸透部25の毛管力を考慮したうえで、孔径は0.01〜150μm程度とすることが好ましい。孔径が0.01μmより小さい場合には燃料浸透部25の製造が困難となり、一方、150μmを越えると毛管力が低下するおそれがある。ここで多孔質体の孔径は、細孔分布の最大ピーク値をいう。多孔質体の孔径は水銀圧入法により測定することができる。   The pore diameter and the like of the porous body used as the fuel permeation section 25 are not particularly limited as long as the liquid fuel can be drawn in. In consideration of the capillary force of the fuel penetration part 25, the pore diameter is preferably about 0.01 to 150 μm. When the pore diameter is smaller than 0.01 μm, it is difficult to manufacture the fuel permeation portion 25, while when it exceeds 150 μm, the capillary force may be reduced. Here, the pore diameter of the porous body refers to the maximum peak value of the pore distribution. The pore diameter of the porous body can be measured by a mercury intrusion method.

多孔質体における孔の連続性の指標となる孔の体積は、20〜90vol%程度とすることが好ましい。孔の体積が20vol%未満となると連続孔の量が減少して閉鎖された孔が増えるため、十分な毛管力を得ることが困難になる。その一方、孔の体積が90vol%を越えると連続孔の量は増加するものの、強度的に弱くなるとともに製造が困難となる。
実用的には、燃料浸透部25を構成する多孔質体は、孔径が0.5〜100μmの範囲であることが好ましく、孔の体積は30〜75%の範囲とすることが望ましい。
It is preferable that the pore volume serving as an index of pore continuity in the porous body is about 20 to 90 vol%. When the pore volume is less than 20 vol%, the amount of continuous pores decreases and the number of closed pores increases, making it difficult to obtain sufficient capillary force. On the other hand, when the volume of the pores exceeds 90 vol%, the amount of continuous pores increases, but the strength becomes weak and the manufacture becomes difficult.
Practically, the porous body constituting the fuel penetration part 25 preferably has a pore diameter in the range of 0.5 to 100 μm, and the pore volume is preferably in the range of 30 to 75%.

図2においては、発電要素として単一の組み立て体である単セルだけを表わしているが、本実施の形態においては、この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/または並列接続して実装燃料電池とすることもできる。セル同士の接続方法は、平面接続方式など、公知の方法を採用することができる。   In FIG. 2, only a single cell which is a single assembly is shown as a power generation element. However, in this embodiment, this single cell may be used as it is, or a plurality of cells may be connected in series and / or Or it can also be connected in parallel and it can also be set as a mounted fuel cell. As a method for connecting the cells, a known method such as a plane connection method can be employed.

このような燃料電池は、室温からでも電池反応が生じるが、50〜100℃の高い温度で作動させた場合には、電極の触媒活性が高められて電極過電圧が減少するため望ましい。また、電解質膜を形成するプロトン導電性高分子電解質は、水分が存在しない条件ではプロトン伝導能を発揮しないため、水分管理が可能な温度で作動させる必要がある。これらを考慮すると、燃料電池の作動温度の好ましい範囲は、室温〜100℃である。   Such a fuel cell undergoes a cell reaction even from room temperature. However, when operated at a high temperature of 50 to 100 ° C., it is desirable because the catalytic activity of the electrode is enhanced and the electrode overvoltage is reduced. In addition, the proton conductive polymer electrolyte that forms the electrolyte membrane does not exhibit proton conductivity in the absence of moisture, and therefore needs to be operated at a temperature at which moisture management is possible. Considering these, the preferable range of the operating temperature of the fuel cell is room temperature to 100 ° C.

以下、具体的ではあるが限定的ではない実施例を示して、本発明をさらに詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific but non-limiting examples.

(実施例1)
まず、プロトン伝導性無機酸化物を合成した。酸化物粒子として1.5gの酸化バナジウム(V25)をアンモニア水100mLに溶解して、溶液を調製した。蒸留水500mlに、酸化物担体として13gの酸化チタン(TiO2)を分散させ、先に調製した酸化バナジウムを含む溶液と混合した。得られた混合溶液に4.4gの酸化ケイ素(SiO2)粒子を分散させ、混合溶液を常に撹拌しながら80℃まで加熱した。酸化ケイ素粒子の平均粒径は、6nm程度である。100ml/時の蒸発速度で水を除去した後、100℃の乾燥器内で12時間保持して粉末を得た。
Example 1
First, a proton conductive inorganic oxide was synthesized. As oxide particles, 1.5 g of vanadium oxide (V 2 O 5 ) was dissolved in 100 mL of ammonia water to prepare a solution. In 500 ml of distilled water, 13 g of titanium oxide (TiO 2 ) was dispersed as an oxide carrier and mixed with the previously prepared solution containing vanadium oxide. 4.4 g of silicon oxide (SiO 2 ) particles were dispersed in the obtained mixed solution, and the mixed solution was heated to 80 ° C. with constant stirring. The average particle diameter of the silicon oxide particles is about 6 nm. After removing water at an evaporation rate of 100 ml / hour, the mixture was kept in a dryer at 100 ° C. for 12 hours to obtain a powder.

