JP4625658B2 - Fuel cell electrode, membrane electrode composite, and fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池用電極もしくは固体電解質などに好適に使用されるプロトン伝導体と、プロトン伝導体を含有する膜電極複合体と、膜電極複合体を備えた燃料電池とに関するものである   The present invention relates to a proton conductor preferably used for an electrode for a fuel cell or a solid electrolyte, a membrane electrode composite containing the proton conductor, and a fuel cell provided with the membrane electrode composite.

プロトン伝導性固体電解質はエレクトロクロミック材料やセンサー、特に最近は低温で動作する高エネルギー密度の燃料電池への応用に向けて盛んに研究されている。   Proton-conducting solid electrolytes are being actively researched for applications in electrochromic materials and sensors, particularly recently in high energy density fuel cells operating at low temperatures.

燃料電池はプロトン伝導性固体電解質の一方に燃料極(アノード)を設けて水素あるいはメタノールなどの燃料を供給し、電解質の他方の面に酸化剤極(カソード)を設けて酸化剤を供給する。アノードで電気化学的に燃料が酸化され、プロトンと電子(外部回路へ流れる)が生成し、プロトン伝導性固体電解質を通してプロトンはカソードに到達し、酸化剤と外部回路からきた電子とにより水を生成して電力を取り出せる仕組みになっている。   In the fuel cell, a fuel electrode (anode) is provided on one of the proton conductive solid electrolytes to supply a fuel such as hydrogen or methanol, and an oxidant electrode (cathode) is provided on the other surface of the electrolyte to supply an oxidant. The fuel is oxidized electrochemically at the anode, producing protons and electrons (flowing to the external circuit), protons reach the cathode through the proton-conducting solid electrolyte, and water is generated by the oxidant and electrons coming from the external circuit. The power can be taken out.

プロトン伝導性固体電解質としては有機高分子系イオン交換膜であるパーフルオロスルホン酸含有高分子が知られており、具体的にはテトラフルオロエチレンとパーフルオロビニルエーテルとの共重合体をベースとし、イオン交換基としてスルホン酸基を有するもの(例えば、デュポン社製の商品名ナフィオンなど)が知られている。パーフルオロスルホン酸含有高分子を電解質として用いた場合、膜に含まれる水分が乾燥によって減少しプロトン伝導度の低下が起こるため、高出力を得られる100℃付近での使用は厳しい水管理を必要とし、システムが極めて複雑になる。また、パーフルオロスルホン酸含有高分子は、クラスター構造を持つために疎な分子構造を有し、メタノールなどの有機液体燃料が電解質膜を透過してカソード側へ到達するクロスオーバーを生じやすい。この現象が生じた場合には、供給された液体燃料と酸化剤とが直接反応してしまい、エネルギーを電力として出力することができない。したがって、安定した出力を得ることができないという決定的な問題が生じる。   Perfluorosulfonic acid-containing polymers that are organic polymer ion exchange membranes are known as proton-conducting solid electrolytes, specifically based on a copolymer of tetrafluoroethylene and perfluorovinyl ether, Those having a sulfonic acid group as an exchange group (for example, trade name Nafion manufactured by DuPont) are known. When a perfluorosulfonic acid-containing polymer is used as the electrolyte, the moisture contained in the membrane is reduced by drying and the proton conductivity decreases, so use at around 100 ° C where high output can be obtained requires strict water management. And the system becomes extremely complex. In addition, the perfluorosulfonic acid-containing polymer has a sparse molecular structure because it has a cluster structure, and a crossover in which an organic liquid fuel such as methanol passes through the electrolyte membrane and reaches the cathode side easily occurs. When this phenomenon occurs, the supplied liquid fuel and oxidant react directly, and energy cannot be output as electric power. Therefore, the critical problem that a stable output cannot be obtained arises.

無機固体酸系イオン交換膜としては固体超強酸性を有する硫酸担持金属酸化物(例えば特許文献1)が知られており、具体的にはジルコニウム、チタン、鉄、錫、シリコン、アルミニウム、モリブデン、タングステンから選ばれる元素を1種類以上含む酸化物表面に硫酸を担持し、熱処理によって酸化物表面に硫酸を固定化したものである。硫酸担持金属酸化物は固定化された硫酸根によってプロトン伝導性が発現するものであるが、加水分解により硫酸根が逸脱し、プロトン伝導度の低下が起こるため、発電の過程で水を生じる燃料電池、特に液体燃料を用いる燃料電池のプロトン伝導性固体電解質としては不安定であり、長期の電力安定供給には不適切な材料であると推測される。   As an inorganic solid acid-based ion exchange membrane, a sulfuric acid-supported metal oxide having a solid superacidity (for example, Patent Document 1) is known. Specifically, zirconium, titanium, iron, tin, silicon, aluminum, molybdenum, Sulfuric acid is supported on the oxide surface containing one or more elements selected from tungsten, and the sulfuric acid is immobilized on the oxide surface by heat treatment. Sulfuric acid-supported metal oxides exhibit proton conductivity due to immobilized sulfate radicals, but the sulfate radicals deviate from hydrolysis, and the proton conductivity decreases, so fuel that generates water during the power generation process. The proton conductive solid electrolyte of a battery, particularly a fuel cell using a liquid fuel, is unstable and presumed to be an inappropriate material for long-term stable power supply.

また、特許文献2には、プロトン伝導性物質として、プロトン伝導性を有する金属酸化物水和物を使用することが記載されている。この金属酸化物水和物では、高温下での発電等による乾燥で水和水が抜けると、構造が収縮するため、その後に水を供給しても元の水和物に戻らず、十分な発電性能を得られないという問題点がある。
特開2002−216537号公報 特開2003−142124号公報
Patent Document 2 describes that a metal oxide hydrate having proton conductivity is used as the proton conductive substance. In this metal oxide hydrate, the structure shrinks when the hydrated water is removed by drying by power generation at a high temperature and the like. There is a problem that power generation performance cannot be obtained.
JP 2002-216537 A JP 2003-142124 A

従来の燃料電池においては、プロトン伝導性固体電解質におけるプロトンの伝導には多量の同伴水が必要とされ、十分な水分が電解質に供給されなくてはならず、安定した電力の供給には複雑なシステムを必要とする水の管理が不可欠となっていた。また、メタノールなどの液体燃料を用いる燃料電池の場合、メタノールのクロスオーバーを十分に制御することができなかったので、安定した出力を得ることができなかった。   In conventional fuel cells, a large amount of entrained water is required for proton conduction in the proton-conducting solid electrolyte, and sufficient water must be supplied to the electrolyte, which is complicated for stable power supply. Management of water that requires a system has become essential. In addition, in the case of a fuel cell using a liquid fuel such as methanol, the methanol crossover could not be sufficiently controlled, and a stable output could not be obtained.

また、本発明は、安定した出力を供給することが可能な燃料電池用電極、膜電極複合体及び燃料電池を提供することを目的とする。   Another object of the present invention is to provide an electrode for a fuel cell, a membrane electrode assembly, and a fuel cell capable of supplying a stable output.

本発明に係る燃料電池用電極は、酸化還元触媒及びプロトン伝導性無機酸化物を含有する触媒層を備えた燃料電池用電極であって、
前記プロトン伝導性無機酸化物は、Ti、Zr、Si及びAlよりなる群から選択される少なくとも一種類からなる元素Yを含有する酸化物担体と、前記酸化物担体の表面に担持され、W、Mo、Cr及びVよりなる群から選択される少なくとも一種類からなる元素Xを含有する酸化物粒子とを含有することを特徴とするものである。
A fuel cell electrode according to the present invention is a fuel cell electrode provided with a catalyst layer containing a redox catalyst and a proton conductive inorganic oxide,
The proton conductive inorganic oxide is supported on the surface of an oxide carrier containing at least one element Y selected from the group consisting of Ti, Zr, Si and Al, and the surface of the oxide carrier, W, And oxide particles containing at least one element X selected from the group consisting of Mo, Cr and V.

本発明に係る膜電極複合体は、燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極の間に配置された電解質膜とを具備する膜電極複合体において、
前記燃料極及び前記酸化剤極のうちの少なくともいずれかが、Ti、Zr、Si及びAlよりなる群から選択される少なくとも一種類からなる元素Yを含有する酸化物担体と、前記酸化物担体の表面に担持され、W、Mo、Cr及びVよりなる群から選択される少なくとも一種類からなる元素Xを含有する酸化物粒子とを含有するプロトン伝導性無機酸化物を含むことを特徴とするものである。
A membrane electrode assembly according to the present invention comprises a fuel electrode, an oxidant electrode, and an electrolyte membrane disposed between the fuel electrode and the oxidant electrode.
At least one of the fuel electrode and the oxidizer electrode, Ti, Zr, and oxide carrier containing the element Y consisting of at least one selected from the group consisting of Si and Al, the oxide support Proton-conducting inorganic oxide which is supported on the surface and contains oxide particles containing at least one element X selected from the group consisting of W, Mo, Cr and V It is.

