JP2013137883A - Laminated fuel cell - Google Patents

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Takaaki Mizukami
貴彰 水上
Shuichi Suzuki
修一 鈴木
Jun Kawaji
純 川治
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    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell stack that emits less formic acid over a long period of time without reducing system efficiency of a fuel cell, and to provide a fuel cell system.SOLUTION: A laminated fuel cell includes a plurality of laminated unit cells each having: a membrane electrode assembly that has a pair of an anode electrode, and a cathode electrode, arranged on two respective sides of an electrolyte; and a pair of separators that are arranged on two respective sides of the membrane electrode assembly. A porous layer is provided on a surface of each of the separators that is to have contact with the anode electrode. In the porous layer, a first formic acid decomposition catalyst layer is formed that includes a catalyst having at least one metal selected from the group consisting of palladium, iridium, rhodium, and alloys of any of the foregoing metals.

Description

本発明は、アノード,電解質膜,カソード,セパレータから構成され、アノードで燃料が酸化され、カソードで酸素が還元される燃料電池に関する。また、この燃料電池が、複数個積層した積層形燃料電池。また、このような燃料電池を含む発電装置や、小型の携帯用電源およびこのような電源を用いた電気機器または電子機器に関する。   The present invention relates to a fuel cell that includes an anode, an electrolyte membrane, a cathode, and a separator, in which fuel is oxidized at the anode and oxygen is reduced at the cathode. Also, a stacked fuel cell in which a plurality of the fuel cells are stacked. The present invention also relates to a power generation device including such a fuel cell, a small portable power source, and an electric device or electronic device using such a power source.

近年、化石燃料の大量消費による地球温暖化・環境汚染問題は深刻な問題となっている。この問題に対する対処手段として、化石燃料を燃やす内燃機関に代わり、固体高分子型燃料電池を始めとする水素やメタノール等を燃料とし、酸素やこれを含む空気等を酸化剤とした燃料電池が注目を集めている。   In recent years, global warming and environmental pollution problems due to mass consumption of fossil fuels have become serious problems. As a means of coping with this problem, instead of internal combustion engines that burn fossil fuels, fuel cells that use hydrogen, methanol, etc. as fuels, such as solid polymer fuel cells, and oxygen, air containing these, etc. as oxidants are attracting attention. Collecting.

燃料電池は、発電による排出物の環境に対する負荷が少なく、クリーンで高効率な発電システムである。特に、高エネルギー密度の電源として、モバイル機器の電源として燃料電池の適用可能性が検討され始めている。   A fuel cell is a clean and highly efficient power generation system that has less environmental impact of emissions from power generation. In particular, the applicability of a fuel cell as a power source for a mobile device as a high energy density power source has begun to be examined.

最近の電子技術の進歩によって、情報量が増加し、その増加した情報を、より高速に、より高機能に処理する必要があるため、高出力密度で高エネルギー密度の電源、すなわち、連続駆動時間の長い電源を必要とする。   Recent advances in electronic technology increase the amount of information, and it is necessary to process the increased information faster and with higher functionality, so a high power density and high energy density power supply, that is, continuous drive time Need a long power supply.

充電を必要としない小型発電機、即ち、容易に燃料補給ができるマイクロ発電機の必要性が高まっている。こうした背景から、燃料電池の重要性が検討されている。   There is a growing need for small generators that do not require charging, that is, micro-generators that can be easily refueled. Against this background, the importance of fuel cells is being studied.

燃料電池は、少なくとも固体又は液体の電解質及び所望の電気化学反応を誘起する二個の電極、アノード及びカソードから構成され、その燃料が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに高効率で変換する発電機である。   A fuel cell is a generator that consists of at least a solid or liquid electrolyte and two electrodes that induce a desired electrochemical reaction, an anode and a cathode, and converts the chemical energy of the fuel directly into electrical energy with high efficiency. is there.

こうした燃料電池において、電解質膜に固体高分子電解質膜を用い、水素を燃料とするものは固体高分子形燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)と呼ばれ、メタノールを燃料とするものは直接メタノール形燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)と呼ばれる。中でも、液体燃料を使用するDMFCは燃料の体積エネルギー密度が高いために小型の可搬型又は携帯型の電源として有効なものとして注目されている。   In such fuel cells, those using a solid polymer electrolyte membrane as the electrolyte membrane and using hydrogen as fuel are called polymer electrolyte fuel cells (PEFC), and those using methanol as fuel are directly methanol. It is called a direct fuel fuel cell (DMFC). Among them, DMFCs that use liquid fuels are attracting attention as being effective as small portable or portable power sources because of the high volumetric energy density of the fuel.

DMFCにおいては、アノードに供給されたメタノールが酸化され、二酸化炭素となって排出される。また、アノードから固体高分子電解質を透過してカソードに移動したメタノールは、カソードに供給された酸素によって酸化され、二酸化炭素となって排出される。これらのメタノール酸化過程では、中間生成物であるギ酸が少なからず生じ、燃料電池から排出される。このギ酸は、人体にとって有害であるため、その量を可能な限り低減する必要がある。   In DMFC, methanol supplied to the anode is oxidized and discharged as carbon dioxide. In addition, methanol that has permeated the solid polymer electrolyte from the anode and moved to the cathode is oxidized by oxygen supplied to the cathode and discharged as carbon dioxide. In these methanol oxidation processes, a considerable amount of formic acid as an intermediate product is generated and discharged from the fuel cell. Since this formic acid is harmful to the human body, its amount needs to be reduced as much as possible.

燃料電池から排出される有害物質であるギ酸を除去する方法としては、例えば特許文献1に記載のように排出ガス配管に副生ガス吸収剤を有するフィルターを設ける方法がある。また特許文献2に記載のようにギ酸の分解触媒を含むフィルターを排出ガス配管に設ける方法がある。   As a method for removing formic acid, which is a harmful substance discharged from a fuel cell, there is a method of providing a filter having a by-product gas absorbent in an exhaust gas pipe as described in Patent Document 1, for example. Further, as described in Patent Document 2, there is a method in which a filter containing a formic acid decomposition catalyst is provided in an exhaust gas pipe.

特開2008−210796号公報JP 2008-210696A 特開2005−183014号公報JP 2005-183014 A

しかしながら、吸収剤を設ける方法では吸収剤の吸着量に限界があるため、長期にわたってギ酸の除去効果を得ることは難しい。また触媒フィルターを排出ガス配管に設ける方法では、フィルターが排ガスの流通抵抗となるため、ブロアの能力を向上させる必要があり、補機動力による損出が大きくなることから、燃料電池システムの効率が下がってしまう。   However, the method of providing an absorbent has a limit in the amount of absorbent adsorbed, and it is difficult to obtain a formic acid removal effect over a long period. Also, in the method of installing the catalyst filter in the exhaust gas piping, since the filter serves as a flow resistance of exhaust gas, it is necessary to improve the blower capacity, and the loss due to the auxiliary power increases, so the efficiency of the fuel cell system increases. It will go down.

そこで、本発明は、燃料電池のシステム効率を低下させることなく、長期にわたりギ酸の排出量が少ない燃料電池スタックならびに燃料電池システムを提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell stack and a fuel cell system in which the amount of formic acid emitted is small over a long period of time without reducing the system efficiency of the fuel cell.

