JP4238364B2 - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子形燃料電池に関する。The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell.

固体高分子形燃料電池は、低温作動で高電流密度が得られること、小型化が可能であることなどの理由により、電気自動車、宇宙航空機器などの輸送機器用の電源、携帯用の小型電源などとして研究開発が進められている。固体高分子形燃料電池に供給される燃料としては、一般に、天然ガス、メタノール或いはガソリンなどの改質により製造された水素ガスが用いられている。
一方、貯蔵、運搬などに際しての液体燃料としての利便性から、メタノールを燃料として直接供給する固体高分子形燃料電池(ダイレクトメタノール燃料電池)も近年注目を集めている。特に、携帯機器用の小型電源や充電器の用途では、ダイレクトメタノール燃料電池が主流となっている。また、現在、ウェアラブル情報端末、体内埋め込み式バイオセンサ、医療機器などの開発も進められており、これらの超小型電子機器の電源として、燃料を供給するだけで、充電を行うことなく、24時間作動するダイレクト燃料電池の適用が検討されている。
ダイレクトメタノール燃料電池は、純水素或いは改質水素を燃料とする固体高分子形燃料電池と同様に、固体高分子電解質膜の両側に電極を取り付けた構造を有している。通常、アノード(燃料極)には白金−ルテニウム触媒が用いられ、カソード(空気極)には白金触媒が用いられている。アノード側にメタノール水溶液を供給すると、メタノールが水と反応し、酸化されて、二酸化炭素、プロトンおよび電子が生成する。生成したプロトンは、電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素が還元されて、水が生成する。この過程において、外部回路を電子が流れ、電流を取り出すことができる。
しかしながら、メタノールの酸化反応速度は極めて遅く、過電圧も大きいので、メタノールを燃料に用いる場合には、水素ガスを燃料とする場合に比べて、その燃料電池性能は著しく低下する。この問題を解決するために、メタノール酸化用電極触媒に関して夥しい数の研究がなされ、各種合金触媒、有機金属錯体などが提案されているが、1960年代から知られている白金−ルテニウム合金の活性を大幅に上回る電極触媒は、依然として見出されていない。
メタノールの他にも、エタノール(C.Lamy,E.M.Belgsir,and J.−M.L▲e▼ger,J.Appl.Electrochem.,31,799(2001))、グリコール(特開2002−151132号公報)を初めとする種々のアルコール類、ジメチルエーテル(特開平11−144751号公報)、水素化ホウ素塩溶液(特開2002−50375号公報)、アセタール(O.Savadogo and X.Yang,J.New Mat.Electrochem.Systems,5,9(2002))などを燃料とするダイレクト燃料電池の研究が行われている。
ダイレクトメタノール燃料電池における最大の問題は、メタノール電極酸化反応の過電圧が高いことである。そのため、白金−ルテニウム合金などの高価な貴金属系電極触媒を多量に使用する必要がある。しかしながら、燃料電池システム全体の総コストに占める貴金属系触媒のコストの割合は大きいので、固体高分子形燃料電池の実用化および低コスト化を実現するためには、貴金属使用量を減少させた或いは貴金属を使用しない電極触媒の開発が大きな課題となっている。
また、メタノールは劇物に指定されている有害な物質であることに加えて、燃料として固体高分子形燃料電池に用いた場合には、二酸化炭素とともに、微量のホルムアルデヒド、ギ酸などの有害物質を酸化生成物として発生する恐れがあるため、ダイレクトメタノール燃料電池を民生機器に利用する際には、その安全性が問題視される。特に、携帯機器、ウェアラブル情報端末、体内埋め込み式機器などにおいて、人体に密着或いは装着したり、埋め込んだ状態で燃料電池を使用する場合には、燃料の安全性、生体適合性がますます重要となる。また、メタノールは人体に対して悪影響を及ぼすだけでなく、一部のゴムやプラスチック類に対して腐食性がある。そのため、ダイレクトメタノール燃料電池では、その構成材料やシール部材として選択できる材料が制約され、コストが高くなるという問題点もある。
さらに、ダイレクトメタノール燃料電池においては、供給されたメタノールがカソード側に浸透して性能低下をもたらす“クロスオーバー”といわれる現象が知られている。すなわち、電解質膜を透過してカソード側に到達したメタノールは、カソード触媒上で酸素と反応して二酸化炭素と水を生成し、燃料利用率を低下させる。その上、カソード電位は混成電位となって低下するため、燃料電池の出力も低下する。このメタノールのクロスオーバーのため、水素ガスを燃料として用いる従来の固体高分子形燃料電池用に開発されたパーフルオロスルホン酸系の固体高分子電解質膜を用いる場合には、ダイレクトメタノール燃料電池として十分な性能が発揮できないことが多い。従って、ダイレクトメタノール燃料電池の実用化には、メタノール透過性の低い電解質膜の開発が急務となっている。
The polymer electrolyte fuel cell is a power source for transportation equipment such as electric vehicles and aerospace equipment, and a small portable power source because of its high current density at low temperature operation and its miniaturization. Research and development are underway. As fuel supplied to the polymer electrolyte fuel cell, hydrogen gas produced by reforming natural gas, methanol, gasoline or the like is generally used.
On the other hand, a polymer electrolyte fuel cell (direct methanol fuel cell) that directly supplies methanol as a fuel has been attracting attention in recent years because of its convenience as a liquid fuel for storage and transportation. In particular, direct methanol fuel cells are the mainstream for small power supplies and chargers for portable devices. At present, wearable information terminals, implantable biosensors, medical devices, and the like are also being developed. As a power source for these microelectronic devices, the fuel can be supplied for 24 hours without charging. Application of a working direct fuel cell is under consideration.
The direct methanol fuel cell has a structure in which electrodes are attached to both sides of a solid polymer electrolyte membrane, similarly to a solid polymer fuel cell using pure hydrogen or reformed hydrogen as a fuel. Usually, a platinum-ruthenium catalyst is used for the anode (fuel electrode), and a platinum catalyst is used for the cathode (air electrode). When an aqueous methanol solution is supplied to the anode side, methanol reacts with water and is oxidized to generate carbon dioxide, protons and electrons. The generated protons move to the cathode side in the electrolyte membrane, and oxygen is reduced on the cathode side to generate water. In this process, electrons flow through the external circuit and current can be taken out.
However, since the oxidation reaction rate of methanol is extremely slow and the overvoltage is large, the performance of the fuel cell is significantly reduced when methanol is used as the fuel, compared to when hydrogen gas is used as the fuel. In order to solve this problem, a great number of studies have been made on the electrode catalyst for methanol oxidation, and various alloy catalysts, organometallic complexes, etc. have been proposed, but the activity of platinum-ruthenium alloys known since the 1960s has been improved. Significantly more electrocatalysts have not yet been found.
In addition to methanol, ethanol (C. Lamy, E.M. Bergsir, and J.-ML.e.ger, J. Appl. Electrochem., 31, 799 (2001)), glycol (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-2001). Various alcohols such as dimethyl ether (Japanese Patent Laid-Open No. 11-144751), borohydride solution (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-50375), acetal (O. Savadogo and X. Yang, J. New Mat. Electrochem. Systems, 5, 9 (2002)) and the like have been studied.
The biggest problem with direct methanol fuel cells is the high overvoltage of the methanol electrode oxidation reaction. Therefore, it is necessary to use a large amount of an expensive noble metal-based electrode catalyst such as a platinum-ruthenium alloy. However, since the ratio of the cost of the noble metal catalyst to the total cost of the entire fuel cell system is large, in order to realize the practical use and cost reduction of the polymer electrolyte fuel cell, the amount of noble metal used is reduced or The development of electrocatalysts that do not use precious metals has become a major issue.
In addition to being a hazardous substance designated as a deleterious substance, methanol, when used as a fuel in a polymer electrolyte fuel cell, contains trace amounts of harmful substances such as formaldehyde and formic acid along with carbon dioxide. Since it may be generated as an oxidation product, safety of the direct methanol fuel cell is regarded as a problem when it is used for consumer equipment. In particular, when using a fuel cell in a portable device, wearable information terminal, implantable device, etc. that is in close contact with or attached to the human body or embedded, the safety and biocompatibility of the fuel are increasingly important. Become. In addition, methanol not only has an adverse effect on the human body, but is corrosive to some rubbers and plastics. Therefore, in the direct methanol fuel cell, there is a problem that the constituent material and the material that can be selected as the sealing member are limited, and the cost is increased.
Furthermore, in the direct methanol fuel cell, a phenomenon called “crossover” is known, in which the supplied methanol permeates the cathode side and causes performance degradation. That is, methanol that permeates the electrolyte membrane and reaches the cathode side reacts with oxygen on the cathode catalyst to generate carbon dioxide and water, thereby reducing the fuel utilization rate. In addition, since the cathode potential decreases as a hybrid potential, the output of the fuel cell also decreases. Due to this methanol crossover, the perfluorosulfonic acid solid polymer electrolyte membrane developed for conventional solid polymer fuel cells using hydrogen gas as fuel is sufficient as a direct methanol fuel cell. In many cases, the performance cannot be demonstrated. Therefore, the development of an electrolyte membrane with low methanol permeability is an urgent need for the practical use of direct methanol fuel cells.