本発明に係る燃料電池は、燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極の間に配置された電解質膜とを含む膜電極複合体を備え、
前記燃料極及び前記酸化剤極のうちの少なくともいずれかが、Ti、Zr、Si及びAlよりなる群から選択される少なくとも一種類からなる元素Yを含有する酸化物担体と、前記酸化物担体の表面に担持され、W、Mo、Cr及びVよりなる群から選択される少なくとも一種類からなる元素Xを含有する酸化物粒子とを含有するプロトン伝導性無機酸化物を含むことを特徴とするものである。
A fuel cell according to the present invention includes a membrane electrode assembly including a fuel electrode, an oxidant electrode, and an electrolyte membrane disposed between the fuel electrode and the oxidant electrode,
At least one of the fuel electrode and the oxidizer electrode, Ti, Zr, and oxide carrier containing the element Y consisting of at least one selected from the group consisting of Si and Al, the oxide support Proton-conducting inorganic oxide which is supported on the surface and contains oxide particles containing at least one element X selected from the group consisting of W, Mo, Cr and V It is.

定した出力を供給できる燃料電池用電極、膜電極複合体及び燃料電池を提供することができる。 It is possible to provide a fuel cell electrode, a membrane electrode assembly and a fuel cell capable of supplying an output to stable.

まず、本発明で用いるプロトン伝導性無機酸化物について説明する。   First, the proton conductive inorganic oxide used in the present invention will be described.

このプロトン伝導性無機酸化物は、Ti、Zr、Si及びAlよりなる群から選択される少なくとも一種類からなる元素Yを含有する酸化物担体と、前記酸化物担体の表面に担持され、W、Mo、Cr及びVよりなる群から選択される少なくとも一種類からなる元素Xを含有する酸化物粒子とを含有する。   This proton conductive inorganic oxide is supported on the surface of an oxide carrier containing at least one element Y selected from the group consisting of Ti, Zr, Si and Al, and the surface of the oxide carrier, W, And oxide particles containing at least one element X selected from the group consisting of Mo, Cr and V.

本発明で用いるプロトン伝導性無機酸化物における正確なプロトン伝導機構はまだ解明されていないが、元素Yを含有する酸化物担体(以下、酸化物担体Aと称す)の表面に元素Xを含有する酸化物粒子(以下、酸化物粒子Bと称す)が担持されることで、酸化物粒子Bの構造内にルイス酸点が生成し、このルイス酸点が水和することでブレンステッド酸点になり、プロトンの伝導場が形成されると考えられる。また、プロトン伝導性無機酸化物は非晶質構造を有した場合、このこともルイス酸点生成の促進に寄与しているものと推測される。   Although the exact proton conduction mechanism in the proton conductive inorganic oxide used in the present invention has not yet been elucidated, the element X is contained on the surface of an oxide carrier containing the element Y (hereinafter referred to as oxide carrier A). By supporting oxide particles (hereinafter referred to as oxide particles B), Lewis acid points are generated in the structure of oxide particles B, and the Lewis acid points are hydrated to bring them to Bronsted acid points. Thus, it is considered that a proton conduction field is formed. In addition, when the proton conductive inorganic oxide has an amorphous structure, it is presumed that this also contributes to the promotion of Lewis acid point generation.

ルイス酸点によるプロトン生成反応に加えて、プロトン伝達に必要な同伴水の分子数を少なくすることができるため、プロトン伝導性無機酸化物の表面に存在する少量の水分子で高いプロトン伝導性を得ることが可能になり、発電時の厳格な水管理を行わずに大きな発電量を得ることができる。従って、このプロトン伝導性無機酸化物を、燃料極、酸化剤極及び電解質膜の少なくともいずれかに含有させることで、セル抵抗を低くすることができ、燃料電池の最大発電量を増加させることができる。   In addition to the proton generation reaction due to the Lewis acid point, the number of entrained water molecules necessary for proton transfer can be reduced, so high proton conductivity can be achieved with a small amount of water molecules present on the surface of the proton conductive inorganic oxide. It is possible to obtain a large amount of power generation without performing strict water management during power generation. Therefore, by including this proton conductive inorganic oxide in at least one of the fuel electrode, the oxidant electrode and the electrolyte membrane, the cell resistance can be lowered and the maximum power generation amount of the fuel cell can be increased. it can.

また、このプロトン伝導性無機酸化物を含有するプロトン伝導性固体電解質によると、メタノールのような液体燃料の透過を抑制することが可能である。特に、プロトン伝導性無機酸化物の結着のために高分子材料を添加すると、プロトン伝導性固体電解質の緻密性がさらに高くなるため、液体燃料の透過をさらに抑えることが可能である。   Moreover, according to the proton conductive solid electrolyte containing this proton conductive inorganic oxide, it is possible to suppress permeation of a liquid fuel such as methanol. In particular, when a polymer material is added for binding the proton conductive inorganic oxide, the density of the proton conductive solid electrolyte is further increased, and thus the permeation of the liquid fuel can be further suppressed.

ところで、酸化物粒子Bは、元素やpHの環境によってその溶解度が変動するものの、水溶性を有している。この酸化物粒子Bを水溶性の低い酸化物担体Aに担持させているため、酸化物粒子Bの水への溶解を抑えることができ、プロトン伝導性無機酸化物の水及び液体燃料に対する安定性を高くすることができる。また、溶出した酸化物粒子Bのイオンによる他の燃料電池材料や装置の汚染も回避することができる。従って、本発明によれば、燃料電池において高い長期信頼性を得ることができる。さらに、安価な酸化物担体Aを母材とすることで電池の製造コストを抑えることも可能である。   By the way, the oxide particle B has water solubility although its solubility varies depending on the element and pH environment. Since the oxide particles B are supported on the oxide carrier A having low water solubility, the dissolution of the oxide particles B in water can be suppressed, and the stability of the proton conductive inorganic oxide to water and liquid fuel can be suppressed. Can be high. Further, contamination of other fuel cell materials and devices due to ions of the eluted oxide particles B can be avoided. Therefore, according to the present invention, high long-term reliability can be obtained in the fuel cell. Furthermore, the manufacturing cost of the battery can be suppressed by using an inexpensive oxide carrier A as a base material.

酸化物担体Aに酸化物粒子Bが担持されていることの確認は、例えば、X線回折(XRD)、電子プローブ微量分析(EPMA)、X線電子分光法(XPS)、エネルギー分散型X線分析(EDX)などの機器分析により行うことが可能である。また、酸化物担体Aはいずれも白色であるが、酸化物粒子Bは有色(Wが黄色、Moが灰色、Crが緑色、Vがオレンジ色)なので、目視による確認も可能である。   Confirmation that the oxide particles B are supported on the oxide carrier A is, for example, X-ray diffraction (XRD), electron probe microanalysis (EPMA), X-ray electron spectroscopy (XPS), energy dispersive X-ray It can be performed by instrumental analysis such as analysis (EDX). In addition, the oxide carriers A are all white, but the oxide particles B are colored (W is yellow, Mo is gray, Cr is green, and V is orange), so that visual confirmation is also possible.

酸化物担体Aは上記元素Y(Ti、Zr、Si及びAlよりなる群から選択される少なくとも一種類からなる)を含むガスを分解して酸化物を作る気相法、あるいは上記元素Yを含む金属アルコキシドを原料としてゾル―ゲル法などから合成することができるが、合成方法は限定されるものではなく、複数の元素を含む複合酸化物であっても良い。具体的には、TiO2、ZrO2、SiO2、Al23、Al23−SiO2、TiO2−SiO2、ZrO2−SiO2などが挙げられる。プロトン伝導性を十分に高くするためには、ZrO2を使用することが望ましい。また、製造コストを抑えつつ高いプロトン伝導性を得るには、TiO2を使用することが望ましい。ところで、酸化物担体Aの形状は粒子状、繊維状、平板状、層状、多孔性などの形状が挙げられるが限定されるものではない。 The oxide carrier A contains a gas phase method in which an oxide is produced by decomposing a gas containing the element Y (consisting of at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Si and Al), or the element Y. The metal alkoxide can be synthesized from a sol-gel method or the like as a raw material, but the synthesis method is not limited and may be a complex oxide containing a plurality of elements. Specifically, TiO 2, ZrO 2, SiO 2, Al 2 O 3, Al 2 O 3 -SiO 2, TiO 2 -SiO 2, such as ZrO 2 -SiO 2 and the like. In order to sufficiently increase proton conductivity, it is desirable to use ZrO 2 . Further, in order to obtain high proton conductivity while suppressing the manufacturing cost, it is desirable to use TiO 2 . By the way, examples of the shape of the oxide carrier A include, but are not limited to, particles, fibers, flat plates, layers, and porous shapes.