この粉末をメノウ乳鉢で粉砕した後、アルミナ坩堝に収容し、昇温速度100℃/時で500℃まで加熱した。さらに、500℃で4時間保持して、酸化ケイ素粒子が担持されたプロトン伝導性無機酸化物が得られた。上述の通り、第1の元素M1および第2の元素M2は、それぞれチタンおよびバナジウムである。   The powder was pulverized in an agate mortar, then housed in an alumina crucible, and heated to 500 ° C. at a temperature increase rate of 100 ° C./hour. Furthermore, by maintaining at 500 ° C. for 4 hours, a proton conductive inorganic oxide carrying silicon oxide particles was obtained. As described above, the first element M1 and the second element M2 are titanium and vanadium, respectively.

この酸化ケイ素粒子が担持されたプロトン伝導性無機酸化物について、X線回折測定を行なった。観測された回折ピークは全て、酸化チタンに帰属されるものであり、酸化バナジウムおよび酸化ケイ素は非晶質構造を有することが確認された。   X-ray diffraction measurement was performed on the proton conductive inorganic oxide carrying the silicon oxide particles. All of the observed diffraction peaks are attributed to titanium oxide, and it was confirmed that vanadium oxide and silicon oxide have an amorphous structure.

プロトン伝導性無機酸化物における原子比(M2/M1)は、誘導結合プラズマ発光分光分析法(ICP−AES)により求めた。比表面積はBET法により測定し、固体酸性度は、酸性指示薬またはアンモニア昇温脱理(TPD)法により求めた。得られた結果を、下記表1にまとめる。   The atomic ratio (M2 / M1) in the proton conductive inorganic oxide was determined by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP-AES). The specific surface area was measured by the BET method, and the solid acidity was determined by an acid indicator or ammonia temperature programmed desorption (TPD) method. The results obtained are summarized in Table 1 below.

得られたプロトン伝導性無機酸化物を用いて、電解質膜を作製した。0.50gのプロトン伝導性無機酸化物に、市販の20%nafion溶液(商標、Du pont社製)10.0gを加えた。さらに、イオン交換水2.0gおよび1−メトキシ−2−プロパノール2.0gを加え、ペイントシェカーにより2時間分散した。その後、分散液を脱泡機(練り太郎(商標):シンキー社製)で2分間脱泡して、溶液を調製した。   An electrolyte membrane was produced using the obtained proton conductive inorganic oxide. To 0.50 g of the proton conductive inorganic oxide, 10.0 g of a commercially available 20% nafion solution (trademark, manufactured by Du Pont) was added. Furthermore, 2.0 g of ion-exchanged water and 2.0 g of 1-methoxy-2-propanol were added and dispersed for 2 hours with a paint shaker. Thereafter, the dispersion was defoamed for 2 minutes with a defoaming machine (Kuritaro (trademark): manufactured by Sinky Corporation) to prepare a solution.

ガラス板上にポリプロピレンフィルムを貼り付けた後、調製された分散溶液を塗布した。室温で12時間乾燥した後、140℃で30分乾燥して、膜厚80μmの電解質膜が得られた。   After pasting a polypropylene film on a glass plate, the prepared dispersion solution was applied. After drying at room temperature for 12 hours, it was dried at 140 ° C. for 30 minutes to obtain an electrolyte membrane having a thickness of 80 μm.

得られた電解質膜について、SiO2を含むプロトン伝導性無機酸化物(SA+SiO2)とプロトン伝導性有機高分子バインダー(P)との重量比(WSA+SiO2/WP)、および酸化ケイ素粒子(SiO2)とプロトン伝導性無機酸化物(SA)の重量比(WSiO2/WSA)を求め、下記表2にまとめる。なお、WPは、使用したプロトン伝導性有機高分子バインダー溶液とそのポリマー含有量(wt%)とから求められる。 The obtained electrolyte membrane, the proton conductive inorganic oxide containing SiO 2 (SA + SiO 2) and the weight ratio of the proton-conductive organic polymer binder (P) (W SA + SiO2 / W P), and silicon oxide particles The weight ratio (W SiO2 / W SA ) between (SiO 2 ) and proton conductive inorganic oxide ( SA ) is determined and summarized in Table 2 below. Incidentally, W P is determined from the proton conductive organic polymer binder solution used as the polymer content and (wt%).

この電解質膜を1M硫酸水溶液で1時間還流した後、イオン交換水でよく洗浄した。さらに、イオン交換水中でさらに1時間還流し、イオン交換水で洗浄した。洗浄は、洗浄水のpHが中性になるまで繰り返した。洗浄後の電解質膜は、使用するまでイオン交換水中に保存した。   The electrolyte membrane was refluxed with a 1M aqueous sulfuric acid solution for 1 hour, and then thoroughly washed with ion exchange water. Further, the mixture was further refluxed in ion exchange water for 1 hour and washed with ion exchange water. Washing was repeated until the pH of the wash water became neutral. The electrolyte membrane after washing was stored in ion-exchanged water until use.