前記目的を達成するための本発明の要旨は次のとおりである。
電解質の両面に一対のアノード電極およびカソード電極が配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置された一対のセパレータを単位セルとし、前記単位セルを複数個積層した積層形燃料電池において、前記セパレータの前記アノード電極と接する面に多孔質層が設けられ、前記多孔質層の内部にパラジウム,イリジウム,ロジウムおよび該金属の合金から選ばれる少なくとも1種類の金属からなる触媒を含む第1のギ酸分解触媒層が形成されていることを特徴とする。
The gist of the present invention for achieving the above object is as follows.
A membrane electrode assembly in which a pair of anode and cathode electrodes are disposed on both surfaces of the electrolyte, and a pair of separators disposed on both sides of the membrane electrode assembly as a unit cell, and a stacked type in which a plurality of the unit cells are stacked In the fuel cell, a porous layer is provided on a surface of the separator in contact with the anode electrode, and a catalyst made of at least one metal selected from palladium, iridium, rhodium and an alloy of the metal is provided inside the porous layer. A first formic acid decomposition catalyst layer is formed.

また、前記セパレータの前記カソード電極と対向する面に多孔質層が設けられ、前記多孔質層の内部にギ酸を分解する触媒を含む第2のギ酸分解触媒層が形成されていることを特徴とする。   The separator is provided with a porous layer on a surface facing the cathode electrode, and a second formic acid decomposition catalyst layer containing a catalyst for decomposing formic acid is formed inside the porous layer. To do.

本発明によって、燃料電池のシステム効率を低下させることなく、長期にわたりギ酸の排出量が少ない燃料電池スタックならびに燃料電池システムを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell stack and a fuel cell system that have a small amount of formic acid discharged over a long period of time without reducing the system efficiency of the fuel cell.

第1の態様を示すセパレータの展開斜視図。The expansion | deployment perspective view of the separator which shows a 1st aspect. 本発明のセパレータを用いた燃料電池の展開斜視図。The development perspective view of the fuel cell using the separator of the present invention. 図1に示したセパレータのA−A′における断面図。Sectional drawing in AA 'of the separator shown in FIG. 図3に示した触媒層近傍の拡大図。The enlarged view of the catalyst layer vicinity shown in FIG. 図1に示したセパレータのA−A′における断面図。Sectional drawing in AA 'of the separator shown in FIG. 図1に示したセパレータのA−A′における断面図。Sectional drawing in AA 'of the separator shown in FIG. セパレータと触媒層の間に金属層を形成した触媒層近傍の拡大図。The enlarged view of the catalyst layer vicinity which formed the metal layer between the separator and the catalyst layer. セパレータと触媒層の間に金属層を2層形成した触媒層近傍の拡大図。The enlarged view of the catalyst layer vicinity which formed two metal layers between the separator and the catalyst layer.

本発明の1つの態様を以下、図を用いて説明する。図1は第1の態様を示すセパレータ1の鳥瞰図を示す。ただし、理解を助けるために、セパレータ1の表裏面に面するガスケット5も併記した。セパレータ1は周囲が平坦で、中央部を押出しプレス成型して流路を形成したものである。平坦部2はガスケット5を面接触するために必要な部位で、流路部3はセパレータの表裏に反応ガス(燃料ガスと酸化剤ガスの総称)や冷却水を流通させるための凹凸状の溝である。さらに反応ガスおよび冷却水の出入り口となるマニホールド4が形成されている。セパレータ1の表裏面は平坦部2においてそれぞれ2枚のガスケット5が密着され、ガスケット付きセパレータ101を構成する。   One embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a bird's-eye view of a separator 1 showing the first embodiment. However, in order to help understanding, the gasket 5 facing the front and back surfaces of the separator 1 is also shown. The separator 1 has a flat periphery and is formed by extruding and press-forming the central portion to form a flow path. The flat portion 2 is a portion necessary for making the surface contact with the gasket 5, and the flow passage portion 3 is an uneven groove for allowing reaction gas (general name of fuel gas and oxidant gas) and cooling water to flow through the front and back of the separator. It is. Further, a manifold 4 serving as an inlet / outlet for the reaction gas and the cooling water is formed. Two gaskets 5 are in close contact with each other on the flat portion 2 on the front and back surfaces of the separator 1 to constitute a separator 101 with a gasket.

実際の電池において、本実施例によるセパレータ1を使用する場合は、MEA(Membrane Electrode Assembly、膜―電極接合体)7等と組み合わせた電池とする。   When the separator 1 according to this embodiment is used in an actual battery, the battery is combined with an MEA (Membrane Electrode Assembly) 7 or the like.

図2は本実施例によるセパレータを用いた電池構成の一例を示す。ガスケット5を張り合わせたセパレータ101は2種類で構成されている。両面に反応ガスを流通させるガスケット付きセパレータ101は101Aの符合で表し、片面が反応ガス用、反対面が冷却水用を101Bの符合で表わした。一対のガスケット付きセパレータ101Aあるいは101Bのガス流通面側でMEA7が挟持されており、一つのセル(単位セル)を形成する。この単位セルが複数個積層され、外部回路と接続される集電板8,絶縁板9および端板10を用いて両端を締め付けることで燃料電池が構成される。燃料電池用膜/電極接合体7,セパレータ101,集電板8,絶縁板9、及び、端板10には、燃料,酸化剤ガスや冷却水の出入り口となるマニホールド4が形成されている。燃料と酸化剤ガスはマニホールド4から供給され、セパレータ101のガス流路を通って、燃料がアノード、酸化剤ガスがカソードにそれぞれ供給されることで発電が行われる。未反応燃料を含む排液はセパレータ101のガス流路を通って出口側のマニホールド4から外部に排出される。また、冷却水用の流路が形成されたセパレータには、マニホールド4から供給された冷媒となる冷却水が流れ、単位セルの温度が所定の温度範囲内になるように冷却するための冷却部となる。冷却水用の流路が形成されたセパレータは、単位セル毎に設けても、複数個の単位セルに対して1個設けるようにしても良い。   FIG. 2 shows an example of a battery configuration using the separator according to this embodiment. The separator 101 to which the gasket 5 is bonded is composed of two types. The separator 101 with the gasket for allowing the reaction gas to flow on both sides is represented by the symbol 101A, one side for the reaction gas, and the opposite surface for the cooling water by the symbol 101B. The MEA 7 is sandwiched between the pair of gasketed separators 101A or 101B on the gas flow surface side to form one cell (unit cell). A plurality of the unit cells are stacked, and a fuel cell is configured by tightening both ends using a current collector plate 8, an insulating plate 9, and an end plate 10 connected to an external circuit. The fuel cell membrane / electrode assembly 7, the separator 101, the current collector plate 8, the insulating plate 9, and the end plate 10 are formed with a manifold 4 serving as an inlet / outlet of fuel, oxidant gas, and cooling water. Fuel and oxidant gas are supplied from the manifold 4, and electricity is generated by supplying fuel to the anode and oxidant gas to the cathode through the gas flow path of the separator 101. The waste liquid containing unreacted fuel passes through the gas flow path of the separator 101 and is discharged from the outlet-side manifold 4 to the outside. In addition, a cooling unit for cooling so that cooling water serving as a refrigerant supplied from the manifold 4 flows into the separator in which the flow path for cooling water is formed, and the temperature of the unit cell is within a predetermined temperature range. It becomes. The separator in which the flow path for cooling water is formed may be provided for each unit cell, or one separator may be provided for a plurality of unit cells.

