JP2011210503A - Membrane electrode conjugant and direct alcohol fuel cell using the same - Google Patents

Membrane electrode conjugant and direct alcohol fuel cell using the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode conjugant by which a crossover phenomenon of liquid fuel and the poisoning of a catalyst can be suppressed and a high concentration alcohol is used as fuel, and to provide a direct alcohol fuel cell using the membrane electrode conjugant.SOLUTION: The membrane electrode conjugant A includes: an electrolyte membrane 1 having inorganic ion exchanging bodies formed in and on a surface of a substrate formed by forming a timber into the shape of a thin sheet of which the thickness is 10 mm or smaller; and a pair of electrode bodies 2 and 3 which are joined to both sides of the electrolyte membrane 1, respectively and carry platinum-ruthenium catalyst layers on an electrode base member. The direct alcohol fuel cell is constituted of the membrane electrode conjugant A which is pinched between an air electrode separator 4 and a fuel electrode separator 5, and then crimped and held by an air electrode side plate 6 and a fuel electrode side plate 7.

Description

本発明は、アルコールを主成分とする液体燃料を燃料極に直接供給する直接型アルコール燃料電池に関する。   The present invention relates to a direct alcohol fuel cell that directly supplies a liquid fuel mainly composed of alcohol to a fuel electrode.

水素ガスを燃料とする固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell;以下PEFCと称する)は、電気自動車等の駆動電源や分散型電源として開発が進められている。PEFCでは、燃料極(アノード)、酸化剤極(カソード)及びこれらの電極に挟まれた高分子電解質膜からなるセルユニットを複数積層したスタック構造で構成されている。セルユニットの燃料極には水素を、酸化剤極には酸素または空気を供給し、それぞれの電極で生じる酸化又は還元反応によって起電力を得ることができ、反応の際の生成物は水だけであるためクリーンな電源とされている。しかしながら、PEFCは、燃料電池の小型化が難しく、携帯用電子機器等への適用は困難とみられている。   A polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) using hydrogen gas as a fuel is being developed as a driving power source or a distributed power source for an electric vehicle or the like. The PEFC has a stack structure in which a plurality of cell units including a fuel electrode (anode), an oxidant electrode (cathode), and a polymer electrolyte membrane sandwiched between these electrodes are stacked. Hydrogen can be supplied to the fuel electrode of the cell unit and oxygen or air can be supplied to the oxidant electrode, and an electromotive force can be obtained by oxidation or reduction reaction occurring at each electrode. The product in the reaction is only water. There is a clean power source. However, PEFC is difficult to reduce in size of a fuel cell, and is considered difficult to apply to portable electronic devices.

燃料電池の小型化を容易にする技術としては、アルコールなどの液体燃料を改質器で水素に変換し燃料極に水素を供給して発電する技術及び燃料極に直接アルコールを供給して発電する技術が提案されている。アルコールを直接供給する場合には、改質器が不要となるため小型化しやすいメリットがある。アルコールは、液体水素や高圧水素といった他の燃料に比べてエネルギー密度が高く、安全性の面でも取り扱いやすいといった利点がある。アルコールの中では主にメタノールについて開発が進められているが、エネルギー密度の高いエタノール、エチレングリコールといったアルコールについても燃料としての可能性が検討されている。   Technologies for facilitating the miniaturization of fuel cells include a technology that converts liquid fuel, such as alcohol, into hydrogen with a reformer, supplies hydrogen to the fuel electrode, and generates electricity by supplying alcohol directly to the fuel electrode. Technology has been proposed. When alcohol is supplied directly, there is an advantage that it is easy to miniaturize since a reformer is unnecessary. Alcohol has the advantage that it has a higher energy density than other fuels such as liquid hydrogen and high-pressure hydrogen, and is easy to handle in terms of safety. Among alcohols, methanol is mainly being developed, but alcohols such as ethanol and ethylene glycol, which have high energy density, are also being investigated as fuels.

こうしたアルコールを燃料とする燃料電池については、例えば、特許文献1では、無機イオン交換体を含浸コートした薄板木材片に白金メッキした電極触媒接合体を用いてメタノールによる燃料電池としての性能試験を行った点が記載されている。また、特許文献2では、板形状の液体燃料電池単セル形成用部材を重ね合わせて、液体燃料電池の単セルを形成し、形成した単セルを絶縁体からなる空気極側プレートと、燃料極側プレートおよび液体燃料漏洩防止用ガスケットとの間に挟んでねじ締め組立部材によって解体自在に組み立て、空気極側プレートから空気を、燃料極側プレートから液体燃料を前記単セルに供給可能にさせた液体燃料電池が記載されている。また、特許文献3では、イオン交換膜の表面に白金−ルテニウム触媒を析出させて層形成した電極触媒接合体を負極として使用する固体高分子型燃料電池が記載されている。   Regarding such a fuel cell using alcohol as a fuel, for example, in Patent Document 1, a performance test as a fuel cell using methanol is performed using an electrocatalyst assembly obtained by platinum-plating a thin wood piece impregnated with an inorganic ion exchanger. The point is described. Further, in Patent Document 2, a plate-shaped liquid fuel cell single cell forming member is overlapped to form a single cell of a liquid fuel cell, and the formed single cell is an air electrode side plate made of an insulator, and a fuel electrode. It is sandwiched between the side plate and the gasket for preventing liquid fuel leakage, and is assembled so as to be disassembled by a screw fastening assembly member, so that air can be supplied from the air electrode side plate and liquid fuel can be supplied from the fuel electrode side plate to the single cell. A liquid fuel cell is described. Patent Document 3 describes a polymer electrolyte fuel cell that uses, as a negative electrode, an electrode catalyst assembly in which a platinum-ruthenium catalyst is deposited on the surface of an ion exchange membrane to form a layer.