(実施例2)
1.5gの酸化バナジウムV25を2.4gの酸化モリブデンMoO3に変更し、酸化ケイ素の配合量を4.6gに変更し、焼成温度を600℃に変更した以外は実施例1と同様の手法により、酸化ケイ素が担持されたプロトン伝導性無機酸化物を得た。第1の元素および第2の元素は、それぞれチタンおよびモリブデンである。
(Example 2)
Example 1 except that 1.5 g of vanadium oxide V 2 O 5 was changed to 2.4 g of molybdenum oxide MoO 3 , the compounding amount of silicon oxide was changed to 4.6 g, and the firing temperature was changed to 600 ° C. A proton conductive inorganic oxide carrying silicon oxide was obtained by the same method. The first element and the second element are titanium and molybdenum, respectively.

得られたプロトン伝導性無機酸化物を用いた以外は実施例1と同様にして、電解質膜を作製した。   An electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 1 except that the obtained proton conductive inorganic oxide was used.

(実施例3)
1.5gの酸化バナジウムV25を4.0gの酸化タングステンWO3に変更し、酸化ケイ素の配合量を5.1gに変更し、焼成温度を700℃に変更した以外は実施例1と同様の手法により、酸化ケイ素が担持されたプロトン伝導性無機酸化物を得た。第1の元素および第2の元素は、それぞれチタンおよびタングステンである。
(Example 3)
Example 1 except that 1.5 g of vanadium oxide V 2 O 5 was changed to 4.0 g of tungsten oxide WO 3 , the amount of silicon oxide was changed to 5.1 g, and the firing temperature was changed to 700 ° C. A proton conductive inorganic oxide carrying silicon oxide was obtained by the same method. The first element and the second element are titanium and tungsten, respectively.

得られたプロトン伝導性無機酸化物を用いた以外は実施例1と同様にして、電解質膜を作製した。   An electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 1 except that the obtained proton conductive inorganic oxide was used.

(実施例4)
13gの酸化チタンTiO2を20gの酸化ジルコニウムZrO2に変更し、酸化ケイ素の配合量を6.5gに変更した以外は実施例1と同様の手法により、酸化ケイ素が担持されたプロトン伝導性無機酸化物を得た。第1の元素および第2の元素は、それぞれジルコニウムおよびバナジウムである。
Example 4
Proton-conducting inorganic material supporting silicon oxide in the same manner as in Example 1 except that 13 g of titanium oxide TiO 2 was changed to 20 g of zirconium oxide ZrO 2 and the amount of silicon oxide was changed to 6.5 g. An oxide was obtained. The first element and the second element are zirconium and vanadium, respectively.

得られたプロトン伝導性無機酸化物を用いた以外は実施例1と同様にして、電解質膜を作製した。   An electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 1 except that the obtained proton conductive inorganic oxide was used.

(実施例5)
13gの酸化チタンTiO2を20gの酸化ジルコニウムZrO2に変更し、酸化ケイ素の配合量を6.7gに変更した以外は実施例2と同様の手法により、酸化ケイ素が担持されたプロトン伝導性無機酸化物を得た。第1の元素および第2の元素は、それぞれジルコニウムおよびモリブデンである。
(Example 5)
Proton-conducting inorganic material supporting silicon oxide in the same manner as in Example 2 except that 13 g of titanium oxide TiO 2 was changed to 20 g of zirconium oxide ZrO 2 and the amount of silicon oxide was changed to 6.7 g. An oxide was obtained. The first element and the second element are zirconium and molybdenum, respectively.

得られたプロトン伝導性無機酸化物を用いた以外は実施例1と同様にして、電解質膜を作製した。   An electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 1 except that the obtained proton conductive inorganic oxide was used.

(実施例6)
13gの酸化チタンTiO2を20gの酸化ジルコニウムZrO2に変更し、酸化ケイ素の配合量を7.2gに変更した以外は実施例3と同様の手法により、酸化ケイ素が担持されたプロトン伝導性無機酸化物を得た。第1の元素および第2の元素は、それぞれジルコニウムおよびタングステンである。
(Example 6)
Proton-conducting inorganic material supporting silicon oxide in the same manner as in Example 3 except that 13 g of titanium oxide TiO 2 was changed to 20 g of zirconium oxide ZrO 2 and the amount of silicon oxide was changed to 7.2 g. An oxide was obtained. The first element and the second element are zirconium and tungsten, respectively.

得られたプロトン伝導性無機酸化物を用いた以外は実施例1と同様にして、電解質膜を作製した。   An electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 1 except that the obtained proton conductive inorganic oxide was used.

(実施例7)
13gの酸化チタンTiO2を25gの酸化スズSnO2に変更し、酸化ケイ素の配合量を7.2gに変更した以外は実施例3と同様の手法により、酸化ケイ素が担持されたプロトン伝導性無機酸化物を得た。第1の元素および第2の元素は、それぞれスズおよびバナジウムである。
(Example 7)
Proton-conducting inorganic material supporting silicon oxide in the same manner as in Example 3 except that 13 g of titanium oxide TiO 2 was changed to 25 g of tin oxide SnO 2 and the compounding amount of silicon oxide was changed to 7.2 g. An oxide was obtained. The first element and the second element are tin and vanadium, respectively.