図1に示したセパレータ1は、発電部であるMEAのアノード又はカソードとセパレータ1の凸面の頂点で接している。したがって、セパレータ1の凸面頂点は導電性を有している必要がある。凸面の頂点から集電板8への導電パスが形成されていれば、凸面の頂点以外の面は電気の導通に無関係であるため、導電性を必要とせず、絶縁性であっても構わないし、導電性であってもよい。   The separator 1 shown in FIG. 1 is in contact with the anode or cathode of the MEA that is the power generation unit at the apex of the convex surface of the separator 1. Therefore, the convex vertex of the separator 1 needs to have conductivity. If a conductive path from the top of the convex surface to the current collector plate 8 is formed, the surfaces other than the top of the convex surface are irrelevant to the electrical conduction, and therefore do not require conductivity and may be insulating. , May be conductive.

図3は図1に示したセパレータ1のA−A′における断面を模式的に示した図である。
多孔質層11はセパレータ1の外表面に形成され、この多孔質層11の中に反応副生成物分解触媒層12を形成する。
FIG. 3 is a view schematically showing a cross section taken along the line AA 'of the separator 1 shown in FIG.
The porous layer 11 is formed on the outer surface of the separator 1, and the reaction byproduct decomposition catalyst layer 12 is formed in the porous layer 11.

図4は図3に示したセパレータ断面の反応副生成物分解触媒層12の近傍を拡大し、模式的に示した図面である。多孔質層11中には反応副生成物分解触媒層12が形成され、反応副生成物分解触媒層12には反応物質が供給できるように空隙が残っている。   FIG. 4 is an enlarged schematic view of the vicinity of the reaction byproduct decomposition catalyst layer 12 in the separator cross section shown in FIG. A reaction by-product decomposition catalyst layer 12 is formed in the porous layer 11, and voids remain in the reaction by-product decomposition catalyst layer 12 so that reactants can be supplied.

この反応副生成物分解触媒層12は、触媒金属と、カーボン,導電性セラミックス,金属粉末などの少なくとも一種類の導電材と、この導電材を固定するための結着材と溶媒を混練した後に塗布することにより形成する。この触媒金属は微粒子の粉末として使用することができるが、電子導電性を有する担体に微粒子として担持されている方が好ましい。
これは、担体に担持することで、触媒金属をより小さい微粒子として使用することができ、比表面積が大きくなるためである。また、担体に担持されていることで、触媒金属が凝集して粗大化し、比表面積が減少する劣化を抑制することができる。また、電子伝導性を有する担体は、腐食しにくいことから、カーボン担体を用いることが好ましい。ここで、カーボン担体としては、触媒金属を高分散させるために比表面積が10m2/g以上のものを用いることが良く、例えば、カーボンブラック,カーボンナノチューブ,カーボンファイバー,活性炭等を用いることができる。
The reaction by-product decomposition catalyst layer 12 is obtained by kneading a catalyst metal, at least one conductive material such as carbon, conductive ceramics, and metal powder, a binder for fixing the conductive material, and a solvent. It is formed by coating. The catalyst metal can be used as fine particle powder, but is preferably supported as fine particles on a carrier having electronic conductivity.
This is because the catalyst metal can be used as smaller fine particles by being supported on the carrier, and the specific surface area is increased. Further, by being supported on the carrier, it is possible to suppress deterioration in which the catalytic metal aggregates and becomes coarse and the specific surface area decreases. In addition, it is preferable to use a carbon carrier because the carrier having electron conductivity is difficult to corrode. Here, as the carbon support, one having a specific surface area of 10 m 2 / g or more is preferably used in order to highly disperse the catalyst metal, and for example, carbon black, carbon nanotube, carbon fiber, activated carbon and the like can be used. .

また、結着材にはフッ素系樹脂,シリコン系樹脂,フェノール系樹脂,エポキシ系樹脂,ポリイミド系樹脂,ポリアミド系樹脂,ポリオレフィン系樹脂,フラン系樹脂,ゴム系樹脂、および、一部これらの混合物を用いることができる。   In addition, binders include fluorine resins, silicon resins, phenol resins, epoxy resins, polyimide resins, polyamide resins, polyolefin resins, furan resins, rubber resins, and some of these mixtures. Can be used.

多孔質層11の細孔径は、反応副生成物分解機能層12を構成する触媒金属、導電材のサイズによって設定され、例えば、0.1〜100μmとする。   The pore diameter of the porous layer 11 is set according to the size of the catalyst metal and the conductive material constituting the reaction byproduct decomposition functional layer 12, and is set to, for example, 0.1 to 100 μm.

図4では、多孔質層11中の反応副生成物分解機能層12の状態を示したが、多孔質層11の表面にも反応副生成物分解機能層12が形成されていてもよい。この際、反応副生成物分解機能層12には空隙が形成されており、反応物質は空隙を通って多孔質層11の内部まで供給される構成となる。   Although FIG. 4 shows the state of the reaction byproduct decomposition functional layer 12 in the porous layer 11, the reaction byproduct decomposition functional layer 12 may also be formed on the surface of the porous layer 11. At this time, voids are formed in the reaction byproduct decomposition functional layer 12, and the reactant is supplied to the inside of the porous layer 11 through the voids.

このような構成にすることにより、セパレータ表面で反応副生成物を分解することができ、長期にわたり反応副生成物排出量の少ない積層形燃料電池を提供することができる。
また、多孔質層11の内部に反応副生成物分解機能層12が設けられることによって、触媒金属の離脱を抑制される観点からも、長期にわたり反応副生成物排出量の少ない積層形燃料電池を提供することができる。
With such a configuration, the reaction by-product can be decomposed on the separator surface, and a stacked fuel cell with a small amount of reaction by-product discharged over a long period of time can be provided.
In addition, since the reaction by-product decomposition functional layer 12 is provided inside the porous layer 11, a stacked fuel cell with a small amount of reaction by-product discharged over a long period of time can be obtained from the viewpoint of suppressing the separation of the catalyst metal. Can be provided.

