JP2010113841A - Fuel cell - Google Patents

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亨 小林
Yasuo Takagi
靖雄 高木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell for suppressing discharging of toxic substance. <P>SOLUTION: The fuel cell includes a negative electrode for oxidizing fuel, a positive electrode for reducing oxygen, and an electrolyte film arranged between the negative electrode and the positive electrode. The positive electrode includes a catalyst layer contacting to the electrolyte film, and a gas diffusion layer arranged on the side opposite to the electrolyte of the catalyst layer. An addition layer arranged in the gas diffusion layer or on the side opposite to the catalyst layer of the gas diffusion layer contains oxidation catalyst which promotes combustion of a substance in the fuel that has not been combusted yet or an incomplete combustion product. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、有害な物質の排出を抑制することができる燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell capable of suppressing emission of harmful substances.

近年、ノート型パソコン、携帯電話、PDA等の携帯電子機器の高機能化に伴い、そのような機器の消費電力が増大しつつある。現在、このような携帯電子機器の電源の主流はリチウムイオン二次電池であるが、そのエネルギー密度を近年の消費電力の増大に追従させることができず、携帯電子機器の高機能化の妨げになっている。   In recent years, with the increase in functionality of portable electronic devices such as notebook computers, mobile phones, and PDAs, the power consumption of such devices is increasing. At present, the power source of such portable electronic devices is the lithium ion secondary battery, but the energy density cannot follow the increase in power consumption in recent years, which hinders the enhancement of the functionality of portable electronic devices. It has become.

リチウムイオン二次電池に代わる携帯電子機器用電源として、固体高分子形燃料電池が注目されている。固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜の両面にガス拡散性の触媒層を配置し、その負極側を燃料ガス(水素等)に、正極側を酸化剤ガス(空気等)に暴露し、高分子電解質膜を介した化学反応により水を合成し、これによって生じる反応エネルギーを電気的に取り出すことを基本原理としている。中でも、常温で液体の燃料を、水素に改質することなく、電極において直接酸化して電気エネルギーを取り出すことができる液体燃料供給型燃料電池は、改質器が不要であるため電源の小型化に有利であり、特に携帯電子機器用電源として最も期待されている。   As a power source for portable electronic devices replacing lithium ion secondary batteries, polymer electrolyte fuel cells have attracted attention. A polymer electrolyte fuel cell has gas diffusive catalyst layers on both sides of a polymer electrolyte membrane, and the negative electrode side is exposed to fuel gas (hydrogen, etc.) and the positive electrode side is exposed to oxidant gas (air, etc.). The basic principle is to synthesize water by a chemical reaction through a polymer electrolyte membrane and to electrically extract the reaction energy generated thereby. Above all, the liquid fuel supply type fuel cell, which can directly oxidize the liquid fuel at room temperature without being reformed to hydrogen and take out the electrical energy, does not need a reformer, so the power supply is downsized. In particular, it is most expected as a power source for portable electronic devices.

ところで、メタノール等の液体燃料を直接供給するタイプの燃料電池においては、放電を行うことにより、負極側では燃料が酸化されて二酸化炭素が生成し、正極側では酸素等の酸化剤が還元されて水が生成する反応が起こり、これらの生成物は燃料電池の排出口から外部に排出される。しかしながら、燃料のすべてが完全に酸化されない場合があり、その場合、排出口から燃料の未燃焼物(未反応燃料)や不完全燃焼生成物(中間生成物)が外部に排出されることになる。この不完全燃焼生成物には有害なホルムアルデヒド、ギ酸、ギ酸メチル、一酸化炭素等が含まれる場合もあり、未反応燃料と共に、それら有害物質の外部への排出を防止する必要がある。   By the way, in a fuel cell that directly supplies liquid fuel such as methanol, by performing discharge, the fuel is oxidized on the negative electrode side to generate carbon dioxide, and the oxidant such as oxygen is reduced on the positive electrode side. A reaction for generating water occurs, and these products are discharged to the outside from the discharge port of the fuel cell. However, in some cases, not all of the fuel is completely oxidized. In this case, unburned fuel (unreacted fuel) and incompletely burned products (intermediate products) are discharged to the outside from the exhaust port. . This incomplete combustion product may contain harmful formaldehyde, formic acid, methyl formate, carbon monoxide, etc., and it is necessary to prevent the emission of these harmful substances together with unreacted fuel.

このような有害物質が外部に排出されるのを防止する方法として、燃料電池の排出口に、中間生成物を物理的に吸着する活性炭やゼオライト等の吸着性材料を配置する方法や、中間生成物の酸化を促進する貴金属系触媒、光化学触媒、金属酸化物等の触媒を配置する方法が知られている(特許文献1、2)。また、中間生成物の外部への排出を抑制するため、中間生成物を吸収する含窒素化合物を含有するフィルタで燃料電池の有害物質排出口を覆う構成(特許文献3)や、正極において生成した水に溶解した中間生成物の外部への排出を抑制するため、含窒素化合物と吸水性材料を含む吸収部を設ける構成(特許文献4)が知られている。   As a method to prevent such harmful substances from being discharged to the outside, a method of arranging an adsorbent material such as activated carbon or zeolite that physically adsorbs the intermediate product at the outlet of the fuel cell, There is known a method of arranging a catalyst such as a precious metal catalyst, a photochemical catalyst, or a metal oxide that promotes oxidation of a product (Patent Documents 1 and 2). Moreover, in order to suppress the discharge | release of the intermediate product to the exterior, the structure (patent document 3) which covers the harmful substance discharge port of a fuel cell with the filter containing the nitrogen-containing compound which absorbs an intermediate product, and produced | generated in the positive electrode In order to suppress discharge of an intermediate product dissolved in water to the outside, a configuration (Patent Document 4) is known in which an absorption part including a nitrogen-containing compound and a water-absorbing material is provided.

特開2003−223920号公報JP 2003-223920 A 特開2003−346862号公報JP 2003-346862 A 特開2006−261053号公報JP 2006-261053 A 特開2007−213982号公報JP 2007-213982 A

しかしながら、上記従来の方法には、有害物質の生成量に対して吸着・吸収速度や酸化効率が十分ではなく、燃料電池の作動に必要な空気の流動を阻害し、さらには燃料電池の小型化を妨げるという問題がある。
したがって、本発明の目的は、上述の問題を軽減しつつ、有害物質の排出を抑制することができる燃料電池を提供することにある。
However, the above-mentioned conventional method does not have sufficient adsorption / absorption rate and oxidation efficiency with respect to the amount of harmful substances produced, impedes the air flow necessary for the operation of the fuel cell, and further reduces the size of the fuel cell. There is a problem of preventing.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell capable of suppressing the discharge of harmful substances while reducing the above-mentioned problems.