酸化物担体Aの表面に酸化物粒子Bを担持する方法は、元素X(W、Mo、Cr及びVよりなる群から選択される少なくとも一種類からなる)を含む物質を溶解した溶液、例えば塩化物、硝酸塩、水素酸、オキソ酸塩などの水溶液あるいは金属アルコキシドのアルコール溶液に酸化物担体Aを分散し、溶媒を除去することで担持した後、熱処理により酸化物粒子Bとするのが望ましいが、担持方法はこれに限定されるものではなく、複数の元素を含む複合酸化物の状態で担持されていてもよい。また、酸化物粒子Bは、酸化物担体Aの表面の少なくとも一部に担持されていれば良く、例えば、酸化物担体Aの表面に点在していたり、あるいは酸化物担体Aの表面を覆うような層状物である場合が挙げられる。また、酸化物粒子Bが酸化物担体Aの表面に担持されていれば良く、酸化物粒子Bまたは酸化物担体Aの結晶性は限定されるものではないが、ルイス酸点生成の促進、酸性度の向上に寄与する可能性、製造コストの低下、製造プロセスの容易さを考慮すれば酸化物粒子Bおよび酸化物担体Aはいずれも非晶質であることが望ましい。さらに、酸化物粒子Bは非晶質、酸化物担体Aは結晶であることがより望ましい。ただし、上記とは逆に、酸化物粒子Bと酸化物担体Aのいずれも結晶で使用する場合、あるいは酸化物粒子Bが結晶、酸化物担体Aが非晶質で使用する場合も可能である。   The method of supporting the oxide particles B on the surface of the oxide support A is a solution in which a substance containing the element X (consisting of at least one selected from the group consisting of W, Mo, Cr and V) is dissolved, for example, chloride It is desirable to disperse the oxide carrier A in an aqueous solution of a product, nitrate, hydrogen acid, oxoacid salt, etc. or an alcohol solution of a metal alkoxide, and carry the oxide carrier B by removing the solvent, and then heat treatment to form oxide particles B. The supporting method is not limited to this, and it may be supported in the state of a composite oxide containing a plurality of elements. The oxide particles B may be supported on at least a part of the surface of the oxide carrier A. For example, the oxide particles B are scattered on the surface of the oxide carrier A or cover the surface of the oxide carrier A. The case where it is such a layered material is mentioned. Further, the oxide particles B only have to be supported on the surface of the oxide carrier A, and the crystallinity of the oxide particles B or the oxide carrier A is not limited. Considering the possibility of contributing to the improvement of the degree of production, the reduction of the production cost, and the ease of the production process, it is desirable that both the oxide particles B and the oxide carrier A are amorphous. Further, it is more desirable that the oxide particles B are amorphous and the oxide carrier A is crystalline. However, contrary to the above, it is possible to use both the oxide particles B and the oxide carrier A in a crystal form, or the oxide particles B to be a crystal and the oxide carrier A to be used in an amorphous form. .

上述したようにプロトン伝導性無機酸化物の表面がプロトンの伝導場になるため、プロトン伝導性無機酸化物の比表面積は可能な限り大きいことが好ましいが、2000m2/gを超えると取り扱いや均一な合成の制御が難しく、比表面積が10m2/g未満のときは、十分なプロトン伝導性が得られない恐れがあるため、10〜2000m2/gの範囲の比表面積を有することが好ましい。 As described above, since the surface of the proton conductive inorganic oxide becomes a proton conduction field, it is preferable that the specific surface area of the proton conductive inorganic oxide is as large as possible, but if it exceeds 2000 m 2 / g, it is handled and uniform. When the specific surface area is less than 10 m 2 / g, there is a possibility that sufficient proton conductivity may not be obtained. Therefore, the specific surface area is preferably in the range of 10 to 2000 m 2 / g.

酸化物担体Aに担持される酸化物粒子Bは、酸化物Bの元素Xと酸化物Aの元素Yとの元素比(X/Y)が0.0001未満になると担持量が少なく、プロトンの伝導場が少ないためにプロトン伝導度が低くなる恐れがある。一方、元素比(X/Y)が20を超えると担持量が多く、プロトンの伝導場を元素Xを含む酸化物粒子Bが覆い隠してしまうためにプロトン伝導度が低くなる可能性がある。したがって、酸化物Bの元素Xと酸化物Aの元素Yとの元素比(X/Y)は0.0001〜20の範囲であることが好ましく、0.01〜1の範囲であることがより望ましい。   The oxide particles B supported on the oxide support A have a small amount of support when the element ratio (X / Y) of the element X of the oxide B to the element Y of the oxide A is less than 0.0001. The proton conductivity may be lowered due to the small conduction field. On the other hand, when the element ratio (X / Y) exceeds 20, the supported amount is large, and the oxide particles B containing the element X cover the proton conduction field, which may lower the proton conductivity. Therefore, the element ratio (X / Y) of the element X of the oxide B to the element Y of the oxide A is preferably in the range of 0.0001 to 20, and more preferably in the range of 0.01 to 1. desirable.

本発明で用いるプロトン伝導性無機酸化物は、例えば、酸化物担体Aに酸化物粒子B前駆体を担持した後、大気中のような酸化雰囲気で熱処理することにより得られる。処理温度が200℃より低いと、酸化物担体Aと酸化物粒子Bの間に十分な化学結合が形成されず、得られる酸化物のプロトン伝導性が低くなる可能性がある。一方、処理温度が1000℃を超える高温では、粒子同士の融合が生じて比表面積が小さくなるため、高いプロトン伝導性を得られない恐れがある。熱処理温度は200〜1000℃とすることが好ましいが、400〜700℃で熱処理することがより望ましい。また、200℃では温度が低いため酸化物担体Aと酸化物粒子Bの間に結合が形成しにくく長時間の熱処理を要するが、1000℃付近の高温になると結合が形成しやすいため、短時間での熱処理で合成される。   The proton conductive inorganic oxide used in the present invention can be obtained, for example, by supporting the oxide particle B precursor on the oxide carrier A and then performing a heat treatment in an oxidizing atmosphere such as the air. When the treatment temperature is lower than 200 ° C., a sufficient chemical bond is not formed between the oxide support A and the oxide particles B, and the proton conductivity of the obtained oxide may be lowered. On the other hand, when the treatment temperature is higher than 1000 ° C., the particles are fused with each other and the specific surface area is reduced, so that high proton conductivity may not be obtained. The heat treatment temperature is preferably 200 to 1000 ° C., more preferably 400 to 700 ° C. Further, since the temperature is low at 200 ° C., it is difficult to form a bond between the oxide carrier A and the oxide particles B, and a long heat treatment is required. It is synthesized by heat treatment at

プロトン伝導性無機酸化物は、固体超強酸を示すことが望ましい。プロトンの解離度を酸強度として表現でき、固体酸の酸強度はHammettの酸度関数H0として表わされ、硫酸の場合H0は−11.93である。プロトン伝導性無機酸化物は、H0<−11.93となる固体超強酸性を示すことがより好ましい。 The proton conductive inorganic oxide desirably exhibits a solid superacid. The degree of proton dissociation can be expressed as acid strength, the acid strength of solid acid is expressed as Hammett acidity function H 0 , and in the case of sulfuric acid, H 0 is −11.93. More preferably, the proton-conductive inorganic oxide exhibits solid superacidity so that H 0 <-11.93.

一実施形態に係る膜電極複合体及び燃料電池に用いられるプロトン伝導性固体電解質は、プロトン伝導性無機酸化物と高分子材料を含有していることが望ましい。このようなプロトン伝導性固体電解質において、プロトン伝導性無機酸化物が高分子材料中に含有されているか、もしくはプロトン伝導性無機酸化物が高分子材料により結着していることがさらに望ましい。高分子材料は特に限定はないが、具体的にはポリスチレンやポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンあるいは他のエンジニアリングプラスチック材料が挙げられる。また上記高分子材料にスルホン酸、リン酸、その他のプロトンキャリアをドープあるいは化学的に結合、固定化した材料、あるいはパーフルオロスルホン酸などプロトン伝導性を発現する高分子材料であってもよい。中でも、ポリアクリロニトリル(PAN)が極性が高いために望ましい。 The proton conductive solid electrolyte used in the membrane electrode assembly and fuel cell according to one embodiment preferably contains a proton conductive inorganic oxide and a polymer material. In such a proton conductive solid electrolyte, it is more desirable that the proton conductive inorganic oxide is contained in the polymer material or that the proton conductive inorganic oxide is bound by the polymer material. The polymer material is not particularly limited, and specific examples include polystyrene, polyether ketone, polyether ether ketone, polysulfone, polyether sulfone, and other engineering plastic materials. Further, the polymer material may be a material in which sulfonic acid, phosphoric acid or other proton carriers are doped, chemically bonded or immobilized, or a polymer material exhibiting proton conductivity such as perfluorosulfonic acid. Among these, polyacrylonitrile (PAN) is preferable because of its high polarity.

プロトン伝導性固体電解質において、プロトン伝導性無機酸化物と高分子材料の配合比は、高いプロトン伝導度を維持しつつ、液体燃料の透過を阻止する条件を満たすことが望ましい。膜全重量(T)に対しプロトン伝導性無機酸化物(S)の重量比(S/T)が0.5よりも小さいとプロトン伝導性無機酸化物の連続性が低下して伝導度が低くなる恐れがあるため、前記の重量比(S/T)が0.5〜0.999の範囲であることが望ましい。   In the proton conductive solid electrolyte, it is desirable that the mixing ratio of the proton conductive inorganic oxide and the polymer material satisfies the condition for preventing the permeation of liquid fuel while maintaining high proton conductivity. If the weight ratio (S / T) of the proton conductive inorganic oxide (S) to the total membrane weight (T) is less than 0.5, the continuity of the proton conductive inorganic oxide is lowered and the conductivity is low. Therefore, the weight ratio (S / T) is preferably in the range of 0.5 to 0.999.