本発明の別の態様を説明する。図5は図1に示したセパレータ1のA−A′における断面を模式的に示した図である。メタノールを燃料とした場合には、アノードに反応副生成物としてギ酸が生成する。セパレータ1における凸面頂上部の機能層は、触媒金属であるパラジウムと、カーボン,導電性セラミックス,金属粉末などの少なくとも一種類の導電材と、この導電材を固定するための結着材と固体高分子電解質と溶媒を混練した後に塗布することにより、導電性とプロトン伝導性を有したギ酸分解触媒層13として形成した。
ギ酸分解触媒層13には、メタノール酸化反応を促進する白金,ルテニウム,オスミウム,タングステン,モリブデン,鉄,コバルト,ニッケル,マンガン等の触媒が含まれないことが好ましく、特に白金,ルテニウムの複合触媒が含まれないことが好ましい。メタノール酸化反応を促進する触媒が、ギ酸分解触媒層13に含まれると、ここでメタノールの酸化反応も起こってしまい、中間生成物として、再びギ酸が生じるため、ギ酸排出の抑制効率が低下してしまう。なお、ギ酸酸化触媒として用いるパラジウムは、メタノール酸化反応の触媒としてはほとんど機能しないため、パラジウム上からの新たなギ酸の生成はほとんどない。また、パラジウムは前記の様態と同様に担体に微粒子として担持されている方が好ましい。これは、担体に担持することで、触媒金属をより小さい微粒子として使用することができ、比表面積が大きくなるためである。
Another embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a view schematically showing a cross section taken along the line AA 'of the separator 1 shown in FIG. When methanol is used as the fuel, formic acid is generated as a reaction by-product at the anode. The functional layer at the top of the convex surface of the separator 1 includes palladium, which is a catalyst metal, at least one conductive material such as carbon, conductive ceramics, and metal powder, a binder for fixing the conductive material, and a high solid content. The formic acid decomposition catalyst layer 13 having electrical conductivity and proton conductivity was formed by coating after kneading the molecular electrolyte and the solvent.
The formic acid decomposition catalyst layer 13 preferably does not contain a catalyst such as platinum, ruthenium, osmium, tungsten, molybdenum, iron, cobalt, nickel, or manganese that promotes the methanol oxidation reaction. In particular, a composite catalyst of platinum and ruthenium is used. It is preferably not included. When a catalyst for promoting the methanol oxidation reaction is included in the formic acid decomposition catalyst layer 13, an oxidation reaction of methanol also occurs here, and formic acid is generated again as an intermediate product. End up. In addition, since palladium used as a formic acid oxidation catalyst hardly functions as a catalyst for methanol oxidation reaction, new formic acid is hardly generated on palladium. Further, palladium is preferably supported as fine particles on a carrier in the same manner as described above. This is because the catalyst metal can be used as smaller fine particles by being supported on the carrier, and the specific surface area is increased.

また、固体高分子電解質膜には、ポリパーフルオロスチレンスルフォン酸,パーフルオロカーボン系スルホン酸などに代表されるスルホン酸化したフッ素系ポリマーや、ポリスチレンスルフォン酸類,スルホン酸化ポリエーテルスルフォン類,スルホン酸化ポリエーテルエーテルケトン類などの炭化水素系ポリマーをスルホン化した材料、或いは、炭化水素系ポリマーをアルキルスルフォン酸化した材料を用いることができる。   For the solid polymer electrolyte membrane, sulfonated fluoropolymers such as polyperfluorostyrene sulfonic acid and perfluorocarbon sulfonic acid, polystyrene sulfonic acids, sulfonated polyether sulfones, and sulfonated polyethers. A material obtained by sulfonating a hydrocarbon-based polymer such as ether ketones or a material obtained by alkylating a hydrocarbon-based polymer can be used.

アノード側ではギ酸を電気化学的に酸化するためにギ酸分解触媒層13がプロトン伝導性を有している必要がある。そのため、ギ酸分解触媒層13の結着材にはプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いる必要がある。ギ酸分解触媒層13がセパレータの凸面頂上部に設けられているため、この部分でアノード触媒層とギ酸分解触媒層の固体高分子電解質膜が接することでプロトン伝導性が確保される。   On the anode side, the formic acid decomposition catalyst layer 13 needs to have proton conductivity in order to electrochemically oxidize formic acid. Therefore, it is necessary to use a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity for the binder of the formic acid decomposition catalyst layer 13. Since the formic acid decomposition catalyst layer 13 is provided on the top of the convex surface of the separator, proton conductivity is ensured by contacting the solid polymer electrolyte membrane of the anode catalyst layer and the formic acid decomposition catalyst layer at this portion.

このような構成にすることにより、セパレータ表面で反応副生成物であるギ酸を分解することができ、長期にわたりギ酸排出量の少ない積層形燃料電池を提供することができる。   By adopting such a configuration, it is possible to decompose formic acid which is a reaction by-product on the separator surface, and it is possible to provide a stacked fuel cell with a small amount of formic acid discharged over a long period of time.

本発明の別の態様を説明する。図6は図1に示したセパレータ1のA−A′における断面を模式的に示した図である。メタノールを燃料とした場合には、メタノールが電解質膜を透過してカソードに到達してカソードで反応副生成物としてギ酸が生成する。カソードには空気が供給されるために、空気中の酸素でギ酸を酸化することが可能となる。したがって、アノードと異なりギ酸を電気化学的に酸化する必要はない。そこで、カソードではセパレータ1における導電性が必要な凸面頂上部以外の反応物質が流通する流路部分のセパレータ外表面にギ酸分解触媒層13を形成することができる。ギ酸分解触媒層13は、触媒金属または触媒金属を担持した、カーボン,セラミックス,金属粉末などの触媒と、この触媒を固定するための樹脂結着材を混練した後に塗布することにより、ギ酸分解触媒層13として形成した。ギ酸分解触媒層13には、蟻酸の酸化反応を促進する白金,ルテニウム,オスミウム,パラジウム,タングステン,モリブデン,鉄,コバルト,ニッケル,マンガン等の触媒が好ましい。また、これらのギ酸酸化触媒は前記の様態と同様に担体に微粒子として担持されている方が好ましい。これは、担体に担持することで、触媒金属をより小さい微粒子として使用することができ、比表面積が大きくなるためである。また、ギ酸を電気化学的に酸化する必要がないことから、結着材には固体高分子電解質を用いる必要はない。   Another embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a view schematically showing a cross section taken along the line AA 'of the separator 1 shown in FIG. When methanol is used as fuel, methanol permeates the electrolyte membrane and reaches the cathode, and formic acid is generated as a reaction by-product at the cathode. Since air is supplied to the cathode, formic acid can be oxidized with oxygen in the air. Thus, unlike the anode, there is no need to electrochemically oxidize formic acid. Therefore, at the cathode, the formic acid decomposition catalyst layer 13 can be formed on the outer surface of the separator in the flow path portion where the reactant other than the top of the convex surface that requires electrical conductivity in the separator 1 flows. The formic acid decomposition catalyst layer 13 is prepared by kneading a catalyst metal or a catalyst such as carbon, ceramics, or metal powder supporting the catalyst metal and a resin binder for fixing the catalyst, and then applying the mixture, thereby applying the formic acid decomposition catalyst layer 13. Layer 13 was formed. The formic acid decomposition catalyst layer 13 is preferably a catalyst such as platinum, ruthenium, osmium, palladium, tungsten, molybdenum, iron, cobalt, nickel, manganese, etc. that promotes the formic acid oxidation reaction. Further, it is preferable that these formic acid oxidation catalysts are supported as fine particles on a carrier in the same manner as described above. This is because the catalyst metal can be used as smaller fine particles by being supported on the carrier, and the specific surface area is increased. Further, since it is not necessary to oxidize formic acid electrochemically, it is not necessary to use a solid polymer electrolyte as the binder.