得られたプロトン伝導性無機酸化物を用いた以外は実施例1と同様にして、電解質膜を作製した。   An electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 1 except that the obtained proton conductive inorganic oxide was used.

(実施例8)
13gの酸化チタンTiO2を25gの酸化スズSnO2に変更し、酸化ケイ素の配合量を8.2gに変更した以外は実施例2と同様の手法により、酸化ケイ素が担持されたプロトン伝導性無機酸化物を得た。第1の元素および第2の元素は、それぞれスズおよびモリブデンである。
(Example 8)
Proton-conducting inorganic material supporting silicon oxide in the same manner as in Example 2 except that 13 g of titanium oxide TiO 2 was changed to 25 g of tin oxide SnO 2 and the amount of silicon oxide was changed to 8.2 g. An oxide was obtained. The first element and the second element are tin and molybdenum, respectively.

得られたプロトン伝導性無機酸化物を用いた以外は実施例1と同様にして、電解質膜を作製した。   An electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 1 except that the obtained proton conductive inorganic oxide was used.

(実施例9)
13gの酸化チタンTiO2を25gの酸化スズSnO2に変更し、酸化ケイ素の配合量を8.7gに変更した以外は実施例3と同様の手法により、酸化ケイ素が担持されたプロトン伝導性無機酸化物を得た。第1の元素および第2の元素は、それぞれスズおよびタングステンである。
Example 9
Proton-conducting inorganic material supporting silicon oxide in the same manner as in Example 3 except that 13 g of titanium oxide TiO 2 was changed to 25 g of tin oxide SnO 2 and the amount of silicon oxide was changed to 8.7 g. An oxide was obtained. The first element and the second element are tin and tungsten, respectively.

得られたプロトン伝導性無機酸化物を用いた以外は実施例1と同様にして、電解質膜を作製した。   An electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 1 except that the obtained proton conductive inorganic oxide was used.

(実施例10)
プロトン伝導性無機酸化物の配合量を0.2gに変更し、20%nafion溶液10.0gを10%スルホン化PEEK溶液(イオン交換容量1.53)10.0gに変更した以外は実施例3と同様の手法により、電解質膜を作製した。
(Example 10)
Example 3 except that the compounding amount of the proton conductive inorganic oxide was changed to 0.2 g, and 10.0 g of the 20% nafion solution was changed to 10.0 g of the 10% sulfonated PEEK solution (ion exchange capacity 1.53). An electrolyte membrane was prepared by the same method as described above.

(実施例11)
プロトン伝導性無機酸化物の配合量を0.2gに変更し、20%nafion溶液10.0の配合量を9.0gに変更した以外は実施例3と同様の手法により、電解質膜を作製した。
(Example 11)
An electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 3 except that the amount of the proton conductive inorganic oxide was changed to 0.2 g and the amount of the 20% nafion solution 10.0 was changed to 9.0 g. .

(実施例12)
酸化ケイ素が担持されたプロトン伝導性無機酸化物の配合量を0.060gに変更した以外は実施例3と同様の手法により、電解質膜を作製した。
Example 12
An electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 3 except that the blending amount of the proton conductive inorganic oxide carrying silicon oxide was changed to 0.060 g.

(実施例13)
酸化ケイ素が担持されたプロトン伝導性無機酸化物の配合量を0.860gに変更した以外は実施例3と同様の手法により、電解質膜を作製した。
(Example 13)
An electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 3 except that the blending amount of the proton conductive inorganic oxide carrying silicon oxide was changed to 0.860 g.

(実施例14)
プロトン伝導性無機酸化物における原子比(M2/M1)を0.05に変更した以外は実施例3と同様の手法により、電解質膜を作製した。
(Example 14)
An electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 3 except that the atomic ratio (M2 / M1) in the proton conductive inorganic oxide was changed to 0.05.

(実施例15)
プロトン伝導性無機酸化物における原子比(M2/M1)を0.10に変更した以外は実施例3と同様の手法により、電解質膜を作製した。
(Example 15)
An electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 3 except that the atomic ratio (M2 / M1) in the proton conductive inorganic oxide was changed to 0.10.

(実施例16)
プロトン伝導性無機酸化物における原子比(M2/M1)を0.50に変更した以外は実施例3と同様の手法により、電解質膜を作製した。
(Example 16)
An electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 3 except that the atomic ratio (M2 / M1) in the proton conductive inorganic oxide was changed to 0.50.

(実施例17)
プロトン伝導性無機酸化物における原子比(M2/M1)を0.70に変更した以外は施例3と同様の手法により、電解質膜を作製した。
(Example 17)
An electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 3 except that the atomic ratio (M2 / M1) in the proton conductive inorganic oxide was changed to 0.70.

(比較例1)
酸化ケイ素が担持されたプロトン伝導性無機酸化物を、酸化物担体のみのTiO2に変更した以外は、実施例1と同様にした電解質膜を作製した。
(Comparative Example 1)
An electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that the proton conductive inorganic oxide carrying silicon oxide was changed to TiO 2 having only an oxide carrier.