特開2006−313650号公報JP 2006-313650 A 特開2007−12304号公報JP 2007-12304 A 特開2002−75384号公報JP 2002-75384 A

近年開発されている直接型メタノール燃料電池では、メタノールクロスオーバー(燃料クロスオーバー)の問題がある。メタノールクロスオーバーとは、燃料極側と酸素剤極側との間のメタノールの濃度差によってメタノールが拡散移動する現象と、プロトンの移動にともなって引き起こされる水の移動によって、水和したメタノールが運搬される電気浸透現象とが相俟って、メタノールが燃料極側から電解質膜を透過して酸素剤極側に漏出してしまう現象である。   The direct methanol fuel cell developed in recent years has a problem of methanol crossover (fuel crossover). Methanol crossover refers to the phenomenon in which methanol diffuses and moves due to the difference in methanol concentration between the fuel electrode side and oxygen agent electrode side, and the hydrated methanol is transported by water movement caused by proton movement. In combination with the electroosmosis phenomenon, methanol permeates the electrolyte membrane from the fuel electrode side and leaks out to the oxygen agent electrode side.

メタノールクロスオーバーが生じると、漏出したメタノールは酸素剤極の触媒層で酸化され、燃料電池の出力電圧を低下させるとともに燃料を浪費することになる。さらに、酸素剤極の触媒層として白金(Pt)−ルテニウム(Ru)合金触媒ではなく、白金(Pt)触媒が用いられているため、触媒表面に一酸化炭素(CO)が吸着されやすくなって触媒の被毒が生じるといった問題点もある。   When the methanol crossover occurs, the leaked methanol is oxidized in the catalyst layer of the oxygen agent electrode, reducing the output voltage of the fuel cell and wasting fuel. Further, since a platinum (Pt) catalyst is used as the catalyst layer of the oxygen agent electrode instead of a platinum (Pt) -ruthenium (Ru) alloy catalyst, carbon monoxide (CO) is easily adsorbed on the catalyst surface. There is also a problem that poisoning of the catalyst occurs.

そこで、本発明は、液体燃料のクロスオーバー現象及び触媒の被毒を抑えるとともに高濃度のアルコールを燃料とすることが可能な膜電極接合体及びそれを用いた直接型アルコール燃料電池を提供することを目的とするものである。   Accordingly, the present invention provides a membrane electrode assembly capable of suppressing the liquid fuel crossover phenomenon and catalyst poisoning and using high-concentration alcohol as fuel, and a direct alcohol fuel cell using the membrane electrode assembly. It is intended.

本発明に係る膜電極接合体は、木材を厚さ10mm以下の薄板状に形成した基体の内部及び表面に無機イオン交換体が生成された電解質膜と、前記電解質膜の両側にそれぞれ接合するとともに電極基材に白金−ルテニウム触媒層を担持した一対の電極体とを備えたことを特徴とする。さらに、前記無機イオン交換体は、前記基体に含浸させたオキシ塩化ジルコニウムの塩酸溶液又はオキシ硝酸ジルコニルの硝酸溶液をリン酸溶液で処理することで生成されたリン酸ジルコニルであることを特徴とする。さらに、前記電極基材は、炭素繊維からなる不織布であることを特徴とする。   The membrane electrode assembly according to the present invention is joined to an electrolyte membrane in which an inorganic ion exchanger is generated on the inside and surface of a substrate formed of a thin plate having a thickness of 10 mm or less, and both sides of the electrolyte membrane. The electrode base material is provided with a pair of electrode bodies carrying a platinum-ruthenium catalyst layer. Further, the inorganic ion exchanger is zirconyl phosphate produced by treating a hydrochloric acid solution of zirconium oxychloride impregnated in the substrate or a nitric acid solution of zirconyl oxynitrate with a phosphoric acid solution. . Furthermore, the electrode base material is a nonwoven fabric made of carbon fiber.

本発明に係る直接型アルコール燃料電池は、上記の膜電極接合体を備え、前記膜電極接合体の燃料極側の前記電極体にアルコールを主成分とする液体燃料を直接供給することを特徴とする。さらに、前記液体燃料は、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、エチレングリコールのいずれか1つを主成分とすることを特徴とする。さらに、空気極側の前記電極体には、反応により生じる水を吸い取る竹繊維からなる紙が配設されていることを特徴とする。   A direct alcohol fuel cell according to the present invention includes the membrane electrode assembly described above, and is characterized in that liquid fuel containing alcohol as a main component is directly supplied to the electrode body on the fuel electrode side of the membrane electrode assembly. To do. Furthermore, the liquid fuel is characterized in that one of methanol, ethanol, isopropyl alcohol, and ethylene glycol is a main component. Furthermore, the electrode body on the air electrode side is provided with paper made of bamboo fibers that absorbs water generated by the reaction.