本発明によると、
(1)燃料を酸化する負極と、酸素を還元する正極と、該負極と該正極の間に配置された電解質膜とを含んでなる燃料電池であって、該正極は、該電解質膜に接する触媒層と、該触媒層の該電解質とは反対側に配置されたガス拡散層とを含み、該ガス拡散層または該ガス拡散層の該触媒層とは反対側に配置された追加層に、該燃料の未燃焼物または不完全燃焼生成物の燃焼を促進する酸化触媒を含有させたことを特徴とする燃料電池;
(2)該酸化触媒とバインダーを含有するインクまたはペーストを該ガス拡散層に含浸または塗布することにより、該酸化触媒を含有する該追加層を形成させた、(1)に記載の燃料電池;
(3)該酸化触媒と非イオン伝導性バインダーを含有するインクまたはペーストを該ガス拡散層の全体に含浸することにより、該ガス拡散層に該酸化触媒を含有させた、(1)に記載の燃料電池;
(4)該酸化触媒を該ガス拡散層の内部に吸着させることにより、該ガス拡散層に該酸化触媒を含有させた、(1)に記載の燃料電池;
(5)該酸化触媒が、金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウムおよびオスミウムからなる群より選ばれた少なくとも1種の貴金属または該貴金属を含む合金を含む、(1)〜(4)のいずれか1項に記載の燃料電池;
(6)該燃料が、メタノール、エタノール、ジメチルエーテルおよびギ酸からなる群より選ばれた少なくとも1種の液体燃料である、(1)〜(5)のいずれか1項に記載の燃料電池;
(7)該不完全燃焼生成物が、ホルムアルデヒド、ギ酸、ギ酸メチルおよび一酸化炭素からなる群より選ばれた化合物である、(1)〜(6)のいずれか1項に記載の燃料電池;
(8)該触媒層と該ガス拡散層との間にマイクロ多孔質層を含む、(1)〜(7)のいずれか1項に記載の燃料電池;
(9)該電解質膜が高分子電解質膜である、(1)〜(8)のいずれか1項に記載の燃料電池;
(10)燃料電池の正極に用いるガス拡散層であって、当該燃料の未燃焼物または不完全燃焼生成物の燃焼を促進する酸化触媒とバインダーを含有するインクまたはペーストをガス拡散層に含浸または塗布することにより形成された追加層を担持してなるガス拡散層;
(11)燃料電池の正極に用いるガス拡散層であって、当該燃料の未燃焼物または不完全燃焼生成物の燃焼を促進する酸化触媒と非イオン伝導性バインダーを含有するインクまたはペーストをガス拡散層の全体に含浸または塗布することにより得られたガス拡散層;ならびに
(12)燃料電池の正極に用いるガス拡散層であって、当該燃料の未燃焼物または不完全燃焼生成物の燃焼を促進する酸化触媒をガス拡散層の内部に吸着させることにより得られたガス拡散層
が提供される。
According to the present invention,
(1) A fuel cell comprising a negative electrode for oxidizing fuel, a positive electrode for reducing oxygen, and an electrolyte membrane disposed between the negative electrode and the positive electrode, the positive electrode being in contact with the electrolyte membrane A catalyst layer and a gas diffusion layer disposed on the opposite side of the catalyst layer from the electrolyte, the gas diffusion layer or an additional layer disposed on the opposite side of the gas diffusion layer from the catalyst layer; A fuel cell comprising an oxidation catalyst that promotes combustion of unburned or incompletely burned products of the fuel;
(2) The fuel cell according to (1), wherein the additional layer containing the oxidation catalyst is formed by impregnating or coating the gas diffusion layer with the ink or paste containing the oxidation catalyst and a binder;
(3) The oxidation catalyst is contained in the gas diffusion layer by impregnating the entire gas diffusion layer with an ink or paste containing the oxidation catalyst and a nonionic conductive binder. Fuel cell;
(4) The fuel cell according to (1), wherein the oxidation catalyst is adsorbed inside the gas diffusion layer, so that the oxidation catalyst is contained in the gas diffusion layer;
(5) The oxidation catalyst includes at least one noble metal selected from the group consisting of gold, silver, platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium and osmium or an alloy containing the noble metal. ) The fuel cell according to any one of
(6) The fuel cell according to any one of (1) to (5), wherein the fuel is at least one liquid fuel selected from the group consisting of methanol, ethanol, dimethyl ether and formic acid;
(7) The fuel cell according to any one of (1) to (6), wherein the incomplete combustion product is a compound selected from the group consisting of formaldehyde, formic acid, methyl formate, and carbon monoxide;
(8) The fuel cell according to any one of (1) to (7), comprising a microporous layer between the catalyst layer and the gas diffusion layer;
(9) The fuel cell according to any one of (1) to (8), wherein the electrolyte membrane is a polymer electrolyte membrane;
(10) A gas diffusion layer used for a positive electrode of a fuel cell, wherein the gas diffusion layer is impregnated with an ink or paste containing an oxidation catalyst and a binder that promotes combustion of unburned or incompletely burned products of the fuel. A gas diffusion layer carrying an additional layer formed by coating;
(11) A gas diffusion layer used for a positive electrode of a fuel cell, which gas diffuses an ink or paste containing an oxidation catalyst that promotes combustion of unburned or incompletely burned products of the fuel and a nonionic conductive binder A gas diffusion layer obtained by impregnating or coating the entire layer; and (12) a gas diffusion layer used for the positive electrode of a fuel cell, which promotes combustion of unburned or incompletely burned products of the fuel. A gas diffusion layer obtained by adsorbing an oxidizing catalyst to be adsorbed inside the gas diffusion layer is provided.

本発明による燃料電池は、ガス拡散層、またはその外側に配置された追加層に、燃料の未燃焼物または不完全燃焼生成物の燃焼を促進する酸化触媒を含有させたことにより、有害物質を効率的に燃焼させてその排出を抑制することができる。また、本発明による燃料電池は、その作動に必要な空気の流動が阻害されることもなく、さらには、外付けの装置を必要としないので小型化が妨げられることもない。   In the fuel cell according to the present invention, the gas diffusion layer, or the additional layer disposed outside the gas diffusion layer, contains an oxidation catalyst that promotes combustion of the unburned product or incomplete combustion product of the fuel. Emission can be suppressed by efficiently burning. Further, the fuel cell according to the present invention does not hinder the flow of air necessary for its operation, and further does not require an external device, so that miniaturization is not hindered.

本発明による燃料電池は、燃料を酸化する負極と、酸素を還元する正極と、該負極と該正極の間に配置された電解質膜とを含んでなる燃料電池であって、該正極は、該電解質膜に接する触媒層と、該触媒層の該電解質とは反対側に配置されたガス拡散層とを含み、該ガス拡散層または該ガス拡散層の該触媒層とは反対側に配置された追加層に、該燃料の未燃焼物または不完全燃焼生成物の燃焼を促進する酸化触媒を含有させたことを特徴とする。   A fuel cell according to the present invention is a fuel cell comprising a negative electrode that oxidizes fuel, a positive electrode that reduces oxygen, and an electrolyte membrane disposed between the negative electrode and the positive electrode. A catalyst layer in contact with the electrolyte membrane; and a gas diffusion layer disposed on the opposite side of the catalyst layer from the electrolyte, the gas diffusion layer or the gas diffusion layer disposed on the opposite side of the catalyst layer. The additional layer contains an oxidation catalyst that promotes combustion of unburned or incompletely burned products of the fuel.

従来型燃料電池の一態様である5層構造タイプの燃料電池の略分解斜視図を図1に示す。5層構造タイプの燃料電池では、2枚のセパレータの間に、触媒層とガス拡散層を含む負極と、別の触媒層とガス拡散層を含む正極と、これら負極と正極の間に配置された電解質膜とが配置される。ここで、メタノール等の液体燃料を直接供給するタイプの燃料電池の場合、放電を行うことにより、理想的には、負極側では燃料が酸化されて二酸化炭素が生成し、正極側では酸素等の酸化剤が還元されて水が生成する反応が起こる。これらの生成物は、セパレータの流路を通り、燃料電池の排出口(図示なし)から外部に排出される。しかしながら、実際には、燃料のすべてが完全に酸化されない場合がある。具体的には、負極側からメタノールや水素等の燃料の一部が電解質膜を透過して正極に達するクロスオーバー現象が起こる場合がある。この場合、透過してきた燃料の少なくとも一部が酸素と反応してホルムアルデヒド、ギ酸、ギ酸メチル、一酸化炭素等の不完全燃焼生成物(中間生成物)が生成し、燃料の未燃焼物(未反応燃料)と共に、セパレータの流路を通って燃料電池の排出口から外部に排出される。このような中間生成物や未反応燃料は有害であるため、それらの外部への排出を防止する必要がある。   FIG. 1 is a schematic exploded perspective view of a five-layer structure type fuel cell which is an embodiment of a conventional fuel cell. In a five-layer structure type fuel cell, a negative electrode including a catalyst layer and a gas diffusion layer, a positive electrode including another catalyst layer and a gas diffusion layer, and a negative electrode and a positive electrode are disposed between two separators. An electrolyte membrane is disposed. Here, in the case of a fuel cell of a type that directly supplies liquid fuel such as methanol, by performing discharge, ideally, the fuel is oxidized on the negative electrode side to generate carbon dioxide, and oxygen or the like is generated on the positive electrode side. A reaction occurs in which the oxidant is reduced to produce water. These products pass through the flow path of the separator and are discharged to the outside from a discharge port (not shown) of the fuel cell. In practice, however, all of the fuel may not be completely oxidized. Specifically, a crossover phenomenon may occur in which a part of fuel such as methanol or hydrogen passes through the electrolyte membrane and reaches the positive electrode from the negative electrode side. In this case, at least a part of the permeated fuel reacts with oxygen to form incomplete combustion products (intermediate products) such as formaldehyde, formic acid, methyl formate, carbon monoxide, etc. Together with the reaction fuel), it is discharged from the outlet of the fuel cell through the flow path of the separator. Since such intermediate products and unreacted fuel are harmful, it is necessary to prevent their emission to the outside.