このような構成にすることにより、セパレータ表面で反応副生成物であるギ酸を分解することができ、長期にわたりギ酸排出量の少ない積層形燃料電池を提供することができる。なお、図6では、セパレータ1における凸面頂上部以外の反応物質が流通する流路部分にのみギ酸分解触媒層13を形成した例を示したが、凸面頂上部にもギ酸分解触媒層13を形成してもよい。カソード側のセパレータにおいて、凸面頂上部にギ酸分解触媒層13を形成した場合には、カソードで生成した生成水をギ酸分解触媒層13側に拡散することで、カソードの生成水によるフラッディング防止の効果も期待できる。   By adopting such a configuration, it is possible to decompose formic acid which is a reaction by-product on the separator surface, and it is possible to provide a stacked fuel cell with a small amount of formic acid discharged over a long period of time. FIG. 6 shows an example in which the formic acid decomposition catalyst layer 13 is formed only in the flow path portion in which the reactant other than the top of the convex surface in the separator 1 flows, but the formic acid decomposition catalyst layer 13 is also formed on the top of the convex surface. May be. In the cathode-side separator, when the formic acid decomposition catalyst layer 13 is formed on the top of the convex surface, the generated water generated at the cathode is diffused toward the formic acid decomposition catalyst layer 13 to prevent flooding due to the generated water at the cathode. Can also be expected.

本発明の別の態様を説明する。セパレータ1は、金属の種類によっては最初に述べた態様では充分な長期安定性が得られないことがある。これはセパレータ1がマグネシウムや亜鉛など、充分な耐食性を有していない場合は顕著な腐食が発生し、電池を劣化させる原因となる。したがって、セパレータ1として選ぶ金属はある程度の耐食性を有していることが好ましい。なかでもチタン,ジルコニウム,タンタル,ニオブ,タングステンは高耐食な金属であると同時に、腐食生成物の放出量が他の金属に比べ極めて少ない。これは腐食生成物が酸化皮膜として表面に留まる性質を有するためである。したがって、電極や電解質膜に及ぼす悪影響は小さく、燃料電池では好ましい金属である。   Another embodiment of the present invention will be described. Depending on the type of metal, the separator 1 may not have sufficient long-term stability in the first-described embodiment. If the separator 1 does not have sufficient corrosion resistance, such as magnesium or zinc, significant corrosion occurs and causes deterioration of the battery. Therefore, it is preferable that the metal selected as the separator 1 has a certain degree of corrosion resistance. Of these, titanium, zirconium, tantalum, niobium, and tungsten are highly corrosion-resistant metals, and at the same time, the amount of corrosion products released is extremely small compared to other metals. This is because the corrosion product has a property of staying on the surface as an oxide film. Therefore, the adverse effect on the electrode and the electrolyte membrane is small, and is a preferable metal in the fuel cell.

アルミニウムは前記金属に比較すると耐食性に乏しいが、腐食してもアルマイトと同質の皮膜が生成するため、腐食生成物の放出量は比較的少ない。   Aluminum has poor corrosion resistance compared to the above metals, but even if it corrodes, a film having the same quality as alumite is produced, so the amount of corrosion products released is relatively small.

このような金属をセパレータ1に選ぶことにより、金属イオンの溶出が少なくなり、MEA7の劣化を最小限に抑えられる長寿命なセパレータが期待できる。   By selecting such a metal as the separator 1, it is possible to expect a long-life separator in which elution of metal ions is reduced and deterioration of the MEA 7 can be minimized.

本発明の別の態様を説明する。セパレータ1に使用する金属の中には高価な金属が存在する。そこで、セパレータ1を中心層と表面層を有する複合金属材料とし、中間層に鉄,アルミニウム,銅,チタン,マグネシウム,ジルコニウム,タンタル,ニオブ,タングステン,ニッケル,クロムおよび該金属の合金などの比較的安価な金属を使用し、表面層に高価な金属を薄膜で配置することにより、高価な金属の使用量を低減することが期待できる。   Another embodiment of the present invention will be described. Among the metals used for the separator 1, there are expensive metals. Therefore, the separator 1 is made of a composite metal material having a center layer and a surface layer, and the intermediate layer is made of iron, aluminum, copper, titanium, magnesium, zirconium, tantalum, niobium, tungsten, nickel, chromium, and alloys of the metals. By using an inexpensive metal and disposing an expensive metal as a thin film on the surface layer, it can be expected to reduce the amount of the expensive metal used.

本発明の別の態様を説明する。前述の態様でセルを作製した場合、初期の発電特性が低い場合や、セル毎のセル電圧の差が大きくなる場合がある。これはセパレータ1と反応副生成物分解触媒層12の電気的な接触が良好ではないことが原因となる。したがって、図7に示すようにセパレータ1と多孔質層11内の反応副生成物分解触媒層12との間にメッキ法,蒸着法,スパッタリング法,CVD法などによりコバルト,ニッケル,銅,亜鉛,クロム,錫,ルテニウム,ロジウム,パラジウム,銀,オスミウム,イリジウム,金およびこれらの合金などの金属層14を形成する。これにより、セパレータ1と反応副生成物分解触媒層12との電気的な接触が良好になり、発電特性が向上し、セル毎の発電特性の差が少なくなることが期待できる。   Another embodiment of the present invention will be described. When a cell is manufactured in the above-described manner, the initial power generation characteristics may be low, or the difference in cell voltage for each cell may be large. This is because the electrical contact between the separator 1 and the reaction byproduct decomposition catalyst layer 12 is not good. Therefore, as shown in FIG. 7, between the separator 1 and the reaction by-product decomposition catalyst layer 12 in the porous layer 11, cobalt, nickel, copper, zinc, etc. are formed by plating, vapor deposition, sputtering, CVD, or the like. A metal layer 14 such as chromium, tin, ruthenium, rhodium, palladium, silver, osmium, iridium, gold and alloys thereof is formed. Thereby, it can be expected that the electrical contact between the separator 1 and the reaction byproduct decomposition catalyst layer 12 is improved, the power generation characteristics are improved, and the difference in the power generation characteristics for each cell is reduced.

本発明の別の態様を説明する。金属層14は、金属の種類によっては最初に述べた態様では充分な長期安定性が得られないことがある。これは金属層14が鉄,コバルト,ニッケル,銅,亜鉛,錫など、充分な耐食性を有していない場合は顕著な腐食が発生し、電池を劣化させる原因となる。したがって、金属層14として選ぶ金属はある程度の耐食性と導電性を有していることが好ましい。そのような金属として選ばれるルテニウム,ロジウム,パラジウム,銀,オスミウム,イリジウム,金は高価な材料である。そこで、図8に示すように鉄,コバルト,ニッケル,銅,亜鉛,クロム,錫,銀およびこれらの金属の合金をセパレータ1側に配置し、高価な金属を外側に薄膜で配置することにより、高価な金属の使用量を低減し、且つ、高い対象性を得ることが期待できる。   Another embodiment of the present invention will be described. Depending on the type of metal, the metal layer 14 may not have sufficient long-term stability in the first-described embodiment. This is because when the metal layer 14 does not have sufficient corrosion resistance such as iron, cobalt, nickel, copper, zinc, and tin, remarkable corrosion occurs and causes deterioration of the battery. Therefore, it is preferable that the metal selected as the metal layer 14 has a certain degree of corrosion resistance and conductivity. Ruthenium, rhodium, palladium, silver, osmium, iridium and gold selected as such metals are expensive materials. Therefore, as shown in FIG. 8, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, chromium, tin, silver and alloys of these metals are arranged on the separator 1 side, and an expensive metal is arranged in a thin film on the outside, It can be expected that the amount of expensive metal used is reduced and high objectivity is obtained.