本発明は、木材を厚さ10mm以下の薄板状に形成した基体の内部及び表面に無機イオン交換体が生成された電解質膜と、前記電解質体の両側にそれぞれ接合するとともに電極基材に白金−ルテニウム触媒層を担持した一対の電極体とを備えているので、液体燃料のクロスオーバー現象及び触媒の被毒を抑えるとともに高濃度のアルコールを燃料とすることが可能となる。   The present invention relates to an electrolyte membrane in which an inorganic ion exchanger is generated on the inside and surface of a substrate formed of a thin plate having a thickness of 10 mm or less, and bonded to both sides of the electrolyte body, and platinum- Since the pair of electrode bodies carrying the ruthenium catalyst layer are provided, it is possible to suppress the crossover phenomenon of the liquid fuel and the poisoning of the catalyst and to use high concentration alcohol as the fuel.

本発明に係る直接型アルコール燃料電池に関する概略断面図である。It is a schematic sectional drawing regarding the direct type | mold alcohol fuel cell which concerns on this invention.

以下、本発明について詳しく説明する。図1は、本発明に係る直接型アルコール燃料電池に関する概略断面図である。薄板状の電解質膜1は、枠2aに保持された触媒層を担持するシート状の電極体2及び枠3aに保持された触媒層を担持するシート状の電極体3により両側から挟持されるように接合されて膜電極接合体Aを構成している。   The present invention will be described in detail below. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a direct alcohol fuel cell according to the present invention. The thin plate-like electrolyte membrane 1 is sandwiched from both sides by the sheet-like electrode body 2 carrying the catalyst layer held by the frame 2a and the sheet-like electrode body 3 carrying the catalyst layer held by the frame 3a. To form a membrane electrode assembly A.

膜電極接合体Aの電極体2側には、空気極セパレータ4及び空気極側プレート6が圧接配置されており、電極体3側には、燃料極セパレータ5及び燃料極側プレート7が圧接配置されている。   An air electrode separator 4 and an air electrode side plate 6 are disposed in pressure contact with the electrode body 2 side of the membrane electrode assembly A, and a fuel electrode separator 5 and a fuel electrode side plate 7 are disposed in pressure contact with the electrode body 3 side. Has been.

電解質膜1は、木本類又は草本類に属する植物を伐採して乾燥させた木材を厚さ10mm以下に形成して薄板状の木片を基体とし、基体の内部及び表面に無機イオン交換体を生成したもので、無機イオン交換体としては、リン酸ジルコニル、タングステン酸ジルコニルが挙げられる。   The electrolyte membrane 1 is made of thin wood pieces having a thickness of 10 mm or less formed by cutting and drying plants belonging to trees or herbs, and using a thin plate-like piece of wood as a base, and an inorganic ion exchanger on and inside the base. The produced inorganic ion exchanger includes zirconyl phosphate and zirconyl tungstate.

基体に用いる木材の種類は、厚さ10mm以下の薄板状に形成可能で、後述する液体が全体に十分含浸できるものであればよく、特に限定されない。また、基体の厚さは、薄くなりすぎると液体を通しやすくなるため、液体を透過しにくい厚さに設定することが望ましく、木材の種類にもよるが、例えば100μm以上に設定することが好ましい。   The type of wood used for the substrate is not particularly limited as long as it can be formed into a thin plate shape having a thickness of 10 mm or less and can be sufficiently impregnated with the liquid described later. Further, since the thickness of the base becomes easy to pass liquid if it becomes too thin, it is desirable to set it to a thickness that does not allow liquid to permeate and is preferably set to 100 μm or more, for example, depending on the type of wood. .

基体に無機イオン交換体としてリン酸ジルコニルを生成する場合には、まず基体となる木片の洗浄処理、乾燥処理等の前処理を行い、オキシ塩化ジルコニウムの塩酸溶液又はオキシ硝酸ジルコニウムの硝酸溶液に木片を浸漬した状態で減圧して十分に木片に溶液を含浸させ、含浸させた木片をリン酸溶液に浸漬させて十分反応させてリン酸ジルコニルを木片の内部及び表面に生成させる。リン酸ジルコニルを木片の内部及び表面に生成することで、液体燃料であるアルコールを通しにくい液体遮蔽特性を備えるようになる。   When producing zirconyl phosphate as an inorganic ion exchanger on a substrate, first, pretreatment such as washing treatment and drying treatment of the piece of wood to be the substrate is performed, and the piece of wood is added to a hydrochloric acid solution of zirconium oxychloride or a nitric acid solution of zirconium oxynitrate. The pressure is reduced in the soaked state so that the wood pieces are sufficiently impregnated with the solution, and the impregnated wood pieces are immersed in the phosphoric acid solution and sufficiently reacted to form zirconyl phosphate on and inside the wood pieces. By producing zirconyl phosphate on the inside and on the surface of the wood piece, it has a liquid shielding property that makes it difficult for alcohol as a liquid fuel to pass through.