本発明者は、従来技術の問題点に留意しつつ、メタノールに代えて他の化合物を燃料として供給する固体高分子形ダイレクト燃料電池について、研究を重ねてきた。その結果、触媒調製や合成反応、無電解めっきなどの反応プロセスにおいて還元剤として用いられるアスコルビン酸などの一群の化合物を燃料として使用する場合には、従来技術の問題点を軽減しうる固体高分子形ダイレクト燃料電池が得られることを見出した。
すなわち、本発明は、下記の固体高分子形ダイレクト燃料電池を提供するものである。
1.アスコルビン酸、イソアスコルビン酸、クエン酸、酒石酸、亜硫酸、チオ硫酸、亜硫酸水素、亜ジチオン酸、亜リン酸、次亜リン酸とそれらの塩からなる群から選ばれる少なくとも一種を燃料として直接作動させることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
2.アスコルビン酸、イソアスコルビン酸、クエン酸、酒石酸とそれらの塩からなる群から選ばれる少なくとも一種を燃料として使用する上記項1に記載の固体高分子形燃料電池。
3.亜硫酸、チオ硫酸、亜硫酸水素、亜ジチオン酸、亜リン酸、次亜リン酸とそれらの塩からなる群から選ばれる少なくとも一種を燃料として使用する上記項1に記載の固体高分子形燃料電池。
4.アノード触媒として金属を使用する上記項1に記載の固体高分子形燃料電池。
5.アスコルビン酸、イソアスコルビン酸、亜硫酸、亜硫酸水素、亜ジチオン酸とそれらの塩からなる群から選ばれる少なくとも一種を燃料とし、アノード触媒として炭素材料を使用する上記項1に記載の固体高分子形燃料電池。
6.アノード触媒としてカーボンブラックを使用する上記項5に記載の固体高分子形燃料電池。
7.アスコルビン酸、イソアスコルビン酸、亜硫酸、亜硫酸水素、亜ジチオン酸とそれらの塩からなる群から選ばれる少なくとも一種を燃料とし、カーボンペーパーまたはカーボンクロスからなる集電体を固体高分子膜に接触させて、電極触媒の不存在下に直接作動させる上記項1に記載の固体高分子形燃料電池。
本発明のダイレクト燃料電池は、アスコルビン酸、イソアスコルビン酸、クエン酸、酒石酸、亜硫酸、チオ硫酸、亜硫酸水素、亜ジチオン酸、亜リン酸、次亜リン酸とそれらの塩から選ばれる化合物の溶液を燃料として供給させて発電することを特徴とする。
アスコルビン酸、イソアスコルビン酸、クエン酸、酒石酸、亜硫酸、チオ硫酸、亜硫酸水素、亜ジチオン酸、亜リン酸、次亜リン酸およびこれらの塩などの化合物は、還元作用を有しており、その反応速度は速い。従って、これらの化合物を燃料としてアノードに供給すると、その過電圧が低下して、固体高分子形燃料電池の高性能化を図るために有用であると考えられる。
例えば、第1図は、アスコルビン酸、亜硫酸ナトリウム、亜硫酸水素ナトリウム、亜ジチオン酸ナトリウムおよび次亜リン酸をそれぞれ用いて、白金−ルテニウム電極上、0.5M硫酸溶液中で測定したサイクリックボルタモグラムである。第1図には、比較として、メタノールについての結果も併せて示す。
第1図に示す結果から明らかな様に、メタノールを使用する場合に比べて、他の5種の化合物を使用する場合には、同一電位において高い電流密度が得られている。すなわち、これらの化合物を固体高分子形燃料電池における燃料として用いると、アノード電位が低下し、優れた燃料電池特性が得られることが推測される。この様に電極酸化反応が容易に起こり得る化合物を燃料として用いると、燃料電池の大幅な高性能化が期待できるだけでなく、電極触媒として白金以外の安価な触媒を選択できる可能性が広がる。また、触媒量の低減ならびにアノード触媒を用いない燃料電池の実現に寄与できる可能性もある。
上記化合物のうち、アスコルビン酸、イソアスコルビン酸、クエン酸、酒石酸とそれらの塩類(ナトリウム塩、カリウム塩、マグネシウム塩、カルシウム塩、アンモニウム塩など)は、食品添加物としても用いられている無毒無害の物質であり、燃料電池に直接供給される燃料として民生機器に利用した場合にも、取り扱い上の問題は全く生じない。また、アスコルビン酸、イソアスコルビン酸、クエン酸、酒石酸とそれらの塩を燃料に用いた場合には、C−OHがケトン基に酸化されるだけで、危険性のある化合物も生成しない。
一方、亜硫酸、チオ硫酸、亜硫酸水素、亜ジチオン酸、亜リン酸、次亜リン酸とそれらの塩類(ナトリウム塩、カリウム塩、マグネシウム塩、カルシウム塩、アンモニウム塩など)は、腐食性や刺激性を有することが知られており、取り扱いに注意を要するが、メタノールのように劇物に指定された化合物ではない。亜硫酸、亜硫酸水素、チオ硫酸、亜ジチオン酸とそれらの塩からは、硫酸の生成が、また亜リン酸、次亜リン酸とそれらの塩からはリン酸の生成が考えられるが、それらは燃料溜めに回収することにより、装置外への放出を防止することができるので、実用上の問題は回避可能である。
従って、本発明によれば、ホルムアルデヒドなどの揮発性の高い有害物質が空気中に拡散する危険性を低減することができる。
ダイレクトメタノール燃料電池においては、アノードに供給されたメタノールが水とともに電解質膜を透過し、カソード側に到達すると考えられている。これに対して、本発明において使用するアスコルビン酸などの化合物は、溶液中では電離し、そのうち陰イオンが燃料として作用する。現在、固体高分子形燃料電池用に商品化されている電解質膜のほとんどは、スルホン酸などの陰イオン性基が固定された陽イオン交換膜であるので、本発明においては、陰イオン性化合物がイオン交換により電解質膜内部に取り込まれたり、カソード側へ透過するクロスオーバーのような現象は起こりにくい。
本発明による燃料電池には、基本的には、通常の固体高分子形燃料電池に用いられる既知の高分子電解質膜、電極触媒、膜−電極接合体およびセル構造を適用することができる。
例えば、電極触媒としては、従来から知られている種々の金属、および金属合金などを使用することができる。例えば、アノードおよびカソード触媒として、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、白金−ルテニウムをはじめとする各種金属触媒、またはこれらの触媒微粒子をカーボンなどの担体上に分散させた担持触媒などが挙げられる。
また、本発明による燃料電池において、燃料としてアスコルビン酸、イソアスコルビン酸、亜硫酸、亜硫酸水素、亜ジチオン酸およびそれらの塩を使用する場合には、貴金属を使用することなく、カーボンブラックなどのカーボン材料をそのままアノード電極として使用することもできる。カーボン材料としては、高比表面積(50m/g以上)を有するカーボンブラックがより好ましい。
さらに、本発明の燃料電池では、燃料としてアスコルビン酸、イソアスコルビン酸、亜硫酸、亜硫酸水素、亜ジチオン酸およびそれらの塩を使用する場合には、カーボンペーパー、カーボンクロスなどの集電体を固体高分子膜に押し当てる或いは密接させることにより、アノード側で触媒を使用することなく、電池を駆動させることも可能である。
高分子電解質膜としては、パーフルオロカーボン系、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体系、ポリベンズイミダゾール系をはじめとする、各種イオン交換樹脂膜を使用することができる。
固体高分子電解質膜と電極触媒との接合体は、一般に公知の接合体と同様にして、作製される。例えば、触媒粉末と電解質溶液とを混合して作製した触媒インクを薄膜化させた後、電解質膜上にホットプレスする、あるいは直接高分子膜上に塗布・乾燥するなどの方法が適用される。その他、吸着還元法、無電解めっき法やスパッター、CVDなどの方法で固体高分子膜に直接触媒を取り付けることもできる。また、カーボンペーパーやカーボンクロスなどのガス拡散層や集電体に直接触媒インクを塗布・乾燥する、あるいは前駆体となる金属錯体を含浸・還元するなどの方法によって電極を作製しても良い。
特に、アノード側に関しては、上述の様に、アスコルビン酸などの特定の燃料を使用する場合には、カーボンブラックなどのカーボン材料をアノード触媒として使用することができる。また、アスコルビン酸などの特定の燃料を使用する場合には、カーボンペーパー、カーボンクロスなどからなる集電体自体に、アノード触媒としての機能を発揮させることもできる。
得られた膜−電極接合体の両面をカーボンペーパーまたはカーボンクロスなどの集電体で挟んでセルに組み込み、燃料電池セルを作製する。アノード側には、燃料として上述の化合物の少なくとも一種を10−4〜5M程度(より好ましくは10−3〜2M程度)の溶液の形態で供給し、カソード側には、空気または酸素を供給あるいは自然拡散させる。
本発明の燃料電池の作動温度は、使用する電解質膜によって異なるが、通常0〜150℃程度であり、より好ましくは10〜100℃程度である。
本発明によれば、固体高分子形燃料電池の燃料として、劇物に指定されているメタノールに代わる化合物を使用するダイレクト燃料電池が得られる。
また、本発明で使用する各化合物は、酸化生成物として、ホルムアルデヒド、ギ酸などの有害物質を発生させることがない。
さらに、本発明で使用する各化合物の一部は、燃料電池の構成材料であるゴム、プラスチック類に対する腐食性を全く或いは殆ど示さない。
さらにまた、本発明によるダイレクト燃料電池は、ダイレクトメタノール燃料電池の性能を低下させるクロスオーバーを低減することができる。
さらにまた、本発明で使用する化合物の幾つかは、アノード側の触媒として、高価な貴金属に代えてカーボン材料を使用する場合にも、高性能の固体高分子形燃料電池を実現させることができる。特に、比表面積の大きいカーボンブラックをアノード触媒として使用する場合に、その効果が著しい。
The present inventor has conducted research on solid polymer direct fuel cells that supply other compounds as fuel instead of methanol while paying attention to the problems of the prior art. As a result, when a group of compounds such as ascorbic acid used as a reducing agent in reaction processes such as catalyst preparation, synthesis reaction, and electroless plating are used as fuel, solid polymers that can alleviate the problems of the prior art It has been found that a direct fuel cell can be obtained.
That is, the present invention provides the following polymer electrolyte direct fuel cell.
1. Direct operation using at least one selected from the group consisting of ascorbic acid, isoascorbic acid, citric acid, tartaric acid, sulfurous acid, thiosulfuric acid, hydrogen sulfite, dithionic acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid and their salts as fuel A polymer electrolyte fuel cell characterized by the above.