本発明の別の態様を説明する。前述のセパレータ1の最外層に用いる金属は陽極酸化処理により容易に多孔質層11を形成することができる。また、陽極酸化処理の浴,電流,電圧などの条件を設定することで細孔の形状や多孔質層の厚さを任意に制御することができる。これにより、MEA7へ反応ガスの拡散や生成水の排出性を良好にすることが可能となり、発電特性や寿命特性を向上することが期待できる。   Another embodiment of the present invention will be described. The metal used for the outermost layer of the separator 1 can easily form the porous layer 11 by anodizing treatment. In addition, the pore shape and the thickness of the porous layer can be arbitrarily controlled by setting conditions such as an anodizing bath, current, and voltage. As a result, it becomes possible to improve the diffusion of the reaction gas to the MEA 7 and the discharge of the generated water, and it can be expected that the power generation characteristics and the life characteristics are improved.

反応生成物分解層12の厚さが200μmよりも厚くなると反応生成物触媒層12へ反応ガスの拡散や生成水の排出が困難になり発電特性が低下するので、反応生成物分解触媒層12の厚さは200μm以下であれば、発電特性は十分に保たれる。   If the thickness of the reaction product decomposition layer 12 is greater than 200 μm, it becomes difficult to diffuse reaction gas into the reaction product catalyst layer 12 or discharge the generated water, resulting in a decrease in power generation characteristics. If the thickness is 200 μm or less, the power generation characteristics are sufficiently maintained.

本発明の具体的実施例についてメタノールを燃料とするメタノール型燃料電池を例に説明する。セパレータ1に金属板にアルミニウム(A5052)を使用した例を示す。コイル状薄板のアルミニウム厚み0.3mmに流路溝を形成するために押出しプレス機で、周囲が平坦部、中央部の両面に凹凸形状を有するセパレータ1に加工する。これと同時に打ち抜きも行い、マニホールド4を形成する。これにより図1に示したセパレータ1と同等の形状のものを製作することができる。   A specific embodiment of the present invention will be described by taking a methanol fuel cell using methanol as a fuel as an example. The example which uses aluminum (A5052) for the metal plate for the separator 1 is shown. In order to form a channel groove with an aluminum thickness of 0.3 mm of the coiled thin plate, the separator 1 is processed by an extrusion press to have an uneven shape on both sides of the flat portion and the central portion. At the same time, punching is performed to form the manifold 4. Thereby, the thing of the shape equivalent to the separator 1 shown in FIG. 1 can be manufactured.

次に、加工後のセパレータ1に多孔質層11を形成する手法を説明する。陽極酸化処理で多孔質層11を形成するに先立ち、加工後のセパレータ1の表面状態に応じて、スケール除去のためにブラスト処理した後、アルカリや有機溶剤による脱脂処理を施す。次いで、酸化膜を除去するための研磨,酸洗浄,アルカリ洗浄を行う。その後、多孔質層11を形成するために陽極酸化処理を行った。   Next, a method for forming the porous layer 11 on the processed separator 1 will be described. Prior to forming the porous layer 11 by anodic oxidation, blasting is performed for scale removal according to the surface state of the separator 1 after processing, followed by degreasing with alkali or an organic solvent. Next, polishing, acid cleaning, and alkali cleaning are performed to remove the oxide film. Thereafter, an anodic oxidation treatment was performed to form the porous layer 11.

陽極酸化処理は、電解浴に3〜10%のシュウ酸を用い、電圧を30〜100V、温度10℃以下、処理時間20〜120分で処理を行い、膜厚は20〜50μmであった。   In the anodizing treatment, 3 to 10% oxalic acid was used in the electrolytic bath, the voltage was 30 to 100 V, the temperature was 10 ° C. or less, the treatment time was 20 to 120 minutes, and the film thickness was 20 to 50 μm.

アノードのギ酸分解機能層に用いるスラリーは、カーボンブラックに担持されたパラジウムと固体高分子電解質であるNafion(以下、登録商標です)と、プロパノールと、水を混合して作製し、スターラーで24時間攪拌した。このスラリーをパラジウムの質量が0.4mg/cm2となるようにセパレータの表面にスプレー塗布した後に120℃の恒温槽中で1時間保持し、セパレータにギ酸分解触媒層を密着させ、本実施例にかかわるアノードセパレータを作製した。 The slurry used for the formic acid decomposition functional layer of the anode is prepared by mixing palladium supported on carbon black, Nafion (hereinafter, registered trademark), which is a solid polymer electrolyte, propanol, and water, and using a stirrer for 24 hours. Stir. This slurry was spray-coated on the surface of the separator so that the mass of palladium was 0.4 mg / cm 2, and then held in a constant temperature bath at 120 ° C. for 1 hour to adhere the formic acid decomposition catalyst layer to the separator. An anode separator was prepared.

カソードセパレータは、切削加工をしただけのギ酸分解触媒層のないセパレータを用いて燃料電池セルを構成した。
なお、測定結果から、ギ酸分解触媒層の厚さはおよそ40μmであった。
As the cathode separator, a fuel cell was formed by using a separator without a formic acid decomposition catalyst layer that had been cut.
From the measurement results, the thickness of the formic acid decomposition catalyst layer was approximately 40 μm.

本発明の具体的実施例についてメタノールを燃料とするメタノール型燃料電池を例に説明する。セパレータ1に金属板にアルミニウム(A5052)を使用した例を示す。コイル状薄板のアルミニウム厚み0.3mmに流路溝を形成するために押出しプレス機で、周囲が平坦部、中央部の両面に凹凸形状を有するセパレータ1に加工する。これと同時に打ち抜きも行い、マニホールド4を形成する。これにより図1に示したセパレータ1と同等の形状のものを製作することができる。   A specific embodiment of the present invention will be described by taking a methanol fuel cell using methanol as a fuel as an example. The example which uses aluminum (A5052) for the metal plate for the separator 1 is shown. In order to form a channel groove with an aluminum thickness of 0.3 mm of the coiled thin plate, the separator 1 is processed by an extrusion press to have an uneven shape on both sides of the flat portion and the central portion. At the same time, punching is performed to form the manifold 4. Thereby, the thing of the shape equivalent to the separator 1 shown in FIG. 1 can be manufactured.