(比較例2)
酸化ケイ素を担持させずにWO3/TiO2のみでプロトン伝導性無機酸化物を構成した以外は実施例1と同様の手法により、電解質膜を作製した。
(Comparative Example 2)
An electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 1 except that the proton conductive inorganic oxide was composed of only WO 3 / TiO 2 without supporting silicon oxide.

(比較例3)
酸化ケイ素が担持されたプロトン伝導性無機酸化物の配合量を0.040gに変更した以外は実施例3と同様の手法により、電解質膜を作製した。
(Comparative Example 3)
An electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 3 except that the blending amount of the proton conductive inorganic oxide carrying silicon oxide was changed to 0.040 g.

(比較例4)
酸化ケイ素が担持されたプロトン伝導性無機酸化物の配合量を1.00gに変更した以外は実施例3と同様の手法により、電解質膜を作製した。
(Comparative Example 4)
An electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 3 except that the blending amount of the proton conductive inorganic oxide supporting silicon oxide was changed to 1.00 g.

(比較例5)
10.0gの20%nafion溶液(商標、Du pont社製)、2.0gのイオン交換水、および2.0gの1−メトキシ−2−プロパノールを、20.0gの10%PVA(ポリビニルアルコール)水溶液と2.0gのエタノールとの混合物に変更した以外は、実施例3と同様にして電解質膜を作製した。
(Comparative Example 5)
10.0 g of 20% nafion solution (trademark, manufactured by Du Pont), 2.0 g of ion-exchanged water, and 2.0 g of 1-methoxy-2-propanol were mixed with 20.0 g of 10% PVA (polyvinyl alcohol). An electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 3 except that the mixture was changed to a mixture of an aqueous solution and 2.0 g of ethanol.

本比較例の電解質膜に含有されるプロトン伝導性ポリマーには、スルホン酸基が含まれていない。   The proton conductive polymer contained in the electrolyte membrane of this comparative example does not contain sulfonic acid groups.

実施例2〜17、および比較例1〜5の電解質膜について、プロトン伝導性無機酸化物における原子比(M2/M1)、比表面積、および固体酸性度を実施例1と同様の手法により求めた。得られた結果を、下記表1にまとめる。   For the electrolyte membranes of Examples 2 to 17 and Comparative Examples 1 to 5, the atomic ratio (M2 / M1), the specific surface area, and the solid acidity in the proton conductive inorganic oxide were determined by the same method as in Example 1. . The results obtained are summarized in Table 1 below.

さらに、実施例2〜17、および比較例1〜5の電解質膜について、酸化ケイ素を含むプロトン伝導性無機酸化物(SA+SiO2)とプロトン伝導性有機高分子バインダー(P)との重量比(WSA+SiO2/WP)、および酸化ケイ素粒子(SiO2)とプロトン伝導性無機酸化物(SA)の重量比(WSiO2/WSA)を求め、下記表2にまとめる。

Figure 2010010033
Further, for the electrolyte membranes of Examples 2 to 17 and Comparative Examples 1 to 5, the weight ratio (W) of the proton conductive inorganic oxide containing silicon oxide (SA + SiO 2 ) and the proton conductive organic polymer binder (P) SA + SiO 2 / W P ), and the weight ratio (W SiO 2 / W SA ) between the silicon oxide particles (SiO 2 ) and the proton conductive inorganic oxide (SA) are summarized in Table 2 below.
Figure 2010010033

Figure 2010010033
Figure 2010010033

実施例1〜17、および比較例1〜5の電解質膜について、メタノール透過度および伝導度を求めた。   For the electrolyte membranes of Examples 1 to 17 and Comparative Examples 1 to 5, methanol permeability and conductivity were determined.

メタノール透過度は、以下の手法により測定した。まず、H型セルを用いて、25℃に保った2つのガラス容器の間を電解質膜で仕切り、一方に純水を収容し、他方には3Mのメタノール水溶液を収容した。   Methanol permeability was measured by the following method. First, an H-type cell was used to partition between two glass containers kept at 25 ° C. with an electrolyte membrane, one side containing pure water and the other containing 3M aqueous methanol solution.

時間が経過すると、純水側にメタノールが浸透してメタノール濃度が上昇する。4分おきにガスクロマトグラフィを用いて濃度を測定し、濃度上昇の傾きから透過度を求める。Nafion 112膜(商標、Dupont社製)の透過度を測定して基準とし。各合成膜のプロトン伝導性は、nafion112の特性値で規格化した値を求めた。Nafion112膜のメタノール透過度は、実測値として3.0μmol/min/cm2である。 When time elapses, methanol permeates the pure water side and the methanol concentration increases. The concentration is measured every 4 minutes using gas chromatography, and the permeability is obtained from the gradient of concentration increase. Measure the permeability of Nafion 112 membrane (trademark, manufactured by Dupont) and use it as a reference. For the proton conductivity of each synthetic membrane, a value normalized by the characteristic value of nafion 112 was obtained. The methanol permeability of the Nafion 112 membrane is 3.0 μmol / min / cm 2 as a measured value.