プロトン伝導性固体電解質を燃料電池の固体電解質として使用する際には、一般的には膜の状態で使用されるが、これに限定されるものではなく筒状で用いることも可能である。即ち、プロトン伝導性無機酸化物と上記の有機高分子の分散混合物を、直接膜状にキャスティングする方法、あるいは、該分散混合物を多孔質芯材、織布または不織布などに含浸キャスティングするなどの方法を採用することができる。   When a proton conductive solid electrolyte is used as a solid electrolyte of a fuel cell, it is generally used in the form of a membrane, but is not limited to this and can be used in a cylindrical shape. That is, a method in which a dispersion mixture of a proton conductive inorganic oxide and the above organic polymer is directly cast into a film, or a method in which the dispersion mixture is impregnated into a porous core material, a woven fabric, a nonwoven fabric, or the like. Can be adopted.

プロトン伝導性固体電解質膜の厚さは、特に、制限はないが強度や液体燃料の透過性、プロトン伝導性など実用に耐え得る膜を得るには10μm以上が好ましく、また、膜抵抗の低減のためには300μm以下が好ましい。特に、燃料電池の内部抵抗を小さくするためには、10〜100μmがより好ましい。   The thickness of the proton conductive solid electrolyte membrane is not particularly limited, but is preferably 10 μm or more in order to obtain a membrane that can withstand practical use such as strength, liquid fuel permeability, and proton conductivity, and also reduces membrane resistance. Therefore, 300 μm or less is preferable. In particular, in order to reduce the internal resistance of the fuel cell, 10 to 100 μm is more preferable.

膜の厚さを制御するには、例えば前記のプロトン伝導性無機酸化物と上記の有機高分子の分散混合物を、直接膜状にキャスティングする場合、キャストするプロトン伝導性無機酸化物と上記の有機高分子の分散混合物の量あるいはキャスト面積で変更できるほか、膜形成後、ホットプレス機などにより膜を加熱、加圧して、膜厚さを薄くすることもできるが、特に限定されるものではない。   In order to control the thickness of the membrane, for example, when the dispersion mixture of the proton conductive inorganic oxide and the organic polymer is directly cast into a film, the cast proton conductive inorganic oxide and the organic It can be changed by the amount of polymer dispersion mixture or the cast area, and after film formation, the film can be heated and pressurized with a hot press machine to reduce the film thickness, but is not particularly limited. .

次に、本発明によって提供される電極についてより詳細に説明する。   Next, the electrode provided by the present invention will be described in more detail.

本発明に係る電極はプロトン伝導性無機酸化物を含有するものであり、燃料電池の燃料極か、酸化剤極、あるいは燃料極と酸化剤極の双方として利用され得る。   The electrode according to the present invention contains a proton conductive inorganic oxide and can be used as a fuel electrode of a fuel cell, an oxidant electrode, or both a fuel electrode and an oxidant electrode.

本発明に係る電極の一実施形態によれば、酸化還元触媒と、プロトン伝導性無機酸化物と、結着剤となる高分子材料とを含む触媒層を備えるものが提供される。   According to one embodiment of the electrode according to the present invention, an electrode provided with a catalyst layer including a redox catalyst, a proton conductive inorganic oxide, and a polymer material serving as a binder is provided.

燃料極および酸化剤極は、それぞれ、多孔体などのガス拡散性の構造体からなり、燃料ガスや液体燃料または酸化剤ガスが流通可能である。燃料極には燃料の酸化反応、酸化剤極には酸素の還元反応を促進するため、金属触媒が炭素などの導電性支持材料に担持されている。このような金属触媒は、例えば、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、モリブデン、マンガン、バナジウムなどが挙げられ、単体で使用しても二元系、三元系合金であっても良い。特に白金は触媒活性が高く、多くの場合で使用されている。また、金属触媒を担持する支持材料は導電性が備わっていれば良く、炭素材料が良く用いられている。例えば、ファーネスブラック、チャンネルブラック、およびアセチレンブラックなどのカーボンブラック、活性炭、黒鉛などが挙げられる。   Each of the fuel electrode and the oxidant electrode is made of a gas diffusible structure such as a porous body, and fuel gas, liquid fuel, or oxidant gas can flow therethrough. In order to promote a fuel oxidation reaction on the fuel electrode and an oxygen reduction reaction on the oxidant electrode, a metal catalyst is supported on a conductive support material such as carbon. Examples of such metal catalysts include platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, iron, cobalt, nickel, chromium, tungsten, molybdenum, manganese, and vanadium. A ternary or ternary alloy may be used. In particular, platinum has a high catalytic activity and is used in many cases. In addition, the support material for supporting the metal catalyst only needs to have conductivity, and a carbon material is often used. Examples thereof include carbon black such as furnace black, channel black, and acetylene black, activated carbon, and graphite.

炭素材料への金属触媒の担持方法は特に限定されないが、触媒となる金属元素を含む物質を溶解した溶液、例えば、塩化物、硝酸塩、水素酸、オキソ酸塩などの水溶液あるいは金属アルコキシドのアルコール溶液などに炭素材料を分散して、溶媒を除去することで担持した後、還元雰囲気で熱処理することで炭素材料への金属触媒の担持が可能である。触媒となる金属の粒径は、通常は1〜50nmであり、触媒金属量は電極が形成された状態で0.01〜10mg/cm2である。 The method for supporting the metal catalyst on the carbon material is not particularly limited, but a solution in which a substance containing a metal element that serves as a catalyst is dissolved, for example, an aqueous solution of chloride, nitrate, hydrogen acid, oxoacid salt, or an alcohol solution of metal alkoxide. It is possible to support the metal catalyst on the carbon material by dispersing the carbon material in the substrate and removing the solvent and then carrying the heat treatment in a reducing atmosphere. The particle size of the metal serving as the catalyst is usually 1 to 50 nm, and the amount of the catalyst metal is 0.01 to 10 mg / cm 2 with the electrode formed.

燃料極および酸化剤極の触媒層におけるプロトン伝導性無機酸化物は電解質膜までプロトンを運搬する経路となるため十分な連続性が維持されていることが望ましく、プロトン伝導性無機酸化物単体で、あるいは上記炭素材料へ担持して使用しても良い。プロトン伝導性無機酸化物は電極が形成された状態で0.01〜50mg/cm2であることが好ましい。 It is desirable that the proton conductive inorganic oxide in the catalyst layer of the fuel electrode and the oxidant electrode has a sufficient continuity because it is a path for transporting protons to the electrolyte membrane. Alternatively, the carbon material may be supported and used. The proton conductive inorganic oxide is preferably 0.01 to 50 mg / cm 2 in a state where an electrode is formed.

金属触媒あるいは金属触媒担持炭素とプロトン伝導性無機酸化物とを触媒層に固定化するために結着剤となる高分子材料を使用する。高分子材料は特に限定はないが、具体的にはポリスチレンやポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンあるいは他のエンジニアリングプラスチック材料が挙げられる。また、上記高分子材料にスルホン酸、リン酸、その他のプロトンキャリアをドープあるいは化学的に結合、固定化した材料、あるいはパーフルオロスルホン酸などプロトン伝導性を発現する高分子材料であってもよい。プロトン伝導性、導電性を高く維持しつつ多孔性を保持した触媒層構造を形成することが望ましいため、金属触媒あるいは金属触媒担持炭素およびプロトン伝導性無機酸化物と高分子材料との配合比は、触媒層全重量(C)に対して高分子材料(P)の重量比(P/C)が0.5よりも大きいとプロトン伝導性無機酸化物や金属触媒の連続性が低下してプロトンで伝導度、導電度が低くなる恐れがあるため、前記の重量比P/Cが0.001〜0.5の範囲であることが望ましい。   In order to immobilize the metal catalyst or metal catalyst-carrying carbon and the proton conductive inorganic oxide in the catalyst layer, a polymer material serving as a binder is used. The polymer material is not particularly limited, and specific examples include polystyrene, polyether ketone, polyether ether ketone, polysulfone, polyether sulfone, and other engineering plastic materials. Further, it may be a material obtained by doping or chemically binding and fixing sulfonic acid, phosphoric acid or other proton carriers to the above polymer material, or a polymer material exhibiting proton conductivity such as perfluorosulfonic acid. . Since it is desirable to form a catalyst layer structure that maintains porosity while maintaining high proton conductivity and conductivity, the compounding ratio of the metal catalyst or carbon supported on the metal catalyst and the proton conductive inorganic oxide to the polymer material is When the weight ratio (P / C) of the polymer material (P) to the total weight (C) of the catalyst layer is larger than 0.5, the continuity of the proton conductive inorganic oxide or metal catalyst is lowered and protons Therefore, the weight ratio P / C is preferably in the range of 0.001 to 0.5.

電極は触媒層単体で形成されていても、また触媒層を他の支持体上に形成し電極としても良い。電極の形成方法は特に限定されるものではなく、例えば上記金属触媒、プロトン伝導性無機酸化物及び高分子材料を水やアルコールなどの有機溶媒に混合、分散してスラリーとし、このスラリーを支持体上に塗布、乾燥、焼成して触媒層を形成する。支持体は特に限定されるものではなく、例えば電解質膜を支持体とし、電解質膜上に触媒層を形成して膜電極複合体としてもよい。あるいはガス透過性、導電性を有する炭素製のペーパー、フェルト、クロスなどに触媒層を形成し、電解質膜と合わせ膜電極複合体としてもよい。   The electrode may be formed as a single catalyst layer, or the catalyst layer may be formed on another support as an electrode. The method for forming the electrode is not particularly limited. For example, the metal catalyst, proton conductive inorganic oxide, and polymer material are mixed and dispersed in an organic solvent such as water or alcohol to form a slurry, and this slurry is used as a support. The catalyst layer is formed by coating, drying and firing on the top. The support is not particularly limited. For example, an electrolyte membrane may be used as a support, and a catalyst layer may be formed on the electrolyte membrane to form a membrane electrode assembly. Alternatively, a catalyst layer may be formed on carbon paper, felt, cloth, etc. having gas permeability and conductivity, and a composite membrane electrode assembly may be formed with the electrolyte membrane.