2. 2. The solid polymer fuel cell as described in 1 above, wherein at least one selected from the group consisting of ascorbic acid, isoascorbic acid, citric acid, tartaric acid and salts thereof is used as the fuel.
3. 2. The polymer electrolyte fuel cell according to item 1, wherein at least one selected from the group consisting of sulfurous acid, thiosulfuric acid, hydrogen sulfite, dithionic acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid and salts thereof is used as fuel.
4). 2. The polymer electrolyte fuel cell as described in 1 above, wherein a metal is used as the anode catalyst.
5. 2. The solid polymer fuel according to item 1, wherein at least one selected from the group consisting of ascorbic acid, isoascorbic acid, sulfurous acid, hydrogen sulfite, dithionic acid and salts thereof is used as a fuel, and a carbon material is used as an anode catalyst. battery.
6). 6. The polymer electrolyte fuel cell as described in 5 above, wherein carbon black is used as the anode catalyst.
7). At least one selected from the group consisting of ascorbic acid, isoascorbic acid, sulfurous acid, hydrogen sulfite, dithionic acid and their salts is used as a fuel, and a current collector made of carbon paper or carbon cloth is brought into contact with the solid polymer film. The solid polymer fuel cell as described in 1 above, which is directly operated in the absence of an electrode catalyst.
The direct fuel cell of the present invention is a solution of a compound selected from ascorbic acid, isoascorbic acid, citric acid, tartaric acid, sulfurous acid, thiosulfuric acid, hydrogen sulfite, dithionic acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid and their salts. As a fuel to generate electricity.
Compounds such as ascorbic acid, isoascorbic acid, citric acid, tartaric acid, sulfurous acid, thiosulfuric acid, hydrogen sulfite, dithionic acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid and their salts have a reducing action. The reaction rate is fast. Therefore, when these compounds are supplied as fuel to the anode, the overvoltage is lowered, and it is considered useful for improving the performance of the polymer electrolyte fuel cell.
For example, FIG. 1 is a cyclic voltammogram measured in a 0.5 M sulfuric acid solution on a platinum-ruthenium electrode using ascorbic acid, sodium sulfite, sodium hydrogen sulfite, sodium dithionite and hypophosphorous acid, respectively. is there. FIG. 1 also shows the results for methanol as a comparison.
As is apparent from the results shown in FIG. 1, a higher current density is obtained at the same potential when the other five compounds are used compared to when methanol is used. That is, when these compounds are used as fuel in the polymer electrolyte fuel cell, it is presumed that the anode potential is lowered and excellent fuel cell characteristics can be obtained. Thus, when a compound that can easily undergo an electrode oxidation reaction is used as a fuel, not only can a significant performance improvement of the fuel cell be expected, but also the possibility that an inexpensive catalyst other than platinum can be selected as the electrode catalyst. Further, there is a possibility that it can contribute to the reduction of the catalyst amount and the realization of a fuel cell that does not use an anode catalyst.
Among the above compounds, ascorbic acid, isoascorbic acid, citric acid, tartaric acid and their salts (sodium salt, potassium salt, magnesium salt, calcium salt, ammonium salt, etc.) are non-toxic and harmless which are also used as food additives Even when it is used in consumer equipment as a fuel directly supplied to the fuel cell, there is no problem in handling. Further, when ascorbic acid, isoascorbic acid, citric acid, tartaric acid and their salts are used as fuel, C-OH is only oxidized to a ketone group, and no dangerous compound is produced.
On the other hand, sulfurous acid, thiosulfuric acid, hydrogen sulfite, dithionic acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid and their salts (sodium salt, potassium salt, magnesium salt, calcium salt, ammonium salt, etc.) are corrosive and irritating. However, it is not a compound designated as a deleterious substance such as methanol. Sulfurous acid, hydrogen sulfite, thiosulfuric acid, dithionic acid and their salts can produce sulfuric acid, and phosphorous acid, hypophosphorous acid and their salts can produce phosphoric acid. By collecting in the reservoir, release to the outside of the apparatus can be prevented, so that practical problems can be avoided.
Therefore, according to the present invention, it is possible to reduce the risk of diffusion of highly volatile harmful substances such as formaldehyde into the air.