基体に無機イオン交換体としてタングステン酸ジルコニルを生成する場合には、まず基体となる木片の洗浄処理、乾燥処理等の前処理を行い、オキシ塩化ジルコニウムの塩酸溶液又はオキシ硝酸ジルコニルの硝酸溶液に木片を浸漬した状態で減圧して十分に木片に溶液を含浸させ、含浸させた木片をタングステン酸ナトリウム溶液に浸漬させて十分反応させてタングステン酸ジルコニルを木片の内部及び表面に生成させる。タングステン酸ジルコニルを木片の内部及び表面に生成することで、リン酸ジルコニルと同様に液体遮蔽特性を備えるようになる。   When producing zirconyl tungstate as an inorganic ion exchanger on a substrate, first, pretreatment such as washing treatment and drying treatment of the piece of wood to be the substrate is performed, and the piece of wood is added to a hydrochloric acid solution of zirconium oxychloride or a nitric acid solution of zirconyl oxynitrate. The wood piece is sufficiently impregnated with the solution in a state of being immersed, and the impregnated wood piece is immersed in a sodium tungstate solution and sufficiently reacted to generate zirconyl tungstate in and on the wood piece. By producing zirconyl tungstate on the inside and on the surface of the piece of wood, it has liquid shielding properties like zirconyl phosphate.

電極体2及び3は、白金−ルテニウム触媒層を担持した電極基材で構成される。電極基材は、無機導電性繊維からなる不織布又は織布が好ましく、炭素繊維の不織布がより好ましい。触媒を均一に分散した塗液を電極基材に塗布して固定することで触媒槽を担持した電極体を作製する。   The electrode bodies 2 and 3 are composed of an electrode base material carrying a platinum-ruthenium catalyst layer. The electrode base material is preferably a nonwoven fabric or a woven fabric made of inorganic conductive fibers, and more preferably a carbon fiber nonwoven fabric. An electrode body carrying the catalyst tank is prepared by applying and fixing a coating liquid in which the catalyst is uniformly dispersed to the electrode substrate.

膜電極接合体Aの電解質膜1の両側に配置される電極体2及び3は、ともに白金−ルテニウム触媒層を担持しているので、いずれを燃料極又は空気極に用いてもよく、燃料電池を組み立てる際に膜電極接合体A及びセパレータの配置関係を気にする必要がなくなり、容易に組み立てることができる。また、電極体2及び3は、電解質膜1と加圧プレスにより予め一体化しておいてもよく、その場合にはさらに組立作業を効率化することが可能となる。   Since the electrode bodies 2 and 3 arranged on both sides of the electrolyte membrane 1 of the membrane electrode assembly A both carry a platinum-ruthenium catalyst layer, any of them may be used as a fuel electrode or an air electrode. When it is assembled, it is not necessary to worry about the arrangement relationship between the membrane electrode assembly A and the separator, and it can be assembled easily. Further, the electrode bodies 2 and 3 may be integrated with the electrolyte membrane 1 in advance by a pressure press, and in that case, it is possible to further improve the assembly work.

空気極セパレータ4は、電極体2に密着する領域に複数の空気孔4aが穿設されており、空気極側プレート6は、空気孔4aを含む領域に対応して開口部6aが形成されている。そのため、開口部6a及び空気孔4aを通して空気中の酸素が電極体2に供給されるようになっている。そして、空気孔4aの間の部分は、電極体2に密着した状態となる。   The air electrode separator 4 has a plurality of air holes 4a formed in a region in close contact with the electrode body 2, and the air electrode side plate 6 has an opening 6a corresponding to the region including the air holes 4a. Yes. Therefore, oxygen in the air is supplied to the electrode body 2 through the opening 6a and the air hole 4a. The portion between the air holes 4 a is in close contact with the electrode body 2.

燃料極セパレータ5は、電極体3に密着する領域に複数のスリット5aが上下方向に沿うように形成されており、スリット5aは水平方向に等間隔で配列されている。そのため、スリット5aの間の部分が電極体3に密着した状態となる。燃料極側プレート7は、スリット5aを含む領域に対応して内部が容器状にくり抜かれて貯留部7aが形成されており、貯留部7aの上部には外部に貫通する供給孔7bが穿設されている。   In the fuel electrode separator 5, a plurality of slits 5 a are formed in a region in close contact with the electrode body 3 along the vertical direction, and the slits 5 a are arranged at equal intervals in the horizontal direction. Therefore, the portion between the slits 5 a is in close contact with the electrode body 3. The fuel electrode side plate 7 is hollowed out in a container shape corresponding to a region including the slit 5a to form a storage portion 7a. A supply hole 7b penetrating to the outside is formed in the upper portion of the storage portion 7a. Has been.

空気極セパレータ4及び燃料極セパレータ5は、液体を透過しない導電性材料から形成される。導電性材料としては、例えば、カーボンブラック、金属、膨張黒鉛、導電性セラミック、導電性ポリマーが挙げられる。空気極セパレータ4及び燃料極セパレータ5は、導電性材料で構成されているので、空気極セパレータ4は電極体2と接触して導通状態に設定されており、燃料極セパレータ5は電極体3と接触して導通状態に設定される。   The air electrode separator 4 and the fuel electrode separator 5 are formed of a conductive material that does not transmit liquid. Examples of the conductive material include carbon black, metal, expanded graphite, conductive ceramic, and conductive polymer. Since the air electrode separator 4 and the fuel electrode separator 5 are made of a conductive material, the air electrode separator 4 is set in a conductive state in contact with the electrode body 2, and the fuel electrode separator 5 is connected to the electrode body 3. The contact state is set to the conductive state.