本発明の一実施形態によれば、燃料極と、酸化剤極と、燃料極及び酸化剤極の間に配置される電解質膜とを具備する膜電極複合体において、前記電解質膜は、前述のプロトン伝導性固体電解質を含むことを特徴とし、あるいは前記電極は、前述の触媒層を含むことを特徴とし、あるいは前記電解質膜および前記電極は、前述のプロトン伝導性固体電解質と前述の触媒層の両方を含むことを特徴とする膜電極複合体を提供することができる。   According to one embodiment of the present invention, in the membrane electrode assembly comprising a fuel electrode, an oxidizer electrode, and an electrolyte membrane disposed between the fuel electrode and the oxidizer electrode, the electrolyte membrane is as described above. A proton conductive solid electrolyte is included, or the electrode includes the catalyst layer described above, or the electrolyte membrane and the electrode include the proton conductive solid electrolyte and the catalyst layer described above. A membrane electrode assembly including both can be provided.

電解質膜と電極との接合は、加熱、加圧できる装置を用いて実施される。一般的にはホットプレス機により行われる。その際のプレス温度は電極、電解質膜に結着剤として使用する高分子材料のガラス転移温度以上であれば良く、一般には100〜400℃である。プレス圧は使用する電極の硬さに依存するが、通常、5〜200kg/cm2である。 The joining of the electrolyte membrane and the electrode is performed using an apparatus that can be heated and pressurized. Generally, it is performed by a hot press machine. The press temperature in that case should just be more than the glass transition temperature of the polymeric material used as a binder for an electrode and an electrolyte membrane, and is generally 100-400 degreeC. The press pressure depends on the hardness of the electrode used, but is usually 5 to 200 kg / cm 2 .

次いで、本発明に係る膜電極複合体を備えた燃料電池について、図面を参照して説明する。図1は本発明の燃料電池の一実施形態に係る液体燃料電池を模式的に示した断面図を示す。液体燃料電池のスタック100は、複数の単電池を積層することによって形成される。スタック100の側面には、燃料導入路1が配置されている。燃料導入路1には、液体燃料タンク(図示しない)から導入管(図示しない)を通して液体燃料が供給される。各単電池は、燃料極(アノード)2と、酸化剤極(カソード)3と、燃料極2及び酸化剤極3の間に配置された電解質膜4とから構成された膜電極複合体(起電部)5を備える。燃料極2および酸化剤極3は、燃料や酸化剤ガスを流通させるとともに電子を通すように、導電性の多孔質体で構成されていることが望ましい。   Next, a fuel cell including the membrane electrode assembly according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a liquid fuel cell according to an embodiment of the fuel cell of the present invention. The liquid fuel cell stack 100 is formed by stacking a plurality of unit cells. A fuel introduction path 1 is disposed on the side surface of the stack 100. Liquid fuel is supplied to the fuel introduction path 1 from a liquid fuel tank (not shown) through an introduction pipe (not shown). Each unit cell includes a membrane electrode assembly (starting electrode) 2, an oxidant electrode (cathode) 3, and an electrolyte membrane 4 arranged between the fuel electrode 2 and the oxidant electrode 3. Electric part) 5. It is desirable that the fuel electrode 2 and the oxidant electrode 3 are made of a conductive porous body so that fuel and oxidant gas can be circulated and electrons can pass therethrough.

各単電池は、燃料極2に積層された燃料気化部6と、燃料気化部6に積層された燃料浸透部7と、酸化剤極3に積層されたカソードセパレータ8とをさらに備える。燃料浸透部7は、液体燃料を保持する機能を有する。この液体燃料は、燃料導入路1から供給される。この燃料気化部6は、燃料浸透部7に保持された液体燃料の気化成分を燃料極2に導く役割をなす。カソードセパレータ8の酸化剤極3と対向する面には、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス供給溝9が連続溝として設けられている。また、カソードセパレータ8は、隣り合う起電部5同士を直列に接続する役割も果たしている。   Each unit cell further includes a fuel vaporization unit 6 stacked on the fuel electrode 2, a fuel permeation unit 7 stacked on the fuel vaporization unit 6, and a cathode separator 8 stacked on the oxidant electrode 3. The fuel permeation unit 7 has a function of holding liquid fuel. This liquid fuel is supplied from the fuel introduction path 1. The fuel vaporization unit 6 serves to guide the vaporized component of the liquid fuel held in the fuel permeation unit 7 to the fuel electrode 2. An oxidant gas supply groove 9 for flowing an oxidant gas is provided as a continuous groove on the surface of the cathode separator 8 facing the oxidant electrode 3. The cathode separator 8 also plays a role of connecting the adjacent electromotive parts 5 in series.

なお、図1のように単電池を積層してスタック100を構成する場合、セパレーター5、燃料浸透部7および燃料気化部6は、発生した電子を伝導する集電板としての機能も果たすため、カーボンを含有した多孔質体などの導電性材料により形成されることが望ましい。   When the stack 100 is configured by stacking single cells as shown in FIG. 1, the separator 5, the fuel permeation unit 7, and the fuel vaporization unit 6 also serve as a current collector plate that conducts generated electrons. It is desirable to be formed of a conductive material such as a porous body containing carbon.

上述したように、図1の単電池におけるセパレーター8は、酸化剤ガスを流すチャンネルとしての機能を併せ持つものである。このように、セパレーターとチャンネルとの両方の機能を有する部品8(以下、チャンネル兼用セパレーターと称する)を用いることによって、部品点数を削減することができるので、よりいっそう燃料電池の小型化を図ることが可能となる。あるいは、このセパレーター8に代えて通常のチャンネルを用いることもできる。   As described above, the separator 8 in the unit cell of FIG. 1 also has a function as a channel through which the oxidant gas flows. In this way, the number of components can be reduced by using the component 8 having both functions of a separator and a channel (hereinafter referred to as a channel separator), so that the fuel cell can be further reduced in size. Is possible. Alternatively, a normal channel can be used in place of the separator 8.

燃料貯蔵タンク(図示せず)から液体燃料導入路1に液体燃料を供給する方法としては、燃料貯蔵タンク内に収容された液体燃料を自由落下させて、液体燃料導入路1に導入する方法が挙げられる。この方法は、スタック100の上面より高い位置に燃料貯蔵タンクを設けなければならないという構造上の制約はあるものの、液体燃料導入路1に確実に液体燃料を導入することができる。他の方法としては、液体燃料導入部1の毛管力によって、燃料貯蔵タンクから液体燃料を引き込む方法が挙げられる。この方法を採用した場合には、燃料貯蔵タンクと液体燃料導入路1との接続点、すなわち液体燃料導入路1に設けられた燃料入口の位置を、スタック100の上面より高くする必要がない。したがって、例えば、自然落下法と組み合わせると、燃料タンクの設置場所を自在に設定することができるという利点がある。   As a method of supplying liquid fuel from a fuel storage tank (not shown) to the liquid fuel introduction path 1, there is a method in which the liquid fuel stored in the fuel storage tank is freely dropped and introduced into the liquid fuel introduction path 1. Can be mentioned. In this method, although there is a structural limitation that the fuel storage tank must be provided at a position higher than the upper surface of the stack 100, the liquid fuel can be reliably introduced into the liquid fuel introduction path 1. As another method, there is a method of drawing the liquid fuel from the fuel storage tank by the capillary force of the liquid fuel introduction unit 1. When this method is employed, the connection point between the fuel storage tank and the liquid fuel introduction path 1, that is, the position of the fuel inlet provided in the liquid fuel introduction path 1 does not need to be higher than the upper surface of the stack 100. Therefore, for example, when combined with the natural fall method, there is an advantage that the installation location of the fuel tank can be freely set.

ただし、毛管力で液体燃料導入路1に導入された液体燃料を、引き続き円滑に毛管力で燃料浸透部7に供給するためには、液体燃料導入路1の毛管力より燃料浸透部7への毛管力のほうが大きくなるように設定することが望まれる。なお、液体燃料導入路1の数は、スタック100の側面に沿って1つに限定されるものではなく、スタックの他方の側面にも液体燃料導入路1を形成することが可能である。   However, in order to continuously supply the liquid fuel introduced into the liquid fuel introduction path 1 by the capillary force to the fuel permeation unit 7 smoothly by the capillary force, the liquid fuel introduction path 1 is supplied to the fuel penetration part 7 by the capillary force of the liquid fuel introduction path 1. It is desirable to set the capillary force to be larger. The number of liquid fuel introduction paths 1 is not limited to one along the side surface of the stack 100, and the liquid fuel introduction paths 1 can be formed on the other side surface of the stack.