In direct methanol fuel cells, it is considered that methanol supplied to the anode permeates the electrolyte membrane together with water and reaches the cathode side. On the other hand, compounds such as ascorbic acid used in the present invention are ionized in a solution, of which anion acts as a fuel. Currently, most of the electrolyte membranes commercialized for polymer electrolyte fuel cells are cation exchange membranes in which an anionic group such as sulfonic acid is fixed. Therefore, in the present invention, an anionic compound is used. Phenomenon such as crossover that is taken into the electrolyte membrane by ion exchange or permeates to the cathode side is unlikely to occur.
Basically, known polymer electrolyte membranes, electrode catalysts, membrane-electrode assemblies and cell structures used in ordinary solid polymer fuel cells can be applied to the fuel cell according to the present invention.
For example, as the electrode catalyst, conventionally known various metals and metal alloys can be used. Examples of anode and cathode catalysts include platinum, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, platinum-ruthenium and other metal catalysts, or supported catalysts in which these catalyst fine particles are dispersed on a carrier such as carbon. .
Further, in the fuel cell according to the present invention, when ascorbic acid, isoascorbic acid, sulfurous acid, hydrogen sulfite, dithionic acid and salts thereof are used as fuel, a carbon material such as carbon black is used without using a noble metal. Can be used as an anode electrode as it is. As the carbon material, carbon black having a high specific surface area (50 m 2 / g or more) is more preferable.
Furthermore, in the fuel cell of the present invention, when ascorbic acid, isoascorbic acid, sulfurous acid, hydrogen sulfite, dithionic acid and salts thereof are used as fuel, a collector such as carbon paper or carbon cloth is used as a solid high It is also possible to drive the battery without using a catalyst on the anode side by pressing or closely contacting the molecular film.
As the polymer electrolyte membrane, various ion exchange resin membranes including perfluorocarbon, styrene-divinylbenzene copolymer, and polybenzimidazole can be used.
The joined body of the solid polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst is generally produced in the same manner as a known joined body. For example, after a catalyst ink produced by mixing a catalyst powder and an electrolyte solution is thinned, a method such as hot pressing on an electrolyte membrane or direct application / drying on a polymer membrane is applied. In addition, the catalyst can be directly attached to the solid polymer film by a method such as adsorption reduction, electroless plating, sputtering, or CVD. Alternatively, the electrode may be produced by a method such as applying and drying the catalyst ink directly on a gas diffusion layer or current collector such as carbon paper or carbon cloth, or impregnating / reducing a metal complex as a precursor.
In particular, on the anode side, as described above, when using a specific fuel such as ascorbic acid, a carbon material such as carbon black can be used as the anode catalyst. Further, when a specific fuel such as ascorbic acid is used, the current collector itself made of carbon paper, carbon cloth, or the like can also function as an anode catalyst.
Both sides of the obtained membrane-electrode assembly are sandwiched between current collectors such as carbon paper or carbon cloth and incorporated into a cell to produce a fuel cell. On the anode side, at least one of the aforementioned compounds is supplied as a fuel in the form of a solution of about 10 −4 to 5M (more preferably about 10 −3 to 2M), and air or oxygen is supplied to the cathode side. Naturally diffuse.
The operating temperature of the fuel cell of the present invention varies depending on the electrolyte membrane to be used, but is usually about 0 to 150 ° C, more preferably about 10 to 100 ° C.
According to the present invention, a direct fuel cell that uses a compound in place of methanol, which is designated as a deleterious substance, as a fuel for a polymer electrolyte fuel cell can be obtained.
In addition, each compound used in the present invention does not generate harmful substances such as formaldehyde and formic acid as oxidation products.
Furthermore, some of the compounds used in the present invention show no or little corrosiveness to rubbers and plastics which are constituent materials of fuel cells.
Furthermore, the direct fuel cell according to the present invention can reduce the crossover that reduces the performance of the direct methanol fuel cell.
Furthermore, some of the compounds used in the present invention can realize a high-performance solid polymer fuel cell even when a carbon material is used instead of an expensive noble metal as a catalyst on the anode side. . In particular, the effect is remarkable when carbon black having a large specific surface area is used as the anode catalyst.