空気極側プレート6及び燃料極側プレート7は、液体燃料として用いるアルコールに対して耐久性のある絶縁性の合成樹脂材料又はガラスから形成するとよい。空気極側プレート6及び燃料極側プレート7は、絶縁材料から構成されているので、空気極セパレータ4及び燃料極セパレータ5とそれぞれ接触しても電流が漏れることはない。   The air electrode side plate 6 and the fuel electrode side plate 7 may be formed of an insulating synthetic resin material or glass that is durable against alcohol used as a liquid fuel. Since the air electrode side plate 6 and the fuel electrode side plate 7 are made of an insulating material, current does not leak even if they come into contact with the air electrode separator 4 and the fuel electrode separator 5, respectively.

燃料電池に用いる液体燃料は、アルコールを主成分とし、例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ジエチレングリコールのいずれか1つを主成分とするものが挙げられ、これらのアルコールを複数種類混合した液体燃料を用いることもできる。   The liquid fuel used in the fuel cell is mainly composed of alcohol, for example, one mainly composed of methanol, ethanol, isopropyl alcohol, or diethylene glycol. A liquid fuel obtained by mixing a plurality of these alcohols is used. It can also be used.

液体燃料は、供給孔7bから貯留部7a内に供給して充填する。充填された液体燃料は、燃料極セパレータ5のスリット5aを通って膜電極接合体Aの電極体3に接触した状態となる。この場合、電極体3が燃料極となり、電極体2が空気極となる。液体燃料がメタノールの場合、燃料極側では以下の反応が生じる。
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
燃料極側の反応で生じたプロトンは、膜電極接合体Aを通り、空気極側に到達する。また、空気極セパレータ4及び燃料極セパレータ5を電気的に接続しておけば、電極体2及び3が空気極セパレータ4及び燃料極セパレータ5を介して導通状態に設定され、燃料極側の反応で生じた電子が燃料極側の電極体3から燃料極セパレータ5及び空気極セパレータ4を経由して空気極側の電極体2に到達する。そして、空気極側では空気中の酸素が供給されて以下の反応が生じる。
3/2・O2+6H++6e-→3H2
したがって、空気極側では、空気極側に到達したプロトンが酸化されて水が生じるようになり、電極体2及び3の間には起電力が発生するようになる。
The liquid fuel is supplied and filled into the reservoir 7a from the supply hole 7b. The filled liquid fuel is brought into contact with the electrode body 3 of the membrane electrode assembly A through the slit 5 a of the fuel electrode separator 5. In this case, the electrode body 3 becomes a fuel electrode, and the electrode body 2 becomes an air electrode. When the liquid fuel is methanol, the following reaction occurs on the fuel electrode side.
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e
Protons generated by the reaction on the fuel electrode side pass through the membrane electrode assembly A and reach the air electrode side. Further, if the air electrode separator 4 and the fuel electrode separator 5 are electrically connected, the electrode bodies 2 and 3 are set in a conductive state via the air electrode separator 4 and the fuel electrode separator 5, and the reaction on the fuel electrode side is performed. The electrons generated in this step reach the electrode body 2 on the air electrode side from the electrode body 3 on the fuel electrode side via the fuel electrode separator 5 and the air electrode separator 4. Then, oxygen in the air is supplied on the air electrode side and the following reaction occurs.
3/2 · O 2 + 6H + + 6e → 3H 2 O
Therefore, on the air electrode side, protons that have reached the air electrode side are oxidized and water is generated, and an electromotive force is generated between the electrode bodies 2 and 3.

液体燃料がイソプロピルアルコールの場合には、燃料極側では以下の反応が生じる。
(CH32CHOH+3H2O→3CO2+14H++14e-
また、空気極側では以下の反応が生じる。
7/2・O2+14H++14e-→7H2
したがって、メタノールの場合と同様に、空気極側では、水が生じるようになり、電極体2及び3の間には起電力が発生するようになる。
When the liquid fuel is isopropyl alcohol, the following reaction occurs on the fuel electrode side.
(CH 3 ) 2 CHOH + 3H 2 O → 3CO 2 + 14H + + 14e
Further, the following reaction occurs on the air electrode side.
7/2 · O 2 + 14H + + 14e → 7H 2 O
Therefore, as in the case of methanol, water is generated on the air electrode side, and an electromotive force is generated between the electrode bodies 2 and 3.

空気極側に生じた水は、水滴状態で電極体に付着すると酸素の供給が制限を受けて出力が低下するため、速やかに排出する必要がある。そのため、空気極セパレータ4に竹繊維からなる紙を設けておくとよい。竹繊維からなる紙は、竹繊維が概ね一方向に沿って配列されているため、水を効率よく吸収することができ、速やかに排出することが可能となる。   When the water generated on the air electrode side adheres to the electrode body in the form of water droplets, the supply of oxygen is restricted and the output is reduced. Therefore, it is necessary to quickly discharge the water. Therefore, it is preferable to provide paper made of bamboo fibers in the air electrode separator 4. Paper made of bamboo fibers can absorb water efficiently and can be quickly discharged because the bamboo fibers are arranged substantially along one direction.