本発明の一実施態様による燃料電池の略分解斜視図を図2に示す。図1に示した5層構造タイプの従来型燃料電池との相違点は、正極側のセパレータとガス拡散層との間に追加層が配置されていることである。この追加層には、燃料の未燃焼物または不完全燃焼生成物の燃焼を促進する酸化触媒が含まれる。したがって、クロスオーバー現象に起因する未反応燃料や不完全燃焼生成物は、セパレータの流路に入る前に追加層を通過し、その際に酸化触媒の作用により酸化されて水や二酸化炭素になるため、燃料電池の排出口からの有害物質の排出が抑制される。   A schematic exploded perspective view of a fuel cell according to an embodiment of the present invention is shown in FIG. The difference from the conventional fuel cell of the five-layer structure type shown in FIG. 1 is that an additional layer is disposed between the positive electrode separator and the gas diffusion layer. This additional layer includes an oxidation catalyst that promotes combustion of unburned or incompletely burned products of the fuel. Therefore, unreacted fuel and incomplete combustion products resulting from the crossover phenomenon pass through the additional layer before entering the separator flow path, and at that time, are oxidized by the action of the oxidation catalyst to become water and carbon dioxide. Therefore, discharge of harmful substances from the discharge port of the fuel cell is suppressed.

本発明による追加層は、酸化触媒をバインダー中に含有するインクまたはペーストを、ガス拡散層にその片面側から含浸または塗布することにより形成することができる。バインダーとしては、ナフィオン(Nafion(登録商標)デュポン社製)に代表されるイオン交換樹脂を使用することができる。追加層の厚さは、一般に1〜300μm、好ましくは10〜200μm、より好ましくは30〜100μmの範囲内にあることが好適である。図2では、概念の理解を容易にするためにガス拡散層と追加層を分けて示しているが、実際には、含浸または塗布されたインクまたはペーストはガス拡散層内に部分的に浸入し、ガス拡散層の表面に堆積したインクまたはペーストの部分が存在する場合にはその部分を合わせた酸化触媒含有領域の全体を、追加層とみなす。   The additional layer according to the present invention can be formed by impregnating or applying an ink or paste containing an oxidation catalyst in a binder to one side of the gas diffusion layer. As the binder, an ion exchange resin represented by Nafion (manufactured by Nafion (registered trademark) DuPont) can be used. The thickness of the additional layer is generally 1 to 300 μm, preferably 10 to 200 μm, more preferably 30 to 100 μm. In FIG. 2, the gas diffusion layer and the additional layer are shown separately for easy understanding of the concept. However, in practice, the impregnated or applied ink or paste partially penetrates into the gas diffusion layer. When there is a portion of the ink or paste deposited on the surface of the gas diffusion layer, the entire oxidation catalyst-containing region including the portion is regarded as an additional layer.

本発明の別の実施態様による燃料電池の略分解斜視図を図3に示す。図1に示した5層構造タイプの従来型燃料電池との相違点は、正極側のガス拡散層に、燃料の未燃焼物または不完全燃焼生成物の燃焼を促進する酸化触媒が含まれることである。したがって、クロスオーバー現象に起因する未反応燃料や不完全燃焼生成物は、セパレータの流路に入る前にガス拡散層を通過し、その際に酸化触媒の作用により酸化されて水や二酸化炭素になるため、燃料電池の排出口からの有害物質の排出が抑制される。   A schematic exploded perspective view of a fuel cell according to another embodiment of the present invention is shown in FIG. The difference from the five-layer structure type conventional fuel cell shown in FIG. 1 is that the gas diffusion layer on the positive electrode side contains an oxidation catalyst that promotes combustion of unburned or incompletely burned products of fuel. It is. Therefore, unreacted fuel and incomplete combustion products resulting from the crossover phenomenon pass through the gas diffusion layer before entering the separator flow path, and at that time, they are oxidized by the action of the oxidation catalyst to be converted into water and carbon dioxide. Therefore, discharge of harmful substances from the outlet of the fuel cell is suppressed.

本発明による酸化触媒を含有するガス拡散層は、酸化触媒を非イオン伝導性バインダー中に含有するインクまたはペーストを、ガス拡散層の全体に含浸することにより形成することができる。このようにガス拡散層の全体に酸化触媒を配置する場合には、正極の触媒層とのイオン伝導性を断絶するため、非イオン伝導性バインダーを使用する必要がある。このような非イオン伝導性バインダーとしては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等を使用することができる。   The gas diffusion layer containing the oxidation catalyst according to the present invention can be formed by impregnating the entire gas diffusion layer with an ink or paste containing the oxidation catalyst in a nonionic conductive binder. Thus, when an oxidation catalyst is arranged in the entire gas diffusion layer, it is necessary to use a non-ion conductive binder in order to break the ion conductivity with the catalyst layer of the positive electrode. As such a nonionic conductive binder, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinylidene fluoride (PVDF), or the like can be used.

別法として、本発明による酸化触媒を含有するガス拡散層は、酸化触媒をガス拡散層の内部に吸着させることにより形成することもできる。例えば、塩化白金酸等の白金錯体を多孔質ガス拡散層に含浸させ、その後還元処理することによって、白金をガス拡散層の内部表面に析出させることができる。この場合、酸化触媒はガス拡散層の全体に存在してもよいし、その厚さ方向において部分的に存在してもよい。なお、酸化触媒がガス拡散層内に部分的に存在する態様の場合に、その酸化触媒含有領域を上述の追加層と定義することは、表現上の差異であり、可能である。また、本発明による追加層を有し、かつ、ガス拡散層の全体に酸化触媒が存在しているような組み合わせ態様も、本発明の範囲に包含される。   Alternatively, the gas diffusion layer containing the oxidation catalyst according to the present invention can also be formed by adsorbing the oxidation catalyst inside the gas diffusion layer. For example, platinum can be deposited on the inner surface of the gas diffusion layer by impregnating the porous gas diffusion layer with a platinum complex such as chloroplatinic acid and then performing a reduction treatment. In this case, the oxidation catalyst may be present in the entire gas diffusion layer or may be partially present in the thickness direction. In the case where the oxidation catalyst is partially present in the gas diffusion layer, defining the oxidation catalyst-containing region as the above-described additional layer is an expressional difference and is possible. Moreover, the combination aspect which has the additional layer by this invention and an oxidation catalyst exists in the whole gas diffusion layer is also included by the scope of the present invention.

酸化触媒としては、燃料の未燃焼物または不完全燃焼生成物の燃焼を促進することができるいずれの触媒でも使用することができる。本発明では、特に、金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウムおよびオスミウムからなる群より選ばれた少なくとも1種の貴金属または該貴金属を含む合金を好適に用いることができる。当業者であれば、燃焼すべき有害物質の種類に応じて、好適な酸化触媒を選択することができる。酸化触媒の含有量は、追加層中またはガス拡散層中に係わらず、一般には0.01〜5mg/cmの範囲内、好ましくは0.3〜1.5mg/cmの範囲内にある。 As the oxidation catalyst, any catalyst capable of promoting the combustion of unburned or incompletely burned products of fuel can be used. In the present invention, in particular, at least one noble metal selected from the group consisting of gold, silver, platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, and osmium or an alloy containing the noble metal can be preferably used. A person skilled in the art can select a suitable oxidation catalyst according to the type of harmful substance to be combusted. The content of the oxidation catalyst is generally in the range of 0.01 to 5 mg / cm 2 , preferably in the range of 0.3 to 1.5 mg / cm 2 , regardless of whether in the additional layer or in the gas diffusion layer. .