第1図は、本発明で使用する各燃料の0.5M硫酸溶液中でのサイクリックボルタモグラムである。
第2図は、実施例1による燃料電池の電流−電圧特性を示すグラフである。
第3図は、実施例2による燃料電池の電流−電圧特性を示すグラフである。
第4図は、実施例3と比較例2による燃料電池のカソード電位を示すグラフである。
第5図は、実施例4による燃料電池の電流−電圧特性を表すグラフである。
第6図は、実施例5による燃料電池の電流−電圧特性を表すグラフである。
第7図は、実施例6による燃料電池の電流−電圧特性を表すグラフである。
第8図は、実施例7による燃料電池の電流−電圧特性を表すグラフである。
第9図は、実施例8による燃料電池の電流−電圧特性を表すグラフである。
第10図は、実施例9による燃料電池の電流−電圧特性を表すグラフである。
第11図は、実施例10による燃料電池の電流−電圧特性を表すグラフである。
FIG. 1 is a cyclic voltammogram of each fuel used in the present invention in a 0.5 M sulfuric acid solution.
FIG. 2 is a graph showing current-voltage characteristics of the fuel cell according to Example 1.
FIG. 3 is a graph showing current-voltage characteristics of the fuel cell according to Example 2.
FIG. 4 is a graph showing the cathode potential of the fuel cells according to Example 3 and Comparative Example 2.
FIG. 5 is a graph showing current-voltage characteristics of the fuel cell according to Example 4.
FIG. 6 is a graph showing current-voltage characteristics of the fuel cell according to Example 5.
FIG. 7 is a graph showing current-voltage characteristics of the fuel cell according to Example 6.
FIG. 8 is a graph showing current-voltage characteristics of the fuel cell according to Example 7.
FIG. 9 is a graph showing current-voltage characteristics of the fuel cell according to Example 8.
FIG. 10 is a graph showing current-voltage characteristics of the fuel cell according to Example 9.
FIG. 11 is a graph showing current-voltage characteristics of the fuel cell according to Example 10.