次に、加工後のセパレータ1に多孔質層11を形成する手法を説明する。陽極酸化処理で多孔質層11を形成するに先立ち、加工後のセパレータ1の表面状態に応じて、スケール除去のためにブラスト処理した後、アルカリや有機溶剤による脱脂処理を施す。次いで、酸化膜を除去するための研磨,酸洗浄,アルカリ洗浄を行う。その後、多孔質層11を形成するために陽極酸化処理を行った。   Next, a method for forming the porous layer 11 on the processed separator 1 will be described. Prior to forming the porous layer 11 by anodic oxidation, blasting is performed for scale removal according to the surface state of the separator 1 after processing, followed by degreasing with alkali or an organic solvent. Next, polishing, acid cleaning, and alkali cleaning are performed to remove the oxide film. Thereafter, an anodic oxidation treatment was performed to form the porous layer 11.

陽極酸化処理は、電解浴に3〜10%のシュウ酸を用い、電圧を30〜100V、温度10℃以下、処理時間20〜120分で処理を行い、膜厚は20〜50μmであった。   In the anodizing treatment, 3 to 10% oxalic acid was used in the electrolytic bath, the voltage was 30 to 100 V, the temperature was 10 ° C. or less, the treatment time was 20 to 120 minutes, and the film thickness was 20 to 50 μm.

カソードのギ酸分解触媒層に用いるスラリーは、カーボンブラックに担持された白金と結着材であるフッ化ビニリデンと溶媒であるN−メチル−2−ピロリドンを混合して作製した。このスラリーを白金の質量が0.4mg/cm2となるようにセパレータのリブ部をマスクして、流路表面にのみスプレー塗布した後に140℃の恒温槽中で3時間保持し、セパレータにギ酸分解触媒層を密着させ、本実施例にかかわるカソードセパレータを作製した。 The slurry used for the formic acid decomposition catalyst layer of the cathode was prepared by mixing platinum supported on carbon black, vinylidene fluoride as a binder, and N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent. This slurry was masked on the ribs of the separator so that the mass of platinum was 0.4 mg / cm 2 , sprayed only on the surface of the flow path, and then held in a constant temperature bath at 140 ° C. for 3 hours. The decomposition catalyst layer was brought into close contact with each other to produce a cathode separator according to this example.

アノードセパレータは、切削加工をしただけのギ酸分解触媒層のないセパレータを用いて燃料電池セルを構成した。
なお、測定結果から、ギ酸分解触媒層の厚さはおよそ30μmであった。
As the anode separator, a fuel cell was formed by using a separator without a formic acid decomposition catalyst layer that had been cut.
From the measurement results, the thickness of the formic acid decomposition catalyst layer was approximately 30 μm.

実施例1のギ酸分解機能層付きアノードセパレータと実施例2のギ酸分解機能層付きカソードセパレータを用いて燃料電池セルを構成した。   A fuel cell was constructed using the anode separator with a formic acid decomposition functional layer of Example 1 and the cathode separator with a formic acid decomposition functional layer of Example 2.

〔比較例1〕
本比較例としては、材料に緻密黒鉛を用い、切削加工により幅1mm、深さ1mmのガス流路と電極と接する1mmのリブを切削加工した発電面積が25cm2のセパレータをアノードセパレータおよびカソードセパレータに用いて燃料電池セルを構成した。
[Comparative Example 1]
As a comparative example, a separator with a power generation area of 25 cm 2 using a dense graphite as a material and cutting a 1 mm wide gas flow path having a width of 1 mm and a depth of 1 mm and a 1 mm rib contacting the electrode with an anode separator and a cathode separator. A fuel battery cell was constructed.

〔評価〕
燃料電池の評価に用いたMEAは次のように作製した。カーボンブラックに担持された白金ルテニウムと、固体高分子電解質であるNafionと、プロパノールと、水を混合し、アノード用スラリーを作製し、スターラーで24時間攪拌した。また、カーボンブラックに担持された白金と、Nafionと、プロパノールと、水を混合し、カソード用スラリーを作製し、スターラーで24時間攪拌した。
[Evaluation]
The MEA used for the evaluation of the fuel cell was produced as follows. Platinum ruthenium supported on carbon black, Nafion, which is a solid polymer electrolyte, propanol, and water were mixed to prepare an anode slurry, which was stirred with a stirrer for 24 hours. Further, platinum supported on carbon black, Nafion, propanol, and water were mixed to prepare a slurry for the cathode, and stirred for 24 hours with a stirrer.

次に、固体高分子電解質膜上に、アノード用スラリーをスプレー塗布した後、固体高分子電解質膜のもう一方の面上に、カソード用スラリーをスプレー塗布した後に、120℃でホットプレスした。ここで、固体高分子電解質膜は、スルホン化ポリエーテルスルフォンを用いた。   Next, the anode slurry was spray-coated on the solid polymer electrolyte membrane, the cathode slurry was spray-coated on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane, and then hot pressed at 120 ° C. Here, sulfonated polyether sulfone was used for the solid polymer electrolyte membrane.

前記のように作製したMEAを用い、アノード拡散層にカーボンペーパーとカソード拡散層にカーボンクロスを用い、その両側に実施例および比較例に示したセパレータをそれぞれ配置して所定の圧力で締め付けて燃料電池セルを組み立てた。   Using the MEA produced as described above, carbon paper for the anode diffusion layer and carbon cloth for the cathode diffusion layer, the separators shown in the examples and comparative examples are arranged on both sides thereof, and tightened at a predetermined pressure, thereby fuel. A battery cell was assembled.

ここで、ギ酸排出量は、排出されたメタノール水溶液、排気ガスを氷水で捕集し、その中に含まれるギ酸をイオンクロマトグラフィにて測定した。なお、供給したメタノール水溶液は3重量%のメタノールを含む水溶液であり、カソードには相対湿度60%の空気を供給した。また、セル温度は60℃とし、負荷電流密度は0.15A/cm2とした。表1に結果を示す。 Here, the amount of formic acid discharged was measured by collecting the discharged aqueous methanol solution and exhaust gas with ice water and measuring the formic acid contained therein by ion chromatography. The supplied aqueous methanol solution was an aqueous solution containing 3% by weight of methanol, and air with a relative humidity of 60% was supplied to the cathode. The cell temperature was 60 ° C. and the load current density was 0.15 A / cm 2 . Table 1 shows the results.

比較例1のギ酸分解触媒層のないセパレータに比べ、実施例3のアノードとカソードにギ酸分解層を設置したセパレータではギ酸排出量が約1/260と非常に少なかった。また、実施例1と2ではギ酸排出量に約8倍の差があった。これは、カソードに比べアノード中に生成するギ酸量が多いために、カソードにのみギ酸分解層を設置した場合にはギ酸の総排出量を大きく下げられないことを示している。   Compared with the separator having no formic acid decomposition catalyst layer of Comparative Example 1, the formic acid discharge amount was about 1/260 in the separator having the formic acid decomposition layer on the anode and cathode of Example 3 being very small. In Examples 1 and 2, the amount of formic acid discharged was about 8 times different. This indicates that since the amount of formic acid produced in the anode is larger than that in the cathode, the total amount of formic acid discharged cannot be greatly reduced when the formic acid decomposition layer is provided only on the cathode.