<電解質膜の作製>
シナノキを厚さ0.3mmに削って作成した経木を30mm×40mmの大きさに切断して、アセトンで脱脂、温水で溶出分を除去して基体とした。作成した基体を、硝酸ジルコニルを希硝酸に溶解させた溶液(濃度;19重量%)に浸漬して十分含浸させた。溶液から基体を取り出して余剰の液を払拭し、リン酸を水に溶解させた溶液(濃度;20重量%)に浸漬する。そして、溶液を加温して100℃で1時間反応させる。反応後溶液から基体を取り出して水洗し、水洗した液のPHが5〜6になったら終了して水中保管する。作成された電解質膜は、燃料電池の組立時に簡単に水を拭きとって使用する。
<Preparation of electrolyte membrane>
A warp prepared by cutting linden to a thickness of 0.3 mm was cut into a size of 30 mm × 40 mm, degreased with acetone, and the elution was removed with warm water to obtain a substrate. The prepared substrate was sufficiently impregnated by immersing it in a solution (concentration: 19% by weight) in which zirconyl nitrate was dissolved in dilute nitric acid. The substrate is taken out of the solution, the excess liquid is wiped off, and the substrate is immersed in a solution (concentration: 20% by weight) in which phosphoric acid is dissolved in water. Then, the solution is heated and reacted at 100 ° C. for 1 hour. After the reaction, the substrate is taken out from the solution and washed with water. When the pH of the washed solution reaches 5-6, the reaction is terminated and stored in water. The prepared electrolyte membrane is used by simply wiping water when assembling the fuel cell.

<燃料電池の作製>
燃料電池として、株式会社ケミックス製燃料電池組立キット(PEM−004DM)を用いた。電極体として、組立キットに使用する撥水性のカーボンペーパー(炭素繊維製不織布)に白金−ルテニウム触媒を塗布したもの(サイズ;2cm×2cm)を2つ準備し、作成した電解質膜の両側から電極体を挟持するように配置して、図1に示すように組立キットに圧接保持した。燃料電池の燃料極セパレータ及び空気極セパレータの間には、図1に示すように、20Ωの固定抵抗R1及び0.2Ωのシャント抵抗R2を直列接続し、電圧計10により固定抵抗R1の電圧V1を測定し、電圧計11によりシャント抵抗R2の電圧V2を測定した。
<Fabrication of fuel cell>
A fuel cell assembly kit (PEM-004DM) manufactured by Chemix Co., Ltd. was used as the fuel cell. Two electrode bodies (size: 2 cm x 2 cm) coated with a water-repellent carbon paper (carbon fiber nonwoven fabric) used in the assembly kit and coated with a platinum-ruthenium catalyst (size: 2 cm x 2 cm) were prepared from both sides of the prepared electrolyte membrane. The body was arranged so as to be sandwiched, and held in pressure contact with the assembly kit as shown in FIG. As shown in FIG. 1, a 20Ω fixed resistor R1 and a 0.2Ω shunt resistor R2 are connected in series between the fuel electrode separator and the air electrode separator of the fuel cell, and a voltage V1 of the fixed resistor R1 is obtained by a voltmeter 10. The voltage V2 of the shunt resistor R2 was measured with the voltmeter 11.

両セパレータ間の電圧V及び電流Iは、測定電圧V1及びV2に基づいて以下のように求められる。V=V1
I=V2/0.2
したがって、両セパレータ間の起電力Wは、測定電圧V1及びV2に基づいて以下のように求められる。
W=V・I=V1・V2/0.2
The voltage V and current I between both separators are obtained as follows based on the measured voltages V1 and V2. V = V1
I = V2 / 0.2
Therefore, the electromotive force W between both separators is obtained as follows based on the measured voltages V1 and V2.
W = V · I = V1 · V2 / 0.2

また、空気極セパレータには、竹紙工房風草舎製竹紙を短冊状に切断したものを配置して反応により生成する水を吸取るようにした。   In addition, as the air electrode separator, a bamboo paper manufactured by Bamboo Paper Studio-style bamboo paper cut into strips was arranged to absorb water generated by the reaction.

<起電力の測定>
(1)メタノール燃料の場合
蒸留水にメタノールを濃度25重量%となるように調製した液体燃料を供給して起電力を測定した。測定結果は、電圧200mVで電流10mAとなり、起電力は2mWであった。そして、発電状態を1000日間持続させることができた。
<Measurement of electromotive force>
(1) In the case of methanol fuel The liquid fuel prepared so that the concentration of methanol was 25% by weight was supplied to distilled water, and the electromotive force was measured. The measurement results were a voltage of 200 mV, a current of 10 mA, and an electromotive force of 2 mW. The power generation state could be maintained for 1000 days.

本発明に係る膜電極接合体を用いた場合、高濃度のメタノール液体燃料を供給した場合でもクロスオーバー現象を生じることなく正常に発電することができた。   When the membrane electrode assembly according to the present invention was used, even when a high-concentration methanol liquid fuel was supplied, it was possible to generate power normally without causing a crossover phenomenon.