得られた結果を、下記表3にまとめる。
伝導度は、以下に示す手法により測定する。白金電極を用い硫酸水溶液(1mol/l)中に定電流(0.1A)を流して、H+が電極間を流れるようにする。その電極間に電解質膜を挟みこむと、H+が膜中を流れて電圧降下が起きる。この電位差を膜表面に配置したカロメル電極で測定することによって、抵抗値が求まる。
The results obtained are summarized in Table 3 below.
The conductivity is measured by the following method. A constant current (0.1 A) is passed through a sulfuric acid aqueous solution (1 mol / l) using a platinum electrode so that H + flows between the electrodes. When an electrolyte membrane is sandwiched between the electrodes, H + flows through the membrane, causing a voltage drop. By measuring this potential difference with a calomel electrode arranged on the membrane surface, a resistance value can be obtained.

実際には膜が存在しない状態と存在する状態とを測定し、その差から抵抗値を求めることとする。基準としてNafion 112膜を測定した。基準としてNafion 112膜を測定した。各合成膜のプロトン伝導性は、nafion112の特性値で規格化した値を求めた、得られた結果を、下記表3にまとめる。

Figure 2010010033
Actually, the state where the film is not present and the state where the film is present are measured, and the resistance value is obtained from the difference. A Nafion 112 membrane was measured as a reference. A Nafion 112 membrane was measured as a reference. For the proton conductivity of each synthetic membrane, the values obtained by normalizing with the characteristic values of nafion 112 were obtained. The results obtained are summarized in Table 3 below.
Figure 2010010033

上記表3に示されるように、プロトン導電度とメタノール透過度の両方が大きく変化かし、相対的に膜特性の評価を行なうのが困難である。そこで、合成した電解質膜の相対的なメタノール透過度を明らかにするため、プロトン伝導度で規格化したメタノール透過度(α)を表3に示した。α=(nafion112で規格化したメタノールの透過度)÷(nafion112で規格化したプロトン伝導度)。   As shown in Table 3 above, both proton conductivity and methanol permeability change greatly, making it relatively difficult to evaluate membrane characteristics. Therefore, in order to clarify the relative methanol permeability of the synthesized electrolyte membrane, the methanol permeability (α) normalized by proton conductivity is shown in Table 3. α = (Methanol permeability normalized by nafion 112) ÷ (proton conductivity normalized by nafion 112).

このα値は、プロトン伝導度当たりのメタノール透過度を示す。nafion112でα=1であり、α値が低いほどメタノールの透過が抑えられていることを意味する。表3に示されるように実施例の電解質膜は、いずれもα値が1より小さいことから、プロトン伝導性当たりのメタノール透過度は、nafion112より抑えられていることが確認された。   This α value indicates the methanol permeability per proton conductivity. In the case of nafion 112, α = 1, and the lower the α value, the more the permeation of methanol is suppressed. As shown in Table 3, since the α values of the electrolyte membranes of the examples were smaller than 1, it was confirmed that the methanol permeability per proton conductivity was suppressed from nafion 112.

次に、各電解質膜を用いてMEAを作製した。まず、以下のような手法により、アノード電極およびカソード電極を準備した。
約RuPt42%担持CNF触媒55mgと約RuPt42%担持カーボン(Printex25)とを水に分散させ、10%PTFE分散液で撥水処理されたカーボンペーパー(東レ製、TGP−H−120、3×4cm2)上で吸引ろ過して触媒層を形成した。
Next, MEA was produced using each electrolyte membrane. First, an anode electrode and a cathode electrode were prepared by the following method.
Carbon paper (TGP-H-120, manufactured by Toray Industries, Inc., 3 × 4 cm 2 ) in which 55 mg of about 42% of RuPt supported CNF catalyst and about RuPt42% of supported carbon (Printex25) are dispersed in water and water-repellent treated with 10% PTFE dispersion ) And suction filtered to form a catalyst layer.

乾燥した後、減圧で4%nafion溶液に2分含浸させた後、6%nafion溶液に3分含浸させた。ろ紙上で余分なnafion溶液を吸収させ、室温で乾燥して、アノード電極(A−1)とした。得られたアノード電極における触媒量は、PtRu量で換算して約3.6mg/cm2であった.
一方、ジルコニアボール10φ,50g,5φ,25gを入れた50mLの蓋つきポリ容器に約Pt70%担持カーボン(ケッチェン)2.0g,水2.0g,メトキシプロパノール8.0g,20%ナフィオン溶液6.0gの順に混合し、卓上ボールミルで6時間、分散処理をして触媒スラリーとした。
After drying, it was impregnated with a 4% nafion solution for 2 minutes under reduced pressure, and then impregnated with a 6% nafion solution for 3 minutes. The excess nafion solution was absorbed on the filter paper and dried at room temperature to obtain an anode electrode (A-1). The amount of catalyst in the obtained anode electrode was about 3.6 mg / cm 2 in terms of the amount of PtRu.
Meanwhile, in a 50 mL plastic container with a lid containing zirconia balls 10φ, 50 g, 5φ, and 25 g, 2.0 g of carbon (Ketjen) carrying about 70% Pt, 2.0 g of water, 8.0 g of methoxypropanol, and 20% Nafion solution. The mixture was mixed in the order of 0 g, and dispersed with a table-top ball mill for 6 hours to obtain a catalyst slurry.