また、上述したような燃料貯蔵タンクは電池本体から着脱可能とすることができる。これによって、燃料貯蔵タンクを交換することで、電池の作動を継続して長時間行なうことが可能となる。また、燃料貯蔵タンクから液体燃料導入路1への液体燃料の供給は、上述したような自然落下やタンク内の内圧等で液体燃料を押し出すような構成、あるいは、液体燃料導入路1の毛管力によって燃料を引き出すような構成とすることもできる。   The fuel storage tank as described above can be detachable from the battery body. Thus, by replacing the fuel storage tank, the operation of the battery can be continued for a long time. In addition, the liquid fuel is supplied from the fuel storage tank to the liquid fuel introduction path 1 in a configuration in which the liquid fuel is pushed out by the natural fall or the internal pressure in the tank as described above, or the capillary force of the liquid fuel introduction path 1. The fuel can be drawn out by the above.

上述したような手法によって、液体燃料導入路1内に導入された液体燃料は、燃料浸透部7に供給される。燃料浸透部7の形態は、液体燃料をその内部に保持し、気化した燃料のみを燃料気化部6を通して燃料極2に供給するような機能を有していれば特に限定されるものではない。例えば、液体燃料の通路を有して、その燃料気化部6との界面に気液分離膜を具備するものとすることができる。さらに、補機を用いずに毛管力により燃料浸透部7に液体燃料を供給する場合には、燃料浸透部7の形態は、液体燃料を毛管力で浸透し得るものであれば特に限定されるものではなく、粒子やフィラーからなる多孔質体や、抄紙法で製造した不織布、繊維を織った織布等のほかに、ガラスやプラスチック等の板との間に形成された狭い隙間等も用いることができる。   The liquid fuel introduced into the liquid fuel introduction path 1 by the method described above is supplied to the fuel permeation unit 7. The form of the fuel permeation unit 7 is not particularly limited as long as it has a function of holding the liquid fuel therein and supplying only the vaporized fuel to the fuel electrode 2 through the fuel vaporization unit 6. For example, a liquid fuel passage may be provided, and a gas-liquid separation membrane may be provided at the interface with the fuel vaporization unit 6. Furthermore, when liquid fuel is supplied to the fuel permeation unit 7 by capillary force without using an auxiliary device, the form of the fuel permeation unit 7 is particularly limited as long as the liquid fuel can be permeated by capillary force. In addition to porous materials made of particles and fillers, non-woven fabrics made by the papermaking method, woven fabrics made of fibers, etc., narrow gaps formed between plates made of glass or plastic are also used. be able to.

ここで、燃料浸透部7として多孔質体を用いた場合について説明する。液体燃料を燃料浸透部7側に引き込むための毛管力としては、まず燃料浸透部7を構成する多孔質体自体の毛管力が挙げられる。このような毛管力を利用する場合、多孔質体である燃料浸透部7の孔を連結させた、いわゆる連続孔とし、その孔径を制御するとともに、液体燃料導入部1側の燃料浸透部7側面から少なくとも他の一面まで連続した連続孔とすることによって、液体燃料を横方向で円滑に毛管力で供給することが可能となる。   Here, the case where a porous body is used as the fuel permeation portion 7 will be described. As the capillary force for drawing the liquid fuel to the fuel permeation unit 7 side, first, the capillary force of the porous body itself constituting the fuel permeation unit 7 is mentioned. When such capillary force is used, a so-called continuous hole is formed by connecting the holes of the fuel permeation unit 7 which is a porous body, and the diameter of the hole is controlled, and the side surface of the fuel permeation unit 7 on the liquid fuel introduction unit 1 side is controlled. By forming continuous holes from at least one other surface, it is possible to supply liquid fuel smoothly in the lateral direction with capillary force.

燃料浸透部7として用いられる多孔質体の孔径等は、液体燃料導入路1の液体燃料を引き込むことができるものであればよく、特に限定されるものではないが、液体燃料導入路1の毛管力を考慮したうえで、0.01〜150μm程度とすることが好ましい。また、多孔質体における孔の連続性の指標となる孔の体積は、20〜90%程度とすることが好ましい。孔径が0.01μmより小さい場合には燃料浸透部7の製造が困難となり、一方、150μmを越えると毛管力が低下するおそれがある。また、孔の体積が20%未満となると連続孔の量が減少して閉鎖された孔が増えるため、十分な毛管力を得ることが困難になる。その一方、孔の体積が90%を越えると連続孔の量は増加するものの、強度的に弱くなるとともに製造が困難となる。実用的には、燃料浸透部7を構成する多孔質体は、孔径が0.5〜100μmの範囲であることが好ましく、孔の体積は30〜75%の範囲とすることが望ましい。   The pore diameter and the like of the porous body used as the fuel permeation section 7 are not particularly limited as long as the liquid fuel in the liquid fuel introduction path 1 can be drawn in. The capillary of the liquid fuel introduction path 1 is not particularly limited. In consideration of the force, it is preferable to be about 0.01 to 150 μm. Moreover, it is preferable that the volume of the hole used as the parameter | index of the continuity of the hole in a porous body shall be about 20 to 90%. When the pore diameter is smaller than 0.01 μm, it is difficult to manufacture the fuel permeation portion 7. On the other hand, when it exceeds 150 μm, the capillary force may be reduced. Further, when the pore volume is less than 20%, the amount of continuous pores is reduced and the number of closed pores is increased, so that it is difficult to obtain sufficient capillary force. On the other hand, if the volume of the pores exceeds 90%, the amount of continuous pores increases, but the strength becomes weak and the manufacture becomes difficult. Practically, the porous body constituting the fuel permeation part 7 preferably has a pore diameter in the range of 0.5 to 100 μm, and the pore volume is preferably in the range of 30 to 75%.

このような燃料電池は、室温からでも電池反応が生じるが、50℃〜150℃の高い温度で作動させる方が、電極の触媒活性が向上し電極過電圧が減少するために望ましい。また、電解質膜のプロトン伝導能を十分に発揮させるため、水分管理が容易な温度で作動させることが望ましい。燃料電池の作動温度の好ましい範囲は室温〜150℃である。   In such a fuel cell, a cell reaction occurs even from room temperature. However, it is preferable to operate at a high temperature of 50 ° C. to 150 ° C. in order to improve the catalytic activity of the electrode and reduce the electrode overvoltage. Further, in order to sufficiently exhibit the proton conductivity of the electrolyte membrane, it is desirable to operate at a temperature at which moisture management is easy. A preferable range of the operating temperature of the fuel cell is room temperature to 150 ° C.

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

参考例1〕
塩化バナジウムVCl3を2g溶解した蒸留水300mlに酸化ケイ素SiO2を5g加えた混合溶液を常に撹拌しながら80℃まで加熱し、100ml/時の蒸発速度で水を除去した。この後さらに100℃の乾燥器内で12時間保持して粉末を得た。この粉末をメノウ乳鉢で粉砕して粉末状にした後、アルミナ坩堝内において昇温速度100℃/時で700℃まで加熱し、さらに700℃を4時間保持することにより、酸化バナジウムのバナジウム元素(X)と酸化ケイ素のシリコン元素(Y)との元素比X/Yが0.1で、比表面積が下記表1に示す値である酸化バナジウム担持酸化ケイ素を得た。この酸化バナジウム担持酸化ケイ素についてX線回折測定を行ったところ、回折ピークはすべて酸化ケイ素に帰属されるものしか観測されず、酸化バナジウムは非晶質構造を有していることを確認することができた。
[ Reference Example 1]
A mixed solution in which 5 g of silicon oxide SiO 2 was added to 300 ml of distilled water in which 2 g of vanadium chloride VCl 3 was dissolved was heated to 80 ° C. with constant stirring, and water was removed at an evaporation rate of 100 ml / hour. Thereafter, it was kept in a dryer at 100 ° C. for 12 hours to obtain a powder. After this powder was pulverized in an agate mortar to form a powder, it was heated to 700 ° C. at a rate of temperature increase of 100 ° C./hour in an alumina crucible, and further maintained at 700 ° C. for 4 hours, thereby vanadium oxide vanadium element ( Vanadium oxide-supported silicon oxide having an element ratio X / Y of X) of silicon oxide to silicon element (Y) of 0.1 and a specific surface area shown in Table 1 below was obtained. When X-ray diffraction measurement was performed on this vanadium oxide-supported silicon oxide, it was confirmed that all diffraction peaks were attributed to silicon oxide, and that vanadium oxide had an amorphous structure. did it.

なお、プロトン伝導性無機材料粉末の元素比(X/Y)及び比表面積は以下に説明する方法で測定した。   In addition, the element ratio (X / Y) and specific surface area of proton conductive inorganic material powder were measured by the method demonstrated below.

元素比(X/Y)の測定方法はエネルギー分散型X線分析(EDX)、X線電子分光法(XPS)、原子吸光分析により行った。比表面積の測定方法はBET法により行った。   The element ratio (X / Y) was measured by energy dispersive X-ray analysis (EDX), X-ray electron spectroscopy (XPS), and atomic absorption analysis. The specific surface area was measured by the BET method.