(2)エタノール燃料の場合
蒸留水にエタノールを濃度10重量%となるように調製した液体燃料を供給して起電力を測定した。測定結果は、電圧51mVで電流2mAとなり、起電力は0.102mWであった。
(2) In the case of ethanol fuel The liquid electromotive force prepared by supplying ethanol to distilled water to a concentration of 10% by weight was measured. As a result of the measurement, the voltage was 51 mV, the current was 2 mA, and the electromotive force was 0.102 mW.

高濃度のエタノールの場合には反応時に臭いが発生したが、クロスオーバー現象が生じることなく正常に発電することが確認できた。   In the case of high-concentration ethanol, an odor was generated during the reaction, but it was confirmed that power generation was successful without causing a crossover phenomenon.

(3)エチレングリコール燃料の場合
蒸留水にエチレングリコールを濃度10重量%となるように調製した液体燃料を供給して起電力を測定した。測定結果は、電圧55mVで電流2.5mAとなり、起電力は0.138mWであった。そして、発電状態を600日以上持続させることができた。測定試験中に温度を50℃に上昇させたところ、2〜3mWに起電力を上昇させることができた。エチレングリコール濃度が3重量%の液体燃料の場合には、電圧86mVで電流3.5mAとなり、起電力は0.301mWであった。
(3) In the case of ethylene glycol fuel The liquid fuel prepared so that the density | concentration of ethylene glycol might be 10 weight% was supplied to distilled water, and the electromotive force was measured. The measurement results were a voltage of 55 mV, a current of 2.5 mA, and an electromotive force of 0.138 mW. And the power generation state could be maintained for 600 days or more. When the temperature was raised to 50 ° C. during the measurement test, the electromotive force could be raised to 2 to 3 mW. In the case of liquid fuel having an ethylene glycol concentration of 3% by weight, the voltage was 86 mV, the current was 3.5 mA, and the electromotive force was 0.301 mW.

エチレングリコールの場合には、低温時には高粘度のために起電力が低かったが、温度が上昇するにつれて起電力を向上させることができた。   In the case of ethylene glycol, the electromotive force was low due to the high viscosity at low temperatures, but the electromotive force could be improved as the temperature increased.

(4)イソプロピルアルコール燃料の場合
蒸留水にイソプロピルアルコールを濃度30重量%となるように調製した液体燃料を供給して起電力を測定した。測定結果は、電圧208mVで電流10mAとなり、起電力は2.08mWであった。イソプロピルアルコール濃度が20重量%の液体燃料の場合には、電圧311mVで電流15.5mAとなり、起電力は4.82mWであった。イソプロピルアルコール濃度が10重量%の液体燃料の場合には、電圧245mVで電流12mAとなり、起電力は2.94mWであった。
(4) In the case of isopropyl alcohol fuel The liquid fuel prepared so that the concentration of isopropyl alcohol was 30% by weight was supplied to distilled water, and the electromotive force was measured. The measurement result was a current of 10 mA at a voltage of 208 mV, and an electromotive force of 2.08 mW. In the case of liquid fuel having an isopropyl alcohol concentration of 20% by weight, the voltage was 311 mV, the current was 15.5 mA, and the electromotive force was 4.82 mW. In the case of liquid fuel having an isopropyl alcohol concentration of 10% by weight, the voltage was 245 mV, the current was 12 mA, and the electromotive force was 2.94 mW.

イソプロピルアルコールの場合には、クロスオーバー現象が生じることなくメタノールと同程度の起電力が得られた。低温時には粘度の影響を受けやすいが、温度が上昇するとともに粘度が低下して反応が進むようになった。   In the case of isopropyl alcohol, an electromotive force comparable to that of methanol was obtained without causing a crossover phenomenon. Although it is easily affected by the viscosity at low temperatures, as the temperature increases, the viscosity decreases and the reaction proceeds.

(5)混合燃料の場合
次に、イソプロピルアルコール10重量%の液体燃料及びメタノール10重量%の液体燃料を等量ずつ混合した液体燃料の場合には、電圧114mVで電流5.5mAとなり、起電力は0.627mWであった。イソプロピルアルコール10重量%の液体燃料及びエチレングリコール10重量%の液体燃料を等量ずつ混合した液体燃料の場合には、電圧49mVで電流1.5mAとなり、起電力は0.073mWであった。
(5) In the case of a mixed fuel Next, in the case of a liquid fuel in which an equal amount of liquid fuel of 10% by weight of isopropyl alcohol and liquid fuel of 10% by weight of methanol are mixed in equal amounts, a current of 5.5 mA is obtained at a voltage of 114 mV. Was 0.627 mW. In the case of a liquid fuel in which an equal amount of liquid fuel of 10% by weight of isopropyl alcohol and liquid fuel of 10% by weight of ethylene glycol were mixed in equal amounts, the current was 1.5 mA at a voltage of 49 mV, and the electromotive force was 0.073 mW.

混合燃料を用いた場合には、クロスオーバー現象が生じることなく発電するもののイソプロピルアルコールのみの液体燃料の場合の方が高い起電力が得られることがわかる。   It can be seen that when mixed fuel is used, a higher electromotive force can be obtained in the case of liquid fuel containing only isopropyl alcohol, although power is generated without causing a crossover phenomenon.