20%PTFE分散液で撥水処理されたカーボンペーパー(東レ製、090、20×10cm2)を準備した。デンカblack(FX−35)1.0gと54%FEP分散液1.0gにイオン交換水8gと2−プロパノール8gを加えた。これをペイントシェーカーで2時間分散して、多孔質層用スラリーを作製した。得られた多孔質層用スラリーを、前述のカーボンペーパーにフラットコーター(約100μmギャップ)で塗布し、窒素雰囲気下、340℃で1時間焼成して多孔質層(MPL)を約30μm形成した。 Carbon paper (manufactured by Toray, 090, 20 × 10 cm 2 ) treated with water repellent treatment with 20% PTFE dispersion was prepared. To 1.0 g of Denka black (FX-35) and 1.0 g of 54% FEP dispersion, 8 g of ion-exchanged water and 8 g of 2-propanol were added. This was dispersed with a paint shaker for 2 hours to prepare a slurry for a porous layer. The obtained slurry for porous layer was applied to the above-mentioned carbon paper with a flat coater (about 100 μm gap), and fired at 340 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere to form a porous layer (MPL) of about 30 μm.

多孔質膜上には、フラットコーター(約400μmギャップ)を用いて触媒スラリーを塗布し、室温で1昼夜乾燥した。これを12cm2に切り出してカソード電極(C−1)とした。得られたカソード電極におけるカソード触媒量は、Pt量で換算して約2.0mg/cm2であった。 On the porous membrane, the catalyst slurry was applied using a flat coater (about 400 μm gap) and dried at room temperature for a whole day and night. This was cut into 12 cm 2 and used as a cathode electrode (C-1). The amount of cathode catalyst in the obtained cathode electrode was about 2.0 mg / cm 2 in terms of Pt amount.

MEAの作製にあたっては、まず、アノードおよびカソードを熱硫酸水溶液(重量比で水/濃硫酸=2/1)で1時間、煮沸処理後、次いで沸騰水で電極を洗浄して硫酸を除去した。次いで、流水で洗浄して得られた両電極で、プロトン化処理を施したNafion112膜を挟持し、ホットプレス条件125C、5分、30kg/cm2で熱圧着してMEAを作製した。 In preparing the MEA, first, the anode and the cathode were boiled with a hot sulfuric acid aqueous solution (water / concentrated sulfuric acid = 2/1 by weight) for 1 hour, and then the sulfuric acid was removed by washing the electrode with boiling water. Next, a Nafion 112 membrane subjected to protonation treatment was sandwiched between the two electrodes obtained by washing with running water, and thermocompression bonded under hot pressing conditions of 125 ° C. for 5 minutes at 30 kg / cm 2 to prepare an MEA.

nafion膜を、実施例1〜17、比較例1〜5の電解質膜に変更した以外は、前述と同様の手法により、MEAを作製した。   An MEA was produced by the same method as described above except that the nafion membrane was changed to the electrolyte membranes of Examples 1 to 17 and Comparative Examples 1 to 5.

各MEAの発電特性を、アクティブ型DMFC燃料電池の単セルを用いて評価した。燃料としては、1Mメタノール水溶液で送液量は、0.8ml/min、空気の送気量は、120ml/minで、セル温度70℃で行なった。その結果を電流密度が150mA/cm2の際の電圧(V)で、下記表4に示した。 The power generation characteristics of each MEA were evaluated using a single cell of an active DMFC fuel cell. As the fuel, a 1M methanol aqueous solution was used, the liquid feeding amount was 0.8 ml / min, the air feeding amount was 120 ml / min, and the cell temperature was 70 ° C. The results are shown in Table 4 below in terms of voltage (V) at a current density of 150 mA / cm 2 .

さらに、各MEAの発電特性を、パッシブ型DMFCの標準セルを用いて評価した。標準セルにおいては、気化された純メタノールがアノードに供給され、自発的に起こる対流を利用してカソードへ空気が供給される。最大発電密度を、下記表4にまとめる。

Figure 2010010033
Furthermore, the power generation characteristics of each MEA were evaluated using a passive DMFC standard cell. In the standard cell, vaporized pure methanol is supplied to the anode, and air is supplied to the cathode using convection that occurs spontaneously. The maximum power generation density is summarized in Table 4 below.
Figure 2010010033

上記表4に示されるように、実施例のMEAをアクティブ型DMFC燃料電池に適用した場合には、最低でも0.385Vの電圧が得られ、最大では0.42Vにも及ぶ電圧が得られる。パッシブ型DMFCに適用した場合には、最高出力は26mW/cm2にも達する。こうした実施例においては、メタノールのクロスオーバーが抑制されたことがわかる。 As shown in Table 4 above, when the MEA of the example is applied to an active DMFC fuel cell, a voltage of 0.385 V is obtained at the minimum and a voltage as high as 0.42 V is obtained. When applied to a passive DMFC, the maximum output reaches 26 mW / cm 2 . It can be seen that in these examples, methanol crossover was suppressed.