このプロトン伝導性無機材料粉末1gを5%ポリアクリロニトリル(PAN)のN,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)溶液2gに加え、室温で10分間撹拌し、スラリーを調製した。このスラリーを四フッ化エチレンペルフルオロアルコキシビニルエーテル共重合体(PFA)樹脂製シャーレに入れ、溶媒を大気中、60℃で乾燥させ、電解質膜とした。膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tは0.9となり、電解質膜の膜厚は150μmだった。   1 g of this proton conductive inorganic material powder was added to 2 g of an N, N-dimethylacetamide (DMAc) solution of 5% polyacrylonitrile (PAN) and stirred at room temperature for 10 minutes to prepare a slurry. This slurry was put into a petri dish made of a tetrafluoroethylene perfluoroalkoxy vinyl ether copolymer (PFA) resin, and the solvent was dried at 60 ° C. in the atmosphere to obtain an electrolyte membrane. The ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total membrane weight (T) was 0.9, and the thickness of the electrolyte membrane was 150 μm.

参考例2〕
塩化クロム6水和物CrCl3・6H2Oを3g溶解した蒸留水300mlに酸化ケイ素SiO2を5g加えた混合溶液を常に撹拌しながら80℃まで加熱し、100ml/時の蒸発速度で水を除去した。この後さらに100℃の乾燥器内で12時間保持して粉末を得た。この粉末をメノウ乳鉢で粉砕して粉末状にした後、アルミナ坩堝内において昇温速度100℃/時で700℃まで加熱し、さらに700℃を4時間保持することにより、酸化クロムのクロム元素(X)と酸化ケイ素のシリコン元素(Y)との元素比X/Yが0.1である酸化クロム担持酸化ケイ素を得た。
[ Reference Example 2]
A mixed solution of 5 g of silicon oxide SiO 2 added to 300 ml of distilled water in which 3 g of chromium chloride hexahydrate CrCl 3 .6H 2 O was dissolved was heated to 80 ° C. with constant stirring, and water was added at an evaporation rate of 100 ml / hour. Removed. Thereafter, it was kept in a dryer at 100 ° C. for 12 hours to obtain a powder. This powder was pulverized in an agate mortar to form a powder, and then heated to 700 ° C. at a rate of temperature increase of 100 ° C./hour in an alumina crucible, and further maintained at 700 ° C. for 4 hours, whereby chromium element of chromium oxide ( A chromium oxide-supported silicon oxide having an element ratio X / Y of 0.1) between X) and silicon element (Y) of silicon oxide of 0.1 was obtained.

このプロトン伝導性無機材料粉末1gを5%PANのDMAc溶液2gに加え、室温で10分間撹拌し、スラリーを調製した。このスラリーをPFA樹脂製シャーレに入れ、溶媒を大気中、60℃で乾燥させ、電解質膜とした。膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tは0.9となり、電解質膜の膜厚は151μmだった。   1 g of this proton conductive inorganic material powder was added to 2 g of DMAc solution of 5% PAN, and stirred at room temperature for 10 minutes to prepare a slurry. This slurry was placed in a petri dish made of PFA resin, and the solvent was dried at 60 ° C. in the atmosphere to obtain an electrolyte membrane. The ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total membrane weight (T) was 0.9, and the thickness of the electrolyte membrane was 151 μm.

参考例3〕
モリブデン酸アンモニウム(NH46Mo724・4H2Oを2g溶解した蒸留水300mlに酸化ケイ素SiO2を5g加えた混合溶液を常に撹拌しながら80℃まで加熱し、100ml/時の蒸発速度で水を除去した。この後さらに100℃の乾燥器内で12時間保持して粉末を得た。この粉末をメノウ乳鉢で粉砕して粉末状にした後、アルミナ坩堝内において昇温速度100℃/時で700℃まで加熱し、さらに700℃を4時間保持することにより、酸化モリブデンのモリブデン元素(X)と酸化ケイ素のシリコン元素(Y)との元素比X/Yが0.1である酸化モリブデン担持酸化ケイ素を得た。このプロトン伝導性無機材料粉末1gを5%PANのDMAc溶液2gに加え、室温で10分間撹拌し、スラリーを調製した。このスラリーをPFA樹脂製シャーレに入れ、溶媒を大気中、60℃で乾燥させ、電解質膜とした。膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tは0.9となり、電解質膜の膜厚は152μmだった。
[ Reference Example 3]
A mixed solution in which 5 g of silicon oxide SiO 2 was added to 300 ml of distilled water in which 2 g of ammonium molybdate (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 · 4H 2 O was dissolved was heated to 80 ° C. with constant stirring, and evaporated at 100 ml / hour. Water was removed at a rate. Thereafter, it was kept in a dryer at 100 ° C. for 12 hours to obtain a powder. This powder was pulverized in an agate mortar to form a powder, and then heated to 700 ° C. at a rate of temperature increase of 100 ° C./hour in an alumina crucible, and further maintained at 700 ° C. for 4 hours, whereby molybdenum element of molybdenum oxide ( A molybdenum oxide-supported silicon oxide having an element ratio X / Y of 0.1) between X) and silicon element (Y) of silicon oxide of 0.1 was obtained. 1 g of this proton conductive inorganic material powder was added to 2 g of DMAc solution of 5% PAN, and stirred at room temperature for 10 minutes to prepare a slurry. This slurry was placed in a petri dish made of PFA resin, and the solvent was dried at 60 ° C. in the atmosphere to obtain an electrolyte membrane. The ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total membrane weight (T) was 0.9, and the thickness of the electrolyte membrane was 152 μm.

参考例4〕
タングステン酸ナトリウム2水和物NaWO4・2H2Oを3g溶解した蒸留水300mlに酸化ケイ素SiO2を5g、0.1規定硝酸水溶液150mlを加えた混合溶液を常に撹拌しながら80℃まで加熱し、100ml/時の蒸発速度で水を除去した。この後さらに100℃の乾燥器内で12時間保持して粉末を得た。この粉末を0.1規定硝酸水溶液100mlに分散し、吸引ろ過を行って不要なナトリウムイオンを除去した。ろ過後の固形分は100℃の乾燥器内で6時間保持して水分を除去した後、メノウ乳鉢で粉砕して粉末状にし、アルミナ坩堝内において昇温速度100℃/時で700℃まで加熱、さらに700℃を4時間保持することにより、酸化タングステンのタングステン元素(X)と酸化ケイ素のシリコン元素(Y)との元素比X/Yが0.1である酸化タングステン担持酸化ケイ素を得た。
[ Reference Example 4]
A mixed solution obtained by adding 5 g of silicon oxide SiO 2 and 150 ml of 0.1 N aqueous nitric acid solution to 300 ml of distilled water in which 3 g of sodium tungstate dihydrate NaWO 4 .2H 2 O was dissolved was heated to 80 ° C. with constant stirring. The water was removed at an evaporation rate of 100 ml / hour. Thereafter, it was kept in a dryer at 100 ° C. for 12 hours to obtain a powder. This powder was dispersed in 100 ml of a 0.1 N aqueous nitric acid solution, and suction filtration was performed to remove unnecessary sodium ions. The solid content after filtration is kept in a dryer at 100 ° C. for 6 hours to remove moisture, then pulverized in an agate mortar to form a powder, and heated to 700 ° C. in an alumina crucible at a heating rate of 100 ° C./hour. Furthermore, by holding at 700 ° C. for 4 hours, tungsten oxide-supporting silicon oxide having an element ratio X / Y of tungsten element (X) of tungsten oxide to silicon element (Y) of silicon oxide of 0.1 was obtained. .

このプロトン伝導性無機材料粉末1gを5%PANのDMAc溶液2gに加え、室温で10分間撹拌し、スラリーを調製した。このスラリーをPFA樹脂製シャーレに入れ、溶媒を大気中、60℃で乾燥させ、電解質膜とした。膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tは0.9となり、電解質膜の膜厚は152μmだった。   1 g of this proton conductive inorganic material powder was added to 2 g of DMAc solution of 5% PAN, and stirred at room temperature for 10 minutes to prepare a slurry. This slurry was placed in a petri dish made of PFA resin, and the solvent was dried at 60 ° C. in the atmosphere to obtain an electrolyte membrane. The ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total membrane weight (T) was 0.9, and the thickness of the electrolyte membrane was 152 μm.

参考例5〕
酸化ケイ素5gを酸化チタン(TiO2)7gに変更した以外は参考例1と同様の操作を行い、酸化バナジウムのバナジウム元素(X)と酸化チタンのチタン元素(Y)との元素比X/Yが0.1である酸化バナジウム担持酸化チタンを得た。さらにプロトン伝導性無機材料−PAN複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚152μmの電解質膜を得た。
[ Reference Example 5]
The same operation as in Reference Example 1 was carried out except that 5 g of silicon oxide was changed to 7 g of titanium oxide (TiO 2 ), and the element ratio X / Y between the vanadium element (X) of vanadium oxide and the titanium element (Y) of titanium oxide was changed. As a result, vanadium oxide-supported titanium oxide having a ratio of 0.1 was obtained. Further, an electrolyte membrane having a ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the proton conductive inorganic material-PAN composite membrane of 0.9 and a film thickness of 152 μm was obtained.

参考例6〕
酸化ケイ素5gを酸化チタン(TiO2)7gに変更した以外は参考例2と同様の操作を行い、酸化クロムのクロム元素(X)と酸化チタンのチタン元素(Y)との元素比X/Yが0.1である酸化クロム担持酸化チタンを得た。さらにプロトン伝導性無機材料−PAN複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚153μmの電解質膜を得た。
[ Reference Example 6]
The same operation as in Reference Example 2 was performed except that 5 g of silicon oxide was changed to 7 g of titanium oxide (TiO 2 ), and the element ratio X / Y of chromium element (X) of chromium oxide and titanium element (Y) of titanium oxide was changed. As a result, a chromium oxide-supported titanium oxide having a 0.1 was 0.1. Further, an electrolyte membrane having a ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the proton conductive inorganic material-PAN composite membrane of 0.9 and a film thickness of 153 μm was obtained.