本発明における電解質膜としては、プロトン(H)伝導性が高く、電子絶縁性であり、かつ、ガス不透過性であるものであれば、特に限定はされず、公知の高分子電解質膜であればよい。代表例として、含フッ素高分子を骨格とし、スルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基、ホスホン基等の基を有する樹脂が挙げられる。高分子電解質膜の厚さは、抵抗に大きな影響を及ぼすため、電子絶縁性およびガス不透過性を損なわない限りにおいてより薄いものが求められ、具体的には、1〜200μm、好ましくは5〜140μmの範囲内に設定される。本発明における高分子電解質膜の材料は、全フッ素系高分子化合物に限定はされず、炭化水素系高分子化合物や無機高分子化合物との混合物、または高分子鎖内にC−H結合とC−F結合の両方を含む部分フッ素系高分子化合物であってもよい。炭化水素系高分子電解質の具体例として、スルホン酸基等の電解質基が導入されたポリアミド、ポリアセタール、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル系樹脂、ポリエステル、ポリスルホン、ポリエーテル等、およびこれらの誘導体(脂肪族炭化水素系高分子電解質)、スルホン酸基等の電解質基が導入されたポリスチレン、芳香環を有するポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリスルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート等、およびこれらの誘導体(部分芳香族炭化水素系高分子電解質)、スルホン酸基等の電解質基が導入されたポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエステル、ポリフェニレンスルフィド等、およびこれらの誘導体(全芳香族炭化水素系高分子電解質)等が挙げられる。部分フッ素系高分子電解質の具体例としては、スルホン酸基等の電解質基が導入されたポリスチレン−グラフト−エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、ポリスチレン−グラフト−ポリテトラフルオロエチレン等、およびこれらの誘導体が挙げられる。全フッ素系高分子電解質膜の具体例としては、側鎖にスルホン酸基を有するパーフルオロポリマーであるナフィオン(登録商標)膜(デュポン社製)、アシプレックス(登録商標)膜(旭化成社製)およびフレミオン(登録商標)膜(旭硝子社製)が挙げられる。また、無機高分子化合物としては、シロキサン系またはシラン系の、特にアルキルシロキサン系の有機珪素高分子化合物が好適であり、具体例としてポリジメチルシロキサン、γ‐グリシドキシプロピルトリメトキシシラン等が挙げられる。 The electrolyte membrane in the present invention is not particularly limited as long as it has high proton (H + ) conductivity, electronic insulation, and gas impermeability, and is a known polymer electrolyte membrane. I just need it. A typical example is a resin having a fluorine-containing polymer as a skeleton and a group such as a sulfonic acid group, a carboxyl group, a phosphoric acid group, or a phosphonic group. Since the thickness of the polymer electrolyte membrane has a great influence on the resistance, a thinner one is required as long as the electronic insulation and gas impermeability are not impaired. Specifically, the thickness is 1 to 200 μm, preferably 5 to 5 μm. It is set within the range of 140 μm. The material of the polymer electrolyte membrane in the present invention is not limited to a perfluorinated polymer compound, but a mixture of a hydrocarbon polymer compound or an inorganic polymer compound, or a C—H bond and C in a polymer chain. It may be a partially fluorinated polymer compound containing both -F bonds. Specific examples of hydrocarbon polymer electrolytes include polyamides, polyacetals, polyethylenes, polypropylenes, acrylic resins, polyesters, polysulfones, polyethers, etc., and derivatives thereof (aliphatic carbonization) into which electrolyte groups such as sulfonic acid groups have been introduced. Hydrogen-based polymer electrolytes), polystyrene having electrolyte groups such as sulfonic acid groups, polyamides having aromatic rings, polyamideimides, polyimides, polyesters, polysulfones, polyetherimides, polyethersulfones, polycarbonates, and derivatives thereof (Partial aromatic hydrocarbon polymer electrolyte), polyetheretherketone, polyetherketone, polyethersulfone, polycarbonate, polyamide, polyamideimide, polyester into which electrolyte groups such as sulfonic acid groups are introduced Polyphenylene sulfide and the like, and derivatives thereof (fully aromatic hydrocarbon-based polymer electrolyte), and the like. Specific examples of the partially fluorinated polymer electrolyte include polystyrene-graft-ethylenetetrafluoroethylene copolymer, polystyrene-graft-polytetrafluoroethylene, etc., into which an electrolyte group such as a sulfonic acid group has been introduced, and derivatives thereof. Can be mentioned. Specific examples of the perfluorinated polymer electrolyte membrane include Nafion (registered trademark) membrane (manufactured by DuPont) and Aciplex (registered trademark) membrane (manufactured by Asahi Kasei), which are perfluoropolymers having a sulfonic acid group in the side chain. And Flemion (registered trademark) membrane (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). As the inorganic polymer compound, a siloxane-based or silane-based, particularly alkylsiloxane-based organosilicon polymer compound is suitable, and specific examples include polydimethylsiloxane, γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane, and the like. It is done.

本発明による負極および正極は、一般に、ガス拡散層と、上記電解質膜に接する触媒層とを含む。触媒層は、触媒粒子とイオン交換樹脂を含むものであれば特に限定はされず、従来公知のものを使用することができる。触媒は、通常、触媒粒子を担持した導電材からなる。触媒粒子としては、水素の酸化反応あるいは酸素の還元反応に触媒作用を有するものであればよく、白金(Pt)その他の貴金属のほか、鉄、クロム、ニッケル等、およびこれらの合金を用いることができる。導電材としては炭素系粒子、例えばカーボンブラック、活性炭、黒鉛等が好適であり、特に微粉末状粒子が好適に用いられる。代表的には、表面積20m/g以上のカーボンブラック粒子に、貴金属粒子、例えばPt粒子またはPtと他の金属との合金粒子を担持したものがある。特に、負極用触媒については、Ptは一酸化炭素(CO)の被毒に弱いため、メタノールのように副反応でCOを生成する燃料、またはメタン等を改質したガスを使用する場合には、Ptとルテニウム(Ru)との合金粒子を用いることが好ましい。触媒層中のイオン交換樹脂は、触媒を支持し、触媒層を形成するバインダーとなる材料であり、触媒によって生じたイオン等が移動するための通路を形成する役割をもつ。このようなイオン交換樹脂としては、先に高分子電解質膜に関連して説明したものと同様のものを用いることができる。負極側ではメタノール等の液体燃料の蒸気、正極側では酸素や空気等の酸化剤ガスが触媒とできるだけ多く接触することができるように、触媒層は多孔性であることが好ましい。また、触媒層中に含まれる触媒量は、一般に0.01〜10mg/cmの範囲内にあればよいが、特に負極については1.0〜7mg/cmの範囲内に、また正極については0.3〜5mg/cmの範囲内にあることが好適である。触媒層の厚さは、一般に1〜500μmの範囲内にあればよいが、特に負極については50〜300μmの範囲内に、また正極については10〜150μmの範囲内にあることが好適である。 The negative electrode and the positive electrode according to the present invention generally include a gas diffusion layer and a catalyst layer in contact with the electrolyte membrane. The catalyst layer is not particularly limited as long as it contains catalyst particles and an ion exchange resin, and conventionally known ones can be used. The catalyst is usually made of a conductive material carrying catalyst particles. The catalyst particles may be any catalyst particles that have a catalytic action in the oxidation reaction of hydrogen or the reduction reaction of oxygen. In addition to platinum (Pt) and other noble metals, iron, chromium, nickel, and alloys thereof may be used. it can. As the conductive material, carbon-based particles such as carbon black, activated carbon, graphite and the like are suitable, and fine powder particles are particularly preferably used. Typically, carbon black particles having a surface area of 20 m 2 / g or more carry noble metal particles such as Pt particles or alloy particles of Pt and other metals. In particular, for negative electrode catalysts, Pt is vulnerable to carbon monoxide (CO) poisoning. Therefore, when using a fuel that produces CO by side reaction, such as methanol, or a gas that is reformed from methane or the like. It is preferable to use alloy particles of Pt and ruthenium (Ru). The ion exchange resin in the catalyst layer is a material that supports the catalyst and serves as a binder for forming the catalyst layer, and has a role of forming a passage for ions and the like generated by the catalyst to move. As such an ion exchange resin, the thing similar to what was previously demonstrated in relation to the polymer electrolyte membrane can be used. The catalyst layer is preferably porous so that vapor of liquid fuel such as methanol can be brought into contact with the catalyst as much as possible on the negative electrode side and oxygen gas such as oxygen and air can be brought into contact with the catalyst as much as possible on the positive electrode side. Further, the amount of catalyst contained in the catalyst layer is generally sufficient if the range of 0.01 to 10 mg / cm 2, but in particular in the range of 1.0~7mg / cm 2 for anode, and for the positive electrode Is preferably in the range of 0.3-5 mg / cm 2 . The thickness of the catalyst layer may generally be in the range of 1 to 500 μm, but it is particularly preferable that the thickness of the catalyst layer is in the range of 50 to 300 μm, and that of the positive electrode is in the range of 10 to 150 μm.