これに対し、比較例のMEAの場合には、アクティブ型およびパッシブ型のいずれのDMFCに適用した場合も、メタノールのクロスオーバーを抑制することができず、発電特性が劣っていることが明確に示されている。   On the other hand, in the case of the MEA of the comparative example, when applied to both active type and passive type DMFCs, it is clear that methanol crossover cannot be suppressed and power generation characteristics are inferior. It is shown.

なお、本発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することが可能である。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせによって、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the components without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.

一実施形態にかかる燃料電池の単セルの模式図。The schematic diagram of the single cell of the fuel cell concerning one Embodiment. 他の実施形態にかかる燃料電池の単セルの模式図。The schematic diagram of the single cell of the fuel cell concerning other embodiments.

符号の説明Explanation of symbols

1…酸化剤極; 2…電解質膜; 3…燃料極; 4…シール材; 5…シール材
6…酸化剤流路; 7…酸化剤流路板; 8…燃料流路; 9…燃料流路板
10…集電体; 11…集電体; 12…ヒーター; 13…ヒーター
21…酸化剤極; 22…電解質膜; 23…燃料極; 24…起電部
25…燃料浸透部; 26…燃料気化部; 27…アノードセパレーター
28…セパレーター; 29…酸化剤ガス供給口; 30…酸化剤ガス出口
31…アノード生成ガス排出口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Oxidizer electrode; 2 ... Electrolyte membrane; 3 ... Fuel electrode; 4 ... Sealing material; 5 ... Sealing material 6 ... Oxidant channel; 7 ... Oxidant channel plate; 11 ... Current collector; 11 ... Current collector; 12 ... Heater; 13 ... Heater 21 ... Oxidant electrode; 22 ... Electrolyte membrane; 23 ... Fuel electrode; 24 ... Electromotive part 25 ... Fuel penetration part; 27 ... Anode separator 28 ... Separator; 29 ... Oxidant gas supply port; 30 ... Oxidant gas outlet 31 ... Anode product gas outlet

Claims (5)

プロトン伝導性ポリマーとプロトン伝導性無機酸化物とを具備するプロトン伝導性膜であって、
前記プロトン伝導性ポリマーは、スルホン酸基を有し、重量Wpで配合され、
前記プロトン伝導性無機酸化物は、表面に担持された酸化ケイ素を有し、重量WSA+SiO2で配合され、
重量比(WSA+SiO2/WP)は0.03以上0.43以下の範囲内であることを特徴とするプロトン伝導性膜。
A proton conducting membrane comprising a proton conducting polymer and a proton conducting inorganic oxide,
The proton conducting polymer has a sulfonic acid group and is blended with a weight W p .
The proton conductive inorganic oxide has silicon oxide supported on the surface, and is blended with a weight W SA + SiO 2 .
A proton conductive membrane characterized in that the weight ratio (W SA + SiO 2 / W P ) is in the range of 0.03 to 0.43.
前記酸化ケイ素は、前記プロトン伝導性無機酸化物の重量の0.1倍以上0.5倍以下の重量で前記プロトン伝導性無機酸化物の表面に担持されることを特徴とする請求項1に記載のプロトン伝導性膜。   The silicon oxide is supported on the surface of the proton conductive inorganic oxide at a weight of 0.1 to 0.5 times the weight of the proton conductive inorganic oxide. The proton conductive membrane as described. 前記プロトン伝導性無機酸化物は、Ti、ZrおよびSnからなる群から選択される少なくとも一種の第1の元素(M1)を含む酸化物担体と、前記酸化物担体の表面に担持されたW、MoおよびVから群から選択される少なくても一種の第2の元素(M2)を含む酸化物粒子とを有し、前記第2の元素と前記第1の元素との原子比(M2の原子数/M1の原子数)は0.0001以上1以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のプロトン伝導性膜。   The proton conductive inorganic oxide includes an oxide support containing at least one first element (M1) selected from the group consisting of Ti, Zr and Sn, and W supported on the surface of the oxide support, An oxide particle containing at least one second element (M2) selected from the group consisting of Mo and V, and an atomic ratio of the second element to the first element (atom of M2 3. The proton conductive membrane according to claim 1, wherein the number / number of atoms of M1 is 0.0001 or more and 1 or less. 燃料極、酸化剤極、および前記燃料極と前記酸化剤極との間に配置された電解質膜を具備する膜電極複合体であって、
前記電解質膜は、請求項1乃至3のいずれか1項に記載のプロトン伝導性膜を含むことを特徴とする膜電極複合体。
A membrane electrode assembly comprising a fuel electrode, an oxidant electrode, and an electrolyte membrane disposed between the fuel electrode and the oxidant electrode,
The membrane electrode assembly, wherein the electrolyte membrane includes the proton conductive membrane according to any one of claims 1 to 3.
請求項4に記載の膜電極複合体を具備することを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 4.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2013518365A (en) * 2010-01-25 2013-05-20 ラモット アット テル−アヴィヴ ユニヴァーシテイ リミテッド Method for producing a proton conducting membrane

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