以下に実施例および比較例を挙げて、本発明をさらに具体的に説明する。  Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples.

アノード触媒には白金−ルテニウムブラックを、カソード触媒にはポリテトラフルオロエチレンで撥水化処理した白金ブラックをそれぞれ用いた。それぞれの触媒を高分子電解質溶液と混合して触媒インクとし、薄膜化させて電極シートを作製した後、高分子電解質膜(“Nafion−117”商標名、デュポン社製)の両面にホットプレスして、膜−電極接合体を得た。
得られた膜−電極接合体の両面をカーボンクロスで挟んで燃料電池セルを組み立て、アノードには所定の燃料の水溶液を供給し、カソードには空気を自然拡散させることにより、室温で燃料電池の発電性能を評価した。
種々の燃料を用いた場合の開回路電圧の値を第1表に示す。

Figure 0004238364
また、第2図に、水溶液濃度0.5Mのアスコルビン酸、亜ジチオン酸ナトリウム、亜リン酸および次亜リン酸をそれぞれ燃料として用いた場合の電流−電圧特性を示す。Platinum-ruthenium black was used for the anode catalyst, and platinum black water-repellently treated with polytetrafluoroethylene was used for the cathode catalyst. Each catalyst is mixed with a polymer electrolyte solution to form a catalyst ink, which is made into a thin film to produce an electrode sheet, and then hot pressed on both sides of the polymer electrolyte membrane ("Nafion-117" brand name, manufactured by DuPont). Thus, a membrane-electrode assembly was obtained.
A fuel cell is assembled by sandwiching both surfaces of the obtained membrane-electrode assembly with carbon cloth, an aqueous solution of a predetermined fuel is supplied to the anode, and air is naturally diffused to the cathode. The power generation performance was evaluated.
Table 1 shows the values of the open circuit voltage when various fuels are used.
Figure 0004238364
FIG. 2 shows current-voltage characteristics when ascorbic acid, sodium dithionite, phosphorous acid and hypophosphorous acid having an aqueous solution concentration of 0.5 M are used as fuels, respectively.

実施例1における白金−ルテニウムブラックに代えて、白金、ルテニウム、パラジウム、イリジウムおよびロジウムの各種ブラックをアノード触媒として用い、実施例1と同様にして、それぞれ燃料電池セルを作製した。
また、アノード側に触媒を用いず、カーボンクロスを高分子電解質膜に直接的に接触させることにより、実施例1に準じて、燃料電池セルを作製した。
次いで、アノードに1Mアスコルビン酸水溶液を供給し、カソードには空気を自然拡散させることにより、室温で各燃料電池の発電性能を評価した。
これらの燃料電池の電流−電圧特性を第3図に示す。なお、第3図には、実施例1によるアスコルビン酸を燃料とする電池の電流−電圧特性を併せて示してある。
第3図は、アノードに触媒を用いない場合を含む、全てのアノード上でアスコルビン酸の酸化反応が進行し、燃料電池が作動したことを示している。
本実施例の結果から、本発明によれば、使用できるアノード触媒の種類が多くなり、さらに、アノード側に白金−ルテニウム触媒を用いなくても、さらには触媒を用いなくても、燃料電池発電が可能となることが明らかである。
比較例1
実施例2で作製した燃料電池セルのアノード側に1Mメタノール溶液を供給し、発電性能を評価した。
メタノールを燃料に用いた場合の燃料電池の性能は、アノード触媒:白金−ルテニウム>白金>イリジウムの順であり、パラジウム、ロジウム、ルテニウムおよび触媒なしの場合には、室温で燃料電池を作動させることができなかった。
In place of platinum-ruthenium black in Example 1, platinum, ruthenium, palladium, iridium, and rhodium blacks were used as anode catalysts, and fuel cells were produced in the same manner as in Example 1.
In addition, a fuel cell was produced according to Example 1 by directly contacting the carbon cloth with the polymer electrolyte membrane without using a catalyst on the anode side.
Subsequently, 1 M ascorbic acid aqueous solution was supplied to the anode, and air was naturally diffused to the cathode, thereby evaluating the power generation performance of each fuel cell at room temperature.
The current-voltage characteristics of these fuel cells are shown in FIG. FIG. 3 also shows the current-voltage characteristics of the battery using ascorbic acid as a fuel according to Example 1.
FIG. 3 shows that the oxidation reaction of ascorbic acid progressed on all the anodes, including the case where no catalyst was used for the anodes, and the fuel cell was activated.
From the results of the present example, according to the present invention, the number of types of anode catalysts that can be used is increased, and even if no platinum-ruthenium catalyst is used on the anode side, fuel cell power generation is possible without using any catalyst. It is clear that this is possible.
Comparative Example 1
A 1M methanol solution was supplied to the anode side of the fuel cell produced in Example 2, and power generation performance was evaluated.
The performance of the fuel cell when methanol is used as the fuel is in the order of anode catalyst: platinum-ruthenium>platinum> iridium. When palladium, rhodium, ruthenium and no catalyst are used, the fuel cell is operated at room temperature. I could not.