本発明により追加層が配置されおよび/または酸化触媒が含有されるガス拡散層は、一般に、導電性および通気性を有するシート材料である。代表例として、カーボンペーパー、カーボン織布、カーボン不織布、カーボンフェルト等の通気性導電性基材に撥水処理を施したものが挙げられる。また、炭素系粒子とフッ素系樹脂から得られた多孔性シートを用いることもできる。例えば、カーボンブラックを、ポリテトラフルオロエチレンをバインダーとしてシート化して得られた多孔性シートを用いることができる。ガス拡散層の厚さは、一般に50〜500μm、好ましくは100〜350μmの範囲内にあることが好適である。   The gas diffusion layer in which an additional layer is arranged according to the invention and / or contains an oxidation catalyst is generally a sheet material having electrical conductivity and breathability. Representative examples include those obtained by subjecting a breathable conductive base material such as carbon paper, carbon woven fabric, carbon nonwoven fabric, carbon felt or the like to a water repellent treatment. A porous sheet obtained from carbon-based particles and fluorine-based resin can also be used. For example, a porous sheet obtained by forming carbon black into a sheet using polytetrafluoroethylene as a binder can be used. The thickness of the gas diffusion layer is generally 50 to 500 μm, preferably 100 to 350 μm.

本発明による追加層が配置されおよび/または酸化触媒が含有される前のガス拡散層、あるいは本発明による追加層が配置されおよび/または酸化触媒が含有された後のガス拡散層と、触媒層と、高分子電解質膜とを接合することにより膜電極接合体を作製することができる。接合方法としては、高分子電解質膜を損なうことなく接触抵抗が低い緻密な接合が達成されるものであれば、従来公知のいずれの方法でも採用することができる。接合に際しては、まず触媒層とガス拡散層を組み合わせて負極または正極を形成した後、これらを高分子電解質膜に接合することができる。例えば、適当な溶媒を用いて触媒粒子とイオン交換樹脂を含む触媒層形成用コーティング液を調製してガス拡散層用シート材料に塗工することにより負極または正極を形成し、これらを高分子電解質膜にホットプレスで接合することができる。また、触媒層を高分子電解質膜と組み合わせた後に、その触媒層側に上記ガス拡散層を組み合わせてもよい。触媒層と高分子電解質膜とを組み合わせる際には、スクリーン印刷法、スプレー塗布法、デカール法等、従来公知の方法を採用すればよい。   The gas diffusion layer before the additional layer according to the present invention is arranged and / or containing the oxidation catalyst, or the gas diffusion layer after the additional layer according to the present invention is arranged and / or contains the oxidation catalyst, and the catalyst layer And a membrane electrode assembly can be produced by joining the polymer electrolyte membrane. As a joining method, any conventionally known method can be adopted as long as a precise joining with a low contact resistance is achieved without impairing the polymer electrolyte membrane. In joining, after first forming a negative electrode or a positive electrode by combining the catalyst layer and the gas diffusion layer, these can be joined to the polymer electrolyte membrane. For example, a negative electrode or a positive electrode is formed by preparing a coating solution for forming a catalyst layer containing catalyst particles and an ion exchange resin using an appropriate solvent, and applying it to a sheet material for a gas diffusion layer. The film can be joined by hot pressing. Further, after the catalyst layer is combined with the polymer electrolyte membrane, the gas diffusion layer may be combined on the catalyst layer side. When combining the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane, a conventionally known method such as a screen printing method, a spray coating method, or a decal method may be employed.

本発明による燃料電池は、触媒層との接触抵抗を低下させると共に、燃料電池の運転時に生成する水の排水を促進するため、負極および/または正極において、触媒層とガス拡散層との間にマイクロ多孔質層を配置こともできる。マイクロ多孔質層の厚さは、一般に10〜100μm、好ましくは15〜50μmの範囲内にあることが好適である。   The fuel cell according to the present invention reduces the contact resistance with the catalyst layer and promotes drainage of water generated during operation of the fuel cell. Therefore, in the negative electrode and / or the positive electrode, the fuel cell is interposed between the catalyst layer and the gas diffusion layer. A microporous layer can also be disposed. The thickness of the microporous layer is generally in the range of 10 to 100 μm, preferably 15 to 50 μm.

一般に燃料電池においては、発生した電気を取り出すための集電体がさらに組み合わせられる。集電体としては、従来公知のいずれの材料でも採用することができる。集電体の具体例として、チタン(Ti)製多孔質板、SUS製多孔質板、炭素製多孔質板等が挙げられる。集電体の厚さは、一般に10μm〜5mmの範囲内にある。   Generally, in a fuel cell, a current collector for taking out generated electricity is further combined. As the current collector, any conventionally known material can be employed. Specific examples of the current collector include a titanium (Ti) porous plate, a SUS porous plate, and a carbon porous plate. The thickness of the current collector is generally in the range of 10 μm to 5 mm.

本発明による燃料電池は、その負極側に液体燃料を供給することができる。液体燃料としては、メタノール水溶液、エタノール水溶液、1−プロパノール水溶液、2−プロパノール水溶液、ジメチルエーテル水溶液、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化ホウ素リチウム水溶液、ギ酸水溶液等が挙げられる。これらの水溶液における溶質濃度は、一般に2〜90質量%、好ましくは20〜80質量%、さらに好ましくは50〜70質量%の範囲内である。溶質濃度が2質量%未満では、燃料電池のエネルギー密度が低下し、反対に溶質濃度が90質量%を超えると電解質膜が溶解するおそれがある。   The fuel cell according to the present invention can supply liquid fuel to the negative electrode side. Examples of the liquid fuel include methanol aqueous solution, ethanol aqueous solution, 1-propanol aqueous solution, 2-propanol aqueous solution, dimethyl ether aqueous solution, sodium borohydride aqueous solution, potassium borohydride aqueous solution, lithium borohydride aqueous solution, formic acid aqueous solution and the like. The solute concentration in these aqueous solutions is generally in the range of 2 to 90 mass%, preferably 20 to 80 mass%, more preferably 50 to 70 mass%. If the solute concentration is less than 2% by mass, the energy density of the fuel cell is lowered. Conversely, if the solute concentration exceeds 90% by mass, the electrolyte membrane may be dissolved.

燃料電池として使用するに際しては、膜電極接合体を、従来公知の方法に従い、その負極側と正極側が所定の側にくるようにセパレータ板および冷却部と交互に10〜100セル積層することにより固体高分子形燃料電池スタックを組み立てることができる。別法として、膜電極接合体を、同一平面状に、正極と負極が同じ側になるように並置し、正極と負極を直列になるように導通させた平面直列燃料電池セルを組み立てることができる。   When used as a fuel cell, a membrane electrode assembly is solidified by laminating 10 to 100 cells alternately with a separator plate and a cooling unit so that the negative electrode side and the positive electrode side are on a predetermined side according to a conventionally known method. A polymer fuel cell stack can be assembled. Alternatively, a planar series fuel cell in which membrane electrode assemblies are juxtaposed in the same plane so that the positive electrode and the negative electrode are on the same side and the positive electrode and the negative electrode are connected in series can be assembled. .