1 セパレータ
2 平坦部
3 流通部
4 マニホールド
5 ガスケット
7 MEA
8 集電板
9 絶縁板
10 端板
11 多孔質層
12 反応性生物分解触媒層
13 ギ酸分解触媒層
14 金属層
101 ガスケットつきセパレータ
1 Separator 2 Flat part 3 Distribution part 4 Manifold 5 Gasket 7 MEA
8 Current collector plate 9 Insulating plate 10 End plate 11 Porous layer 12 Reactive biodegradation catalyst layer 13 Formic acid decomposition catalyst layer 14 Metal layer 101 Separator with gasket

Claims (11)

電解質の両面に一対のアノード電極およびカソード電極が配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置された一対のセパレータを単位セルとし、前記単位セルを複数個積層した積層形燃料電池において、
前記セパレータの前記アノード電極と接する面に多孔質層が設けられ、前記多孔質層の内部にパラジウム,イリジウム,ロジウムおよび該金属の合金から選ばれる少なくとも1種類の金属からなる触媒を含む第1のギ酸分解触媒層が形成されていることを特徴とする積層形燃料電池。
A membrane electrode assembly in which a pair of anode and cathode electrodes are disposed on both surfaces of the electrolyte, and a pair of separators disposed on both sides of the membrane electrode assembly as a unit cell, and a stacked type in which a plurality of the unit cells are stacked In fuel cells,
A porous layer is provided on a surface of the separator in contact with the anode electrode, and the porous layer includes a catalyst made of at least one metal selected from palladium, iridium, rhodium and an alloy of the metal. A laminated fuel cell, wherein a formic acid decomposition catalyst layer is formed.
請求項1に記載の積層形燃料電池において、前記セパレータの前記カソード電極と対向する面に多孔質層が設けられ、前記多孔質層の内部にギ酸を分解する触媒を含む第2のギ酸分解触媒層が形成されていることを特徴とする積層形燃料電池。   2. The stacked fuel cell according to claim 1, wherein a porous layer is provided on a surface of the separator facing the cathode electrode, and the catalyst for decomposing formic acid is contained inside the porous layer. A layered fuel cell, wherein a layer is formed. 請求項1または2に記載の積層形燃料電池において、前記第1のギ酸分解触媒層は、前記触媒を担持した導電材と、前記導電材を結着するプロトン伝導性を有する結着材で構成されていることを特徴とする積層形燃料電池。   3. The stacked fuel cell according to claim 1, wherein the first formic acid decomposition catalyst layer includes a conductive material supporting the catalyst and a binding material having proton conductivity for binding the conductive material. A laminated fuel cell characterized by being made. 請求項1〜3のいずれかに記載の積層形燃料電池において、前記第1の触媒層とセパレータを構成する金属との間に単層または複層の金属導電層を形成することを特徴とする積層形燃料電池。   4. The stacked fuel cell according to claim 1, wherein a single-layer or multiple-layer metal conductive layer is formed between the first catalyst layer and a metal constituting the separator. 5. Stacked fuel cell. 請求項1〜4のいずれかに記載の積層形燃料電池において、前記セパレータを構成する金属がアルミニウム,チタン,マグネシウム,ジルコニウム,タンタル,ニオブ,タングステン,ハフニウム,亜鉛,ビスマス,アンチモンおよび該金属の合金から選ばれる少なくとも1種の金属からなることを特徴とする積層形燃料電池。   5. The stacked fuel cell according to claim 1, wherein the metal constituting the separator is aluminum, titanium, magnesium, zirconium, tantalum, niobium, tungsten, hafnium, zinc, bismuth, antimony, and an alloy of the metal. A laminated fuel cell comprising at least one metal selected from the group consisting of: 請求項1〜4のいずれかに記載の積層形燃料電池において、前記セパレータが中心層と表面層を有する複合金属材料で構成され、前記中心層を構成する金属が鉄,アルミニウム,銅,チタン,マグネシウム,ジルコニウム,タンタル,ニオブ,タングステン,ニッケル,クロムおよび該金属の合金から選ばれる少なくとも1種の金属からなり、前記表面層を構成する金属がアルミニウム,チタン,マグネシウム,ジルコニウム,タンタル,ニオブ,タングステン,ハフニウム,亜鉛,ビスマス,アンチモンおよびこれらの合金から選ばれる少なくとも1種の金属で構成されることを特徴とする積層形燃料電池。   5. The stacked fuel cell according to claim 1, wherein the separator is made of a composite metal material having a center layer and a surface layer, and the metal constituting the center layer is iron, aluminum, copper, titanium, It consists of at least one metal selected from magnesium, zirconium, tantalum, niobium, tungsten, nickel, chromium and alloys of the metal, and the metal constituting the surface layer is aluminum, titanium, magnesium, zirconium, tantalum, niobium, tungsten , Hafnium, zinc, bismuth, antimony and at least one metal selected from these alloys. 請求項4に記載の積層形燃料電池において、前記金属導電層が鉄,コバルト,ニッケル,銅,亜鉛,クロム,錫,ルテニウム,ロジウム,パラジウム,銀,オスミウム,イリジウム,金およびこれらの合金から選ばれる少なくとも1種の金属で構成されることを特徴とする積層形燃料電池。   5. The stacked fuel cell according to claim 4, wherein the metal conductive layer is selected from iron, cobalt, nickel, copper, zinc, chromium, tin, ruthenium, rhodium, palladium, silver, osmium, iridium, gold, and alloys thereof. A laminated fuel cell comprising at least one kind of metal. 請求項4に記載の積層形燃料電池において、前記金属導電層は、前記第1のギ酸分解触媒層側がルテニウム,ロジウム,パラジウム,銀,オスミウム,イリジウム,金および該金属の合金から選ばれる少なくとも1種の金属からなり、セパレータ側が鉄,コバルト,ニッケル,銅,亜鉛,クロム,錫,銀および該金属の合金から選ばれる少なくとも1種の金属で構成されることを特徴とする積層形燃料電池。   5. The stacked fuel cell according to claim 4, wherein the metal conductive layer has at least one selected from ruthenium, rhodium, palladium, silver, osmium, iridium, gold, and an alloy of the metal on the first formic acid decomposition catalyst layer side. A laminated fuel cell comprising a metal of a kind, wherein the separator side is made of at least one metal selected from iron, cobalt, nickel, copper, zinc, chromium, tin, silver and alloys of the metal. 請求項1〜8のいずれかに記載の積層形燃料電池において、前記セパレータの多孔質層は陽極酸化処理により形成されることを特徴とする積層形燃料電池。   9. The stacked fuel cell according to claim 1, wherein the porous layer of the separator is formed by an anodic oxidation process. 請求項1〜9のいずれかに記載の積層形燃料電池において、前記第1のギ酸分解触媒層、または、第2のギ酸分解触媒層の厚さが200μm以下であることを特徴とする積層形燃料電池。   10. The stacked fuel cell according to claim 1, wherein the first formic acid decomposition catalyst layer or the second formic acid decomposition catalyst layer has a thickness of 200 μm or less. Fuel cell. 請求項1〜10のいずれかに記載の積層形燃料電池において、メタノールを含む燃料を用いて発電することを特徴とする積層形燃料電池。   The stacked fuel cell according to claim 1, wherein power is generated using a fuel containing methanol.
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