実施例1と同様にして作製した燃料電池セルにおいて、0.5M硫酸を用いて電解質膜から水素電極(RHE)と液絡をとり、三極式セルを作製した。
アノード側に1Mアスコルビン酸水溶液を供給し、室温でRHEを参照極としてカソード側の電位を測定した。第4図は、下記比較例2(燃料=メタノール)の結果とともに、本実施例によるカソード電位を示す。
比較例2
実施例3と同様にして作製した燃料電池セルのアノード側に1Mメタノール溶液を供給し、室温でカソード電位を測定した。
第4図に示す結果から明らかな様に、メタノールを燃料とする比較例2に比べて、本発明によるアスコルビン酸を燃料とする実施例3は、高いカソード電位を示している。メタノールはアノードからカソードへの膜透過性が大きく、カソード電位が混成電位となって低下することが知られている。これに対し、本発明において用いる燃料では、カソード電位が高いことから、クロスオーバーは小さいと考えられる。
In the fuel cell produced in the same manner as in Example 1, a triode cell was produced by taking a liquid junction with the hydrogen electrode (RHE) from the electrolyte membrane using 0.5 M sulfuric acid.
A 1M ascorbic acid aqueous solution was supplied to the anode side, and the potential on the cathode side was measured at room temperature using RHE as a reference electrode. FIG. 4 shows the cathode potential according to this example, together with the results of Comparative Example 2 (fuel = methanol) shown below.
Comparative Example 2
A 1M methanol solution was supplied to the anode side of the fuel cell produced in the same manner as in Example 3, and the cathode potential was measured at room temperature.
As is apparent from the results shown in FIG. 4, Example 3 using ascorbic acid as a fuel according to the present invention shows a higher cathode potential than Comparative Example 2 using methanol as a fuel. It is known that methanol has a large membrane permeability from the anode to the cathode, and the cathode potential becomes a mixed potential and decreases. On the other hand, the fuel used in the present invention has a high cathode potential, so it is considered that the crossover is small.

白金、ルテニウム、パラジウム、イリジウム、ロジウムおよび白金−ルテニウムの各種ブラックをアノード触媒として用い、実施例1と同様にして、それぞれ燃料電池セルを作製した。
また、アノード側に触媒を用いることなく、集電体であるカーボンクロスを高分子電解質膜に直接的に接触させることにより、実施例1に準じて、燃料電池セルを作製した。
次いで、アノードには0.5Mイソアスコルビン酸水溶液を、カソードには酸素を100ml/minで供給し、室温での各燃料電池の発電特性を評価した。これらの燃料電池の電流−電圧特性を第5図に示す。
Fuel cells were prepared in the same manner as in Example 1, using platinum, ruthenium, palladium, iridium, rhodium, and various platinum-ruthenium blacks as the anode catalyst.
Further, a fuel cell was produced according to Example 1 by directly contacting a carbon cloth as a current collector with a polymer electrolyte membrane without using a catalyst on the anode side.
Next, 0.5 M isoascorbic acid aqueous solution was supplied to the anode and oxygen was supplied to the cathode at 100 ml / min, and the power generation characteristics of each fuel cell at room temperature were evaluated. The current-voltage characteristics of these fuel cells are shown in FIG.

白金、ルテニウム、パラジウム、イリジウム、ロジウムおよび白金−ルテニウムの各種ブラックをアノード触媒として用い、実施例1と同様にして、それぞれ燃料電池セルを作製した。
また、アノード側に触媒を用いることなく、カーボンクロスを高分子電解質膜に押し付けた場合についても、実施例1に準じて、燃料電池セルを作製した。
次いで、アノードには0.05M亜硫酸水溶液を供給し、カソードには空気を自然拡散させることにより、室温での各燃料電池の発電特性を評価した。これらの燃料電池の電流−電圧特性を第6図に示す。
Fuel cells were prepared in the same manner as in Example 1, using platinum, ruthenium, palladium, iridium, rhodium, and various platinum-ruthenium blacks as the anode catalyst.
Further, in the case where the carbon cloth was pressed against the polymer electrolyte membrane without using a catalyst on the anode side, a fuel cell was produced according to Example 1.
Next, 0.05 M aqueous sulfite solution was supplied to the anode, and air was naturally diffused to the cathode, thereby evaluating the power generation characteristics of each fuel cell at room temperature. The current-voltage characteristics of these fuel cells are shown in FIG.

燃料として0.005M亜硫酸水素ナトリウム水溶液を用いた以外は、実施例5と同様にして各燃料電池の発電特性を評価した。これらの燃料電池の電流−電圧特性を第7図に示す。  The power generation characteristics of each fuel cell were evaluated in the same manner as in Example 5 except that a 0.005M sodium hydrogen sulfite aqueous solution was used as the fuel. FIG. 7 shows the current-voltage characteristics of these fuel cells.

燃料として0.5M亜ジチオン酸ナトリウム水溶液を用いた以外は、実施例5と同様にして各燃料電池の発電特性を評価した。これらの燃料電池の電流−電圧特性を第8図に示す。  The power generation characteristics of each fuel cell were evaluated in the same manner as in Example 5 except that 0.5 M sodium dithionite aqueous solution was used as the fuel. FIG. 8 shows the current-voltage characteristics of these fuel cells.

燃料として0.5M亜リン酸水溶液を用いた以外は、実施例5と同様にして各燃料電池の発電特性を評価した。これらの燃料電池の電流−電圧特性を第9図に示す。  The power generation characteristics of each fuel cell were evaluated in the same manner as in Example 5 except that 0.5M phosphorous acid aqueous solution was used as the fuel. FIG. 9 shows the current-voltage characteristics of these fuel cells.

燃料として0.5M次亜リン酸水溶液を用いた以外は、実施例5と同様にして各燃料電池の発電特性を評価した。これらの燃料電池の電流−電圧特性を第10図に示す。  The power generation characteristics of each fuel cell were evaluated in the same manner as in Example 5 except that 0.5M hypophosphorous acid aqueous solution was used as the fuel. The current-voltage characteristics of these fuel cells are shown in FIG.