比較例1:従来型燃料電池の作製
図4に示したような従来型燃料電池を以下のように作製した。
(ガス拡散層:GDL)
カーボンペーパー(東レ製、型番TGP−H−060)を、PTFEディスパーション(ダイキン製、D1E、PTFE含有量60質量%)を水で5倍に希釈した液に浸漬して90℃のオーブンで乾燥させた後、350℃で2時間焼成することによって、撥水処理されたガス拡散層を作製した。
Comparative Example 1 Production of Conventional Fuel Cell A conventional fuel cell as shown in FIG. 4 was produced as follows.
(Gas diffusion layer: GDL)
Carbon paper (manufactured by Toray, model number TGP-H-060) is immersed in a solution obtained by diluting PTFE dispersion (manufactured by Daikin, D1E, content of PTFE 60% by mass) with water 5 times and dried in an oven at 90 ° C. Then, baking was performed at 350 ° C. for 2 hours to produce a water-repellent gas diffusion layer.

(マイクロ多孔質層:MPL)
水100gに、カーボンブラック(電気化学工業製、デンカブラック)15gとPTFEディスパーション(ダイキン製、D1E、PTFE含有量60質量%)12gを加え、よく混合して分散液を調製した。その分散液を上記ガス拡散層の片面上にコーティングし、90℃のオーブンで乾燥させた後、350℃で40分間焼成することによって乾燥厚さ20μmのマイクロ多孔質層を形成した。
(Micro porous layer: MPL)
To 100 g of water, 15 g of carbon black (manufactured by Denki Kagaku, Denka Black) and 12 g of PTFE dispersion (manufactured by Daikin, D1E, PTFE content 60 mass%) were added and mixed well to prepare a dispersion. The dispersion was coated on one side of the gas diffusion layer, dried in an oven at 90 ° C., and then fired at 350 ° C. for 40 minutes to form a microporous layer having a dry thickness of 20 μm.

(負極触媒層)
カーボン担持白金ルテニウム触媒(田中貴金属工業製、TEC61E54DM:白金・ルテニウム(PtRu)担持量50質量%)5gを、パーフルオロスルホン酸電解質(Nafion117(登録商標);デュポン社製)の17質量%エタノール溶液17.6gに、上記触媒のカーボン量の上記電解質に対する質量比が1.2になるように混合することにより混合インクを調製した。その混合インクを、上記マイクロ多孔質層の表面に吹き付けることにより触媒層を堆積させ、触媒貴金属量3mg/cmの負極触媒層を形成した。
(Negative electrode catalyst layer)
Carbon-supported platinum ruthenium catalyst (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC61E54DM: platinum / ruthenium (PtRu) supported amount 50% by mass) 5 g of 17% by mass ethanol solution of perfluorosulfonic acid electrolyte (Nafion 117 (registered trademark); manufactured by DuPont) A mixed ink was prepared by mixing 17.6 g so that the mass ratio of the carbon content of the catalyst to the electrolyte was 1.2. The mixed ink was sprayed onto the surface of the microporous layer to deposit a catalyst layer, thereby forming a negative electrode catalyst layer having a catalyst noble metal amount of 3 mg / cm 2 .

(正極触媒層)
カーボン担持白金触媒(田中貴金属工業製、TEC10E10:白金担持量50質量%)5gを上記パーフルオロスルホン酸電解質溶液に、上記触媒のカーボン量の上記電解質に対する質量比が1.0になるように混合することにより混合インクを調製した。その混合インクを、上記マイクロ多孔質層の表面に吹き付けることにより触媒層を堆積させ、触媒貴金属量1.3mg/cmの正極触媒層を形成した。
(Cathode layer)
5 g of a carbon-supported platinum catalyst (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10E10: platinum-supported amount of 50 mass%) is mixed with the perfluorosulfonic acid electrolyte solution so that the mass ratio of the carbon amount of the catalyst to the electrolyte is 1.0. Thus, a mixed ink was prepared. The mixed ink was sprayed onto the surface of the microporous layer to deposit a catalyst layer, thereby forming a positive electrode catalyst layer having a catalyst noble metal amount of 1.3 mg / cm 2 .

(膜電極接合体:MEA)
高分子電解質膜として大きさ5×5cm、厚さ175μmのイオン交換膜Nafion117(登録商標)(デュポン社製)を用意し、その片面に上記負極触媒層を、その反対面に上記正極触媒層をそれぞれ配置し、ホットプレスで熱圧(130℃、1MPa、5分間)を加えて積層して、膜電極接合体を形成した。
(Membrane electrode assembly: MEA)
An ion exchange membrane Nafion 117 (registered trademark) (manufactured by DuPont) having a size of 5 × 5 cm and a thickness of 175 μm is prepared as a polymer electrolyte membrane. The negative electrode catalyst layer is provided on one side, and the positive electrode catalyst layer is provided on the opposite side. The membrane electrode assembly was formed by laminating and laminating by applying hot pressure (130 ° C., 1 MPa, 5 minutes) with a hot press.

(セパレータ)
セパレータとして、切削加工されたカーボンセパレータ(厚さ2cm、大きさ8×8cm)を用いた。切削加工により、カーボンセパレータの下部から上部にかけて直線的に幅2mm、深さ1mmの流路が2mm間隔で形成されており、正極および負極と接する部分は横方向にも同様の間隔で流路が形成されている。
(Separator)
As the separator, a cut carbon separator (thickness 2 cm, size 8 × 8 cm) was used. By cutting, a flow path with a width of 2 mm and a depth of 1 mm is linearly formed at intervals of 2 mm from the lower part to the upper part of the carbon separator. Is formed.

実施例1:本発明による燃料電池の作製
図5に示したように正極のガス拡散層のマイクロ多孔質層とは反対側に追加層を配置したことを除き、比較例1と同様にして本発明による燃料電池を作製した。カーボン担持白金触媒(田中貴金属工業製、TEC10E10:白金担持量50質量%)5gを上記パーフルオロスルホン酸電解質溶液に、上記触媒と上記電解質との固形分比が1:0.5になるように混合することによりペーストを調製した。そのペーストを、ガス拡散層のマイクロ多孔質層とは反対側に、ドクターブレード法で白金担持量が1mg/cmになるように塗布した。次いで、その塗膜を乾燥し、さらに約130℃で1時間焼成することにより、酸化触媒を含有する追加層を配置した。追加層の厚さは50μmであった。
Example 1 Fabrication of Fuel Cell According to the Present Invention As shown in FIG. 5, the present invention was performed in the same manner as in Comparative Example 1 except that an additional layer was disposed on the opposite side of the positive electrode gas diffusion layer from the microporous layer. A fuel cell according to the invention was made. 5 g of a carbon-supported platinum catalyst (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10E10: platinum-supported amount of 50% by mass) in the perfluorosulfonic acid electrolyte solution so that the solid content ratio of the catalyst to the electrolyte is 1: 0.5. A paste was prepared by mixing. The paste was applied to the opposite side of the gas diffusion layer from the microporous layer by a doctor blade method so that the platinum loading was 1 mg / cm 2 . The coating was then dried and further fired at about 130 ° C. for 1 hour to place an additional layer containing an oxidation catalyst. The thickness of the additional layer was 50 μm.