[比較例]
実施例と同様の組立キットを用いて、電解質膜であるデュポン社製Nafion(登録商標)に対して、燃料極側に白金−ルテニウム触媒を担持した炭素繊維製不織布、空気極側に白金触媒を担持した炭素繊維製不織布で両側から挟持して接合した膜電極接合体を圧接保持したものを準備した。蒸留水にメタノール濃度が3重量%となるように調製した液体燃料を供給して起電力を測定した。測定結果は、電圧450mVで電流4mAとなり、起電力は1.8mWであった。
[Comparative example]
Using an assembly kit similar to the example, a carbon fiber non-woven fabric carrying a platinum-ruthenium catalyst on the fuel electrode side and a platinum catalyst on the air electrode side against Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, which is an electrolyte membrane. A membrane electrode assembly that was sandwiched and bonded from both sides by a supported carbon fiber non-woven fabric was prepared by pressing. The liquid fuel prepared so that the methanol concentration was 3% by weight was supplied to distilled water, and the electromotive force was measured. The measurement result was a voltage of 450 mV, a current of 4 mA, and an electromotive force of 1.8 mW.

以上の測定結果をみると、本発明に係る膜電極接合体を用いた燃料電池では、幅広い種類の高濃度のアルコール燃料を用いてクロスオーバー現象を生じることなく安定して発電することができる。また、イソプロピルアルコール燃料の場合には、従来の燃料電池に比べて高い起電力を得ることができ、さらに毒性のあるメタノールではなく消毒用として広く使用されている安全性の高いイソプロピルアルコールを液体燃料として用いるので、取り扱いが簡便になり、実用性の高い燃料電池が得られる。   From the above measurement results, the fuel cell using the membrane electrode assembly according to the present invention can generate power stably using a wide variety of high-concentration alcohol fuel without causing a crossover phenomenon. In the case of isopropyl alcohol fuel, a higher electromotive force can be obtained than conventional fuel cells, and isopropyl alcohol, which is widely used for disinfection instead of toxic methanol, is a liquid fuel. Therefore, handling becomes simple and a highly practical fuel cell can be obtained.

A 膜電極接合体
1 電解質膜
2 触媒層を担持した電極体
3 触媒層を担持した電極体
4 空気極セパレータ
5 燃料極セパレータ
6 空気極側プレート
7 燃料極側プレート
A Membrane electrode assembly 1 Electrolyte membrane 2 Electrode body 3 carrying a catalyst layer 3 Electrode body carrying a catalyst layer 4 Air electrode separator 5 Fuel electrode separator 6 Air electrode side plate 7 Fuel electrode side plate

Claims (6)

木材を厚さ10mm以下の薄板状に形成した基体の内部及び表面に無機イオン交換体が生成された電解質膜と、前記電解質膜の両側にそれぞれ接合するとともに電極基材に白金−ルテニウム触媒層を担持した一対の電極体とを備えたことを特徴とする膜電極接合体。   An electrolyte membrane in which an inorganic ion exchanger is formed on the inside and surface of a substrate formed of a thin plate having a thickness of 10 mm or less, and a platinum-ruthenium catalyst layer on the electrode substrate, and bonded to both sides of the electrolyte membrane. A membrane electrode assembly comprising a pair of supported electrode bodies. 前記無機イオン交換体は、前記基体に含浸させたオキシ塩化ジルコニウムの塩酸溶液又はオキシ硝酸ジルコニウムの硝酸溶液をリン酸溶液で処理することで生成されたリン酸ジルコニルであることを特徴とする請求項1に記載の膜電極接合体。   The inorganic ion exchanger is zirconyl phosphate produced by treating a hydrochloric acid solution of zirconium oxychloride impregnated in the substrate or a nitric acid solution of zirconium oxynitrate with a phosphoric acid solution. 2. The membrane electrode assembly according to 1. 前記電極基材は、炭素繊維からなる不織布であることを特徴とする請求項1又は2に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 1 or 2, wherein the electrode base material is a nonwoven fabric made of carbon fiber. 請求項1から3のいずれかに記載の膜電極接合体を備え、前記膜電極接合体の燃料極側の前記電極体にアルコールを主成分とする液体燃料を直接供給することを特徴とする直接型アルコール燃料電池。   A membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein a liquid fuel mainly composed of alcohol is directly supplied to the electrode assembly on the fuel electrode side of the membrane electrode assembly. Type alcohol fuel cell. 前記液体燃料は、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、エチレングリコールのいずれか1つを主成分とすることを特徴とする請求項4に記載の直接型アルコール燃料電池。   5. The direct alcohol fuel cell according to claim 4, wherein the liquid fuel is mainly composed of any one of methanol, ethanol, isopropyl alcohol, and ethylene glycol. 空気極側の前記電極体には、反応により生じる水を吸い取る竹繊維からなる紙が配設されていることを特徴とする請求項4又は5に記載の直接型アルコール燃料電池。   6. The direct alcohol fuel cell according to claim 4, wherein the electrode body on the air electrode side is provided with paper made of bamboo fiber that absorbs water generated by the reaction.
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