市販されている各種のカーボンブラック“Vulcan XC−72”(商標名、Cabot社製)、“Ketjen Black EC”(商品名、Ketjen Black International社製)、“Ketjen Black EC−600JD”(商品名、Ketjen Black International社製)または“Black Pearls 2000”(商標名、Cabot社製)をエタノールと水の混合溶媒中に分散させ、カーボンクロスに含浸させた後、乾燥することにより、カーボンクロス上にカーボンブラックを固定した。
実施例1において、アノード触媒として用いられている白金−ルテニウムブラックを用いることなく、高分子電解質膜の片面にカソードの白金ブラックのみをホットプレスして、膜−カソード接合体とした。次いで、得られた膜−カソード接合体のカソードの反対側膜面には上記の方法でカーボンブラックを取り付けたカーボンクロスを、カソード側膜面には通常のカーボンクロスを押しあてて燃料電池セルを組み立てた。
得られた燃料電池セルを用いて、アノード側には0.5Mアスコルビン酸水溶液を供給し、カソードには空気を自然拡散させることにより、室温で燃料電池の発電特性を評価した。これらの燃料電池の電流−電圧特性を第11図に示す。
なお、第11図には、実施例2において、カーボンクロスのみ(カーボンブラックなし)を高分子電解質膜面のアノード側に直接押しあてた場合の電流−電圧特性を併せて示してある(最下方の曲線)。
第11図は、アノード側に配置するカーボンクロス上に比表面積の大きい各種カーボンブラックを取り付けることにより、アスコルビン酸燃料電池の性能が向上していることを示している。
本実施例の結果から、アノード側の触媒として、カーボンブラックなどの比表面積の大きい炭素材料などを使用することにより、アスコルビン酸燃料電池の高性能化を達成できることが明らかである。すなわち、比表面積の大きい炭素材料が、白金、パラジウムなどの貴金属触媒に代替しうる高性能の電極触媒であることが明らかである。
Various commercially available carbon blacks “Vulcan XC-72” (trade name, manufactured by Cabot), “Ketjen Black EC” (trade name, manufactured by Ketjen Black International), “Ketjen Black EC-600JD” (trade name, Ketjen Black International) or “Black Pearls 2000” (trade name, manufactured by Cabot) is dispersed in a mixed solvent of ethanol and water, impregnated in a carbon cloth, and dried to dry the carbon on the carbon cloth. Black was fixed.
In Example 1, without using the platinum-ruthenium black used as the anode catalyst, only the platinum black of the cathode was hot pressed on one side of the polymer electrolyte membrane to obtain a membrane-cathode assembly. Next, a fuel cell is placed by pressing a carbon cloth on which carbon black is attached by the above-described method on the opposite membrane surface of the obtained membrane-cathode assembly, and a normal carbon cloth on the cathode membrane surface. Assembled.
Using the obtained fuel cell, 0.5 M ascorbic acid aqueous solution was supplied to the anode side, and air was naturally diffused to the cathode to evaluate the power generation characteristics of the fuel cell at room temperature. The current-voltage characteristics of these fuel cells are shown in FIG.
FIG. 11 also shows current-voltage characteristics when only carbon cloth (without carbon black) is directly pressed against the anode side of the polymer electrolyte membrane surface in Example 2 (lowermost part). Curve).
FIG. 11 shows that the performance of the ascorbic acid fuel cell is improved by attaching various carbon blacks having a large specific surface area on the carbon cloth disposed on the anode side.
From the results of this example, it is clear that the performance of ascorbic acid fuel cells can be achieved by using a carbon material having a large specific surface area such as carbon black as the catalyst on the anode side. That is, it is clear that the carbon material having a large specific surface area is a high-performance electrode catalyst that can be substituted for a noble metal catalyst such as platinum or palladium.

Claims (7)

アスコルビン酸、イソアスコルビン酸、クエン酸、酒石酸、亜硫酸、チオ硫酸、亜硫酸水素、亜ジチオン酸、亜リン酸、次亜リン酸とそれらの塩からなる群から選ばれる少なくとも一種を燃料として直接作動させることを特徴とする固体高分子形燃料電池。Direct operation using at least one selected from the group consisting of ascorbic acid, isoascorbic acid, citric acid, tartaric acid, sulfurous acid, thiosulfuric acid, hydrogen sulfite, dithionic acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid and their salts as fuel A polymer electrolyte fuel cell characterized by the above. アスコルビン酸、イソアスコルビン酸、クエン酸、酒石酸とそれらの塩からなる群から選ばれる少なくとも一種を燃料として使用する請求項1に記載の固体高分子形燃料電池。2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein at least one selected from the group consisting of ascorbic acid, isoascorbic acid, citric acid, tartaric acid and salts thereof is used as fuel. 亜硫酸、チオ硫酸、亜硫酸水素、亜ジチオン酸、亜リン酸、次亜リン酸とそれらの塩からなる群から選ばれる少なくとも一種を燃料として使用する請求項1に記載の固体高分子形燃料電池。2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein at least one selected from the group consisting of sulfurous acid, thiosulfuric acid, hydrogen sulfite, dithionic acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid and salts thereof is used as fuel. アノード触媒として金属を使用する請求項1に記載の固体高分子形燃料電池。2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein a metal is used as the anode catalyst. アスコルビン酸、イソアスコルビン酸、亜硫酸、亜硫酸水素、亜ジチオン酸とそれらの塩からなる群から選ばれる少なくとも一種を燃料とし、アノード触媒として炭素材料を使用する請求項1に記載の固体高分子形燃料電池。2. The solid polymer fuel according to claim 1, wherein at least one selected from the group consisting of ascorbic acid, isoascorbic acid, sulfurous acid, hydrogen sulfite, dithionic acid and salts thereof is used as a fuel, and a carbon material is used as an anode catalyst. battery. アノード触媒としてカーボンブラックを使用する請求項5に記載の固体高分子形燃料電池。6. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 5, wherein carbon black is used as an anode catalyst. アスコルビン酸、イソアスコルビン酸、亜硫酸、亜硫酸水素、亜ジチオン酸とそれらの塩からなる群から選ばれる少なくとも一種を燃料とし、カーボンペーパーまたはカーボンクロスからなる集電体を固体高分子膜に接触させて、電極触媒の不存在下に直接作動させる請求項1に記載の固体高分子形燃料電池。At least one selected from the group consisting of ascorbic acid, isoascorbic acid, sulfurous acid, hydrogen sulfite, dithionic acid and their salts is used as a fuel, and a current collector made of carbon paper or carbon cloth is brought into contact with the solid polymer film. 2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, which is directly operated in the absence of an electrode catalyst.
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