実施例2:本発明の燃料電池の作製
図6に示したように正極のガス拡散層に酸化触媒を含有させたことを除き、比較例1と同様にして本発明による燃料電池を作製した。カーボン担持白金触媒(田中貴金属工業製、TEC10E10:白金担持量50質量%)5gを上記パーフルオロスルホン酸電解質溶液に、上記触媒のカーボン量の上記電解質に対する質量比が1.0になるように混合することによりインクを調製した。そのインクを、ガス拡散層のマイクロ多孔質層とは反対側から、ナイフコート法で白金担持量が1mg/cmになるように含浸塗布した。
Example 2 Production of Fuel Cell of the Present Invention A fuel cell according to the present invention was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that an oxidation catalyst was included in the gas diffusion layer of the positive electrode as shown in FIG. 5 g of a carbon-supported platinum catalyst (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10E10: platinum-supported amount of 50 mass%) is mixed with the perfluorosulfonic acid electrolyte solution so that the mass ratio of the carbon amount of the catalyst to the electrolyte is 1.0. Thus, an ink was prepared. The ink was impregnated from the side opposite to the microporous layer of the gas diffusion layer by a knife coating method so that the amount of platinum supported was 1 mg / cm 2 .

比較例1、実施例1および実施例2で作製したMEAを燃料電池セル(単セル)に組み込み、燃料電池運転時の排気ガスを分析するため、図7の実験図に示したようなシステムを構築した。燃料電池セルの正極側のセパレータ上面をシールし、そこにアダプターを介して排気口を設けてポンプを接続し、流量計(マスフローコントローラ)で排気量を制御した。出口側にドレインポッドを設けて凝縮水を回収し、流量計を介して空気ポンプにより排気する。燃料電池セルの発電性能を測定する際(性能測定時)の排気ガスの流れを図7(A)に示す。排気ガスを分析する際(ガスサンプル時)には、図7(B)に示したように、流量計の下流に設けた三方バルブを切り替えて、排気ガスの一部を試料採取用バッグ(テドラーバッグ)に導入した。   In order to incorporate the MEA produced in Comparative Example 1, Example 1 and Example 2 into a fuel cell (single cell) and analyze the exhaust gas during operation of the fuel cell, a system as shown in the experimental diagram of FIG. It was constructed. The upper surface of the separator on the positive electrode side of the fuel cell was sealed, an exhaust port was provided through an adapter, a pump was connected, and the exhaust amount was controlled with a flow meter (mass flow controller). A drain pod is provided on the outlet side to collect condensed water and exhausted by an air pump through a flow meter. FIG. 7A shows the flow of exhaust gas when measuring the power generation performance of the fuel cell (when measuring performance). When analyzing the exhaust gas (at the time of gas sampling), as shown in FIG. 7B, a three-way valve provided downstream of the flow meter is switched to transfer a part of the exhaust gas to a sampling bag (Tedlar bag). ).

燃料電池セルを負荷装置(図示なし)に接続した。セル温度を40℃または65℃に設定し、各温度で負荷を変動させて負荷曲線(I−Vカーブ)を作成した。この負荷曲線から最大出力密度を求め、そのときの電流値に設定して燃料電池を作動させた。また、リファレンス(対照)として、セパレータ上部のアダプターを取り外し、空気ポンプで空気を吸引しない自然対流時の負荷曲線を作成した。次いで、アダプターを取り付けて空気ポンプを変動させ、リファレンスと同一の負荷曲線が得られるときの空気流量を決定した。決定した空気流量により以下の分析を行った。   The fuel cell was connected to a load device (not shown). The cell temperature was set to 40 ° C. or 65 ° C., and the load was varied at each temperature to create a load curve (IV curve). The maximum output density was determined from this load curve, and the fuel cell was operated with the current value set at that time. As a reference (control), the adapter at the top of the separator was removed, and a load curve during natural convection in which air was not sucked with an air pump was created. The adapter was then attached and the air pump was varied to determine the air flow rate when the same load curve as the reference was obtained. The following analysis was performed according to the determined air flow rate.

比較例1、実施例1および実施例2の燃料電池を、1〜10質量%のメタノール水溶液を負極に供給することにより、セル温度40℃または65℃において上記設定電流値で作動させた。上述したように正極の排気ガスの一部を試料採取用バッグに回収し、排気ガス中のメタノール(未燃焼燃料)およびホルムアルデヒド(不完全燃焼生成物)の濃度をガス検知管(図示なし)で測定した。   The fuel cells of Comparative Example 1, Example 1 and Example 2 were operated at the set current value at a cell temperature of 40 ° C. or 65 ° C. by supplying 1-10 mass% methanol aqueous solution to the negative electrode. As described above, a part of the exhaust gas of the positive electrode is collected in a sampling bag, and the concentration of methanol (unburned fuel) and formaldehyde (incomplete combustion product) in the exhaust gas is measured with a gas detector tube (not shown). It was measured.

比較例1、実施例1および実施例2の排気ガス中の未燃焼メタノール濃度は以下のとおりであった。
(作動温度40℃)
供給メタノール濃度 比較例1 実施例1 実施例2
1質量% 190ppm 10ppm 15ppm
3質量% 185ppm 20ppm 15ppm
5質量% 180ppm 10ppm 20ppm
10質量% 950ppm 300ppm 280ppm
(作動温度65℃)
供給メタノール濃度 比較例1 実施例1 実施例2
1質量% 200ppm 20ppm 20ppm
3質量% 195ppm 20ppm 15ppm
5質量% 240ppm 20ppm 20ppm
10質量% 1200ppm 200ppm 180ppm
The unburned methanol concentration in the exhaust gas of Comparative Example 1, Example 1 and Example 2 was as follows.
(Operating temperature 40 ℃)
Supply methanol concentration Comparative example 1 Example 1 Example 2
1% by mass 190ppm 10ppm 15ppm
3% by mass 185ppm 20ppm 15ppm
5% by mass 180 ppm 10 ppm 20 ppm
10% by mass 950ppm 300ppm 280ppm
(Operating temperature 65 ° C)
Supply methanol concentration Comparative example 1 Example 1 Example 2
1% by mass 200ppm 20ppm 20ppm
3% by mass 195ppm 20ppm 15ppm
5% by mass 240ppm 20ppm 20ppm
10% by mass 1200ppm 200ppm 180ppm

比較例1と実施例1の燃料電池について、測定された未燃焼メタノール濃度を供給メタノール水溶液濃度に対してプロットしたグラフを図8に示す。図8中、「ACGIH勧告労働環境基準値(200ppm)」とは、米国産業衛生専門家会議(The American Conference of Governmental Industrial Hygienist: ACGIH)が設定した許容メタノール被曝量である。追加層を有しない比較例1は、供給メタノール水溶液濃度が1質量%の低濃度であっても環境基準値レベルにある。一方、追加層を有する実施例1は、環境基準値を大幅に下回り、燃料電池からの有害物質の排出を有意に抑制したことがわかる。   FIG. 8 shows a graph in which the measured unburned methanol concentration is plotted against the supplied aqueous methanol solution concentration for the fuel cells of Comparative Example 1 and Example 1. In FIG. 8, “ACGIH recommended working environment standard value (200 ppm)” is an allowable methanol exposure set by the American Conference of Governmental Industrial Hygienist (ACGIH). Comparative Example 1 having no additional layer is at the environmental standard value level even when the concentration of the supplied aqueous methanol solution is a low concentration of 1% by mass. On the other hand, Example 1 having an additional layer is significantly lower than the environmental standard value, and it can be seen that emission of harmful substances from the fuel cell was significantly suppressed.

比較例1、実施例1および実施例2の排気ガス中のホルムアルデヒド濃度は以下のとおりであった。
(作動温度40℃)
供給メタノール濃度 比較例1 実施例1 実施例2
1質量% 0.1ppm 0.1ppm 0.1ppm
3質量% 0.1ppm 0.2ppm 0.1ppm
5質量% 0.2ppm 0.2ppm 0.2ppm
10質量% 1.1ppm 0.25ppm 0.2ppm
(作動温度65℃)
供給メタノール濃度 比較例1 実施例1 実施例2
1質量% 0.1ppm 0.1ppm 0.1ppm
3質量% 0.1ppm 0.2ppm 0.1ppm
5質量% 0.35ppm 0.2ppm 0.2ppm
10質量% 1.2ppm 0.25ppm 0.2ppm
The formaldehyde concentrations in the exhaust gases of Comparative Example 1, Example 1 and Example 2 were as follows.
(Operating temperature 40 ℃)
Supply methanol concentration Comparative example 1 Example 1 Example 2
1% by mass 0.1 ppm 0.1 ppm 0.1 ppm
3% by mass 0.1 ppm 0.2 ppm 0.1 ppm
5% by mass 0.2 ppm 0.2 ppm 0.2 ppm
10% by mass 1.1 ppm 0.25 ppm 0.2 ppm
(Operating temperature 65 ° C)
Supply methanol concentration Comparative example 1 Example 1 Example 2
1% by mass 0.1 ppm 0.1 ppm 0.1 ppm
3% by mass 0.1 ppm 0.2 ppm 0.1 ppm
5% by mass 0.35 ppm 0.2 ppm 0.2 ppm
10% by mass 1.2 ppm 0.25 ppm 0.2 ppm

比較例1と実施例1の燃料電池について、測定されたホルムアルデヒド(不完全燃焼生成物)濃度を供給メタノール水溶液濃度に対してプロットしたグラフを図9に示す。比較例1では、メタノール濃度が5質量%を超えるあたりからホルムアルデヒド濃度が高くなったが、追加層を有する実施例1では、メタノール濃度が5質量%を超えてもホルムアルデヒド濃度がほとんど増加しなかった。   FIG. 9 shows a graph in which the measured formaldehyde (incomplete combustion product) concentration is plotted against the supplied aqueous methanol solution concentration for the fuel cells of Comparative Example 1 and Example 1. In Comparative Example 1, the formaldehyde concentration increased from around the methanol concentration exceeding 5% by mass, but in Example 1 having an additional layer, the formaldehyde concentration hardly increased even when the methanol concentration exceeded 5% by mass. .

従来型燃料電池の一態様である5層構造タイプの燃料電池を示す略分解斜視図である。FIG. 5 is a schematic exploded perspective view showing a five-layer structure type fuel cell which is an embodiment of a conventional fuel cell. 本発明の一実施態様による燃料電池を示す略分解斜視図である。1 is a schematic exploded perspective view showing a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 本発明の別の実施態様による燃料電池を示す略分解斜視図である。FIG. 5 is a schematic exploded perspective view showing a fuel cell according to another embodiment of the present invention. 比較例1で作製した燃料電池を示す略分解斜視図である。6 is a schematic exploded perspective view showing a fuel cell manufactured in Comparative Example 1. FIG. 実施例1で作製した燃料電池を示す略分解斜視図である。1 is a schematic exploded perspective view showing a fuel cell manufactured in Example 1. FIG. 実施例2で作製した燃料電池を示す略分解斜視図である。6 is a schematic exploded perspective view showing a fuel cell manufactured in Example 2. FIG. 燃料電池運転時の排気ガスを分析するためシステムを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a system for analyzing the exhaust gas at the time of fuel cell operation. 比較例1と実施例1の燃料電池について、未燃焼メタノール濃度を供給メタノール水溶液濃度に対してプロットしたグラフである。It is the graph which plotted the unburned methanol density | concentration with respect to the supply methanol aqueous solution density | concentration about the fuel cell of the comparative example 1 and Example 1. FIG. 比較例1と実施例1の燃料電池について、ホルムアルデヒド濃度を供給メタノール水溶液濃度に対してプロットしたグラフである。It is the graph which plotted the formaldehyde density | concentration with respect to the supply methanol aqueous solution density | concentration about the fuel cell of the comparative example 1 and Example 1. FIG.

Claims (12)

燃料を酸化する負極と、酸素を還元する正極と、該負極と該正極の間に配置された電解質膜とを含んでなる燃料電池であって、該正極は、該電解質膜に接する触媒層と、該触媒層の該電解質とは反対側に配置されたガス拡散層とを含み、該ガス拡散層または該ガス拡散層の該触媒層とは反対側に配置された追加層に、該燃料の未燃焼物または不完全燃焼生成物の燃焼を促進する酸化触媒を含有させたことを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising a negative electrode for oxidizing fuel, a positive electrode for reducing oxygen, and an electrolyte membrane disposed between the negative electrode and the positive electrode, the positive electrode comprising a catalyst layer in contact with the electrolyte membrane, A gas diffusion layer disposed on the opposite side of the catalyst layer from the electrolyte, and the gas diffusion layer or an additional layer disposed on the gas diffusion layer opposite to the catalyst layer, A fuel cell comprising an oxidation catalyst that promotes combustion of unburned products or incomplete combustion products. 該酸化触媒とバインダーを含有するインクまたはペーストを該ガス拡散層に含浸または塗布することにより、該酸化触媒を含有する該追加層を形成させた、請求項1に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the additional layer containing the oxidation catalyst is formed by impregnating or coating the gas diffusion layer with an ink or paste containing the oxidation catalyst and a binder. 該酸化触媒と非イオン伝導性バインダーを含有するインクまたはペーストを該ガス拡散層の全体に含浸することにより、該ガス拡散層に該酸化触媒を含有させた、請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the gas diffusion layer is impregnated with the oxidation catalyst by impregnating the entire gas diffusion layer with an ink or paste containing the oxidation catalyst and a nonionic conductive binder. 該酸化触媒を該ガス拡散層の内部に吸着させることにより、該ガス拡散層に該酸化触媒を含有させた、請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the oxidation catalyst is adsorbed inside the gas diffusion layer, so that the oxidation catalyst is contained in the gas diffusion layer. 該酸化触媒が、金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウムおよびオスミウムからなる群より選ばれた少なくとも1種の貴金属または該貴金属を含む合金を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池。   The oxidation catalyst includes at least one noble metal selected from the group consisting of gold, silver, platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium and osmium or an alloy containing the noble metal. The fuel cell according to item. 該燃料が、メタノール、エタノール、ジメチルエーテルおよびギ酸からなる群より選ばれた少なくとも1種の液体燃料である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the fuel is at least one liquid fuel selected from the group consisting of methanol, ethanol, dimethyl ether and formic acid. 該不完全燃焼生成物が、ホルムアルデヒド、ギ酸、ギ酸メチルおよび一酸化炭素からなる群より選ばれた化合物である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the incomplete combustion product is a compound selected from the group consisting of formaldehyde, formic acid, methyl formate and carbon monoxide. 該触媒層と該ガス拡散層との間にマイクロ多孔質層を含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, comprising a microporous layer between the catalyst layer and the gas diffusion layer. 該電解質膜が高分子電解質膜である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the electrolyte membrane is a polymer electrolyte membrane. 燃料電池の正極に用いるガス拡散層であって、当該燃料の未燃焼物または不完全燃焼生成物の燃焼を促進する酸化触媒とバインダーを含有するインクまたはペーストをガス拡散層に含浸または塗布することにより形成された追加層を担持してなるガス拡散層。   A gas diffusion layer used for a positive electrode of a fuel cell, wherein the gas diffusion layer is impregnated or coated with an ink or paste containing an oxidation catalyst and a binder that promotes combustion of unburned or incompletely burned products of the fuel. A gas diffusion layer carrying an additional layer formed by 燃料電池の正極に用いるガス拡散層であって、当該燃料の未燃焼物または不完全燃焼生成物の燃焼を促進する酸化触媒と非イオン伝導性バインダーを含有するインクまたはペーストをガス拡散層の全体に含浸または塗布することにより得られたガス拡散層。   A gas diffusion layer used for a positive electrode of a fuel cell, wherein an ink or paste containing an oxidation catalyst that promotes combustion of unburned or incompletely burned products of the fuel and a nonionic conductive binder is added to the entire gas diffusion layer. A gas diffusion layer obtained by impregnating or applying to a metal. 燃料電池の正極に用いるガス拡散層であって、当該燃料の未燃焼物または不完全燃焼生成物の燃焼を促進する酸化触媒をガス拡散層の内部に吸着させることにより得られたガス拡散層。   A gas diffusion layer used for a positive electrode of a fuel cell, which is obtained by adsorbing an oxidation catalyst that promotes combustion of unburned or incompletely burned products of the fuel inside the gas diffusion layer.
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