参考例7〕
酸化ケイ素5gを酸化チタン(TiO2)7gに変更した以外は参考例3と同様の操作を行い、酸化モリブデンのモリブデン元素(X)と酸化チタンのチタン元素(Y)との元素比X/Yが0.1である酸化モリブデン担持酸化チタンを得た。さらにプロトン伝導性無機材料−PAN複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚151μmの電解質膜を得た。
[ Reference Example 7]
The same operation as in Reference Example 3 was performed except that 5 g of silicon oxide was changed to 7 g of titanium oxide (TiO 2 ), and the element ratio X / Y of molybdenum element (X) of molybdenum oxide to titanium element (Y) of titanium oxide was changed. Was obtained. Further, an electrolyte membrane having a ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the proton conductive inorganic material-PAN composite membrane of 0.9 and a film thickness of 151 μm was obtained.

参考例8〕
酸化ケイ素5gを酸化チタン(TiO2)7gに変更した以外は参考例4と同様の操作を行い、酸化タングステンのタングステン元素(X)と酸化チタンのチタン元素(Y)との元素比X/Yが0.1である酸化タングステン担持酸化チタンを得た。さらにプロトン伝導性無機材料−PAN複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚150μmの電解質膜を得た。
[ Reference Example 8]
The same operation as in Reference Example 4 was carried out except that 5 g of silicon oxide was changed to 7 g of titanium oxide (TiO 2 ), and the element ratio X / Y of tungsten element (X) of tungsten oxide to titanium element (Y) of titanium oxide was changed. As a result, a tungsten oxide-supported titanium oxide having a ratio of 0.1 was obtained. Further, an electrolyte membrane having a ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the proton conductive inorganic material-PAN composite membrane of 0.9 and a film thickness of 150 μm was obtained.

参考例9〕
酸化ケイ素5gを酸化ジルコニウム(ZrO2)11gに変更した以外は参考例1と同様の操作を行い、酸化バナジウムのバナジウム元素(X)と酸化ジルコニウムのジルコニウム元素(Y)との元素比X/Yが0.1である酸化バナジウム担持酸化ジルコニウムを得た。さらにプロトン伝導性無機材料−PAN複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚148μmの電解質膜を得た。
[ Reference Example 9]
The same operation as in Reference Example 1 was carried out except that 5 g of silicon oxide was changed to 11 g of zirconium oxide (ZrO 2 ), and the element ratio X / Y between the vanadium element (X) of vanadium oxide and the zirconium element (Y) of zirconium oxide was Thus, a vanadium oxide-supported zirconium oxide having a ratio of 0.1 was obtained. Further, an electrolyte membrane having a ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the proton conductive inorganic material-PAN composite membrane of 0.9 and a film thickness of 148 μm was obtained.

参考例10〕
酸化ケイ素5gを酸化ジルコニウム(ZrO2)11gに変更した以外は参考例2と同様の操作を行い、酸化クロムのクロム元素(X)と酸化ジルコニウムのジルコニウム元素(Y)との元素比X/Yが0.1である酸化クロム担持酸化ジルコニウムを得た。さらにプロトン伝導性無機材料−PAN複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚150μmの電解質膜を得た。
[ Reference Example 10]
The same operation as in Reference Example 2 was performed except that 5 g of silicon oxide was changed to 11 g of zirconium oxide (ZrO 2 ), and the element ratio X / Y of chromium element (X) of chromium oxide and zirconium element (Y) of zirconium oxide was As a result, a chromium oxide-supported zirconium oxide having a ratio of 0.1 was obtained. Further, an electrolyte membrane having a ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the proton conductive inorganic material-PAN composite membrane of 0.9 and a film thickness of 150 μm was obtained.

参考例11〕
酸化ケイ素5gを酸化ジルコニウム(ZrO2)11gに変更した以外は参考例3と同様の操作を行い、酸化モリブデンのモリブデン元素(X)と酸化ジルコニウムのジルコニウム元素(Y)との元素比X/Yが0.1である酸化モリブデン担持酸化ジルコニウムを得た。さらにプロトン伝導性無機材料−PAN複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚152μmの電解質膜を得た。
[ Reference Example 11]
The same operation as in Reference Example 3 was performed except that 5 g of silicon oxide was changed to 11 g of zirconium oxide (ZrO 2 ), and the element ratio X / Y of molybdenum element (X) of molybdenum oxide to zirconium element (Y) of zirconium oxide was As a result, molybdenum oxide-supported zirconium oxide having a ratio of 0.1 was obtained. Further, an electrolyte membrane having a ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the proton conductive inorganic material-PAN composite membrane of 0.9 and a film thickness of 152 μm was obtained.

参考例12〕
酸化ケイ素5gを酸化ジルコニウム(ZrO2)11gに変更した以外は参考例4と同様の操作を行い、酸化タングステンのタングステン元素(X)と酸化ジルコニウムのジルコニウム元素(Y)との元素比X/Yが0.1である酸化タングステン担持酸化ジルコニウムを得た。さらにプロトン伝導性無機材料−PAN複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚155μmの電解質膜を得た。
[ Reference Example 12]
The same operation as in Reference Example 4 was carried out except that 5 g of silicon oxide was changed to 11 g of zirconium oxide (ZrO 2 ), and the element ratio X / Y between tungsten element (X) of tungsten oxide and zirconium element (Y) of zirconium oxide was changed. Thus, zirconium oxide-supported zirconium oxide having a ratio of 0.1 was obtained. Further, an electrolyte membrane having a ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the proton conductive inorganic material-PAN composite membrane of 0.9 and a film thickness of 155 μm was obtained.

参考例13〕
酸化ケイ素5gをジルコニア―シリカ複合酸化物(ZrSiO4)16gに変更した以外は参考例1と同様の操作を行い、酸化バナジウムのバナジウム元素(X)とジルコニア―シリカ複合酸化物のジルコニウムとシリコン元素(Y)との元素比X/Yが0.1である酸化バナジウム担持ジルコニア―シリカ複合酸化物を得た。さらにプロトン伝導性無機材料−PAN複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚153μmの電解質膜を得た。
[ Reference Example 13]
Except for changing 5 g of silicon oxide to 16 g of zirconia-silica composite oxide (ZrSiO 4 ), the same operation as in Reference Example 1 was performed, and vanadium element (X) of vanadium oxide and zirconium and silicon element of zirconia-silica composite oxide. A vanadium oxide-supported zirconia-silica composite oxide having an element ratio X / Y with (Y) of 0.1 was obtained. Further, an electrolyte membrane having a ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the proton conductive inorganic material-PAN composite membrane of 0.9 and a film thickness of 153 μm was obtained.

参考例14〕
酸化ケイ素5gをジルコニア―シリカ複合酸化物(ZrSiO4)16gに変更した以外は参考例2と同様の操作を行い、酸化クロムのクロム元素(X)とジルコニア―シリカ複合酸化物のジルコニウムとシリコン元素(Y)との元素比X/Yが0.1である酸化クロム担持ジルコニア―シリカ複合酸化物を得た。さらにプロトン伝導性無機材料−PAN複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚155μmの電解質膜を得た。
[ Reference Example 14]
The same operation as in Reference Example 2 was performed except that 5 g of silicon oxide was changed to 16 g of zirconia-silica composite oxide (ZrSiO 4 ), and chromium element (X) of chromium oxide and zirconium and silicon element of zirconia-silica composite oxide A chromium oxide-supported zirconia-silica composite oxide having an element ratio X / Y with (Y) of 0.1 was obtained. Further, an electrolyte membrane having a ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the proton conductive inorganic material-PAN composite membrane of 0.9 and a film thickness of 155 μm was obtained.

参考例15〕
酸化ケイ素5gをジルコニア―シリカ複合酸化物(ZrSiO4)16gに変更した以外は参考例3と同様の操作を行い、酸化モリブデンのモリブデン元素(X)とジルコニア―シリカ複合酸化物のジルコニウムとシリコン元素(Y)との元素比X/Yが0.1である酸化モリブデン担持ジルコニア―シリカ複合酸化物を得た。さらにプロトン伝導性無機材料−PAN複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚153μmの電解質膜を得た。
[ Reference Example 15]
The same operation as in Reference Example 3 was performed except that 5 g of silicon oxide was changed to 16 g of zirconia-silica composite oxide (ZrSiO 4 ), and molybdenum element (X) of molybdenum oxide and zirconium and silicon element of zirconia-silica composite oxide A molybdenum oxide-supported zirconia-silica composite oxide having an element ratio X / Y with (Y) of 0.1 was obtained. Further, an electrolyte membrane having a ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the proton conductive inorganic material-PAN composite membrane of 0.9 and a film thickness of 153 μm was obtained.

参考例16〕
酸化ケイ素5gをジルコニア―シリカ複合酸化物(ZrSiO4)16gに変更した以外は参考例4と同様の操作を行い、酸化タングステンのタングステン元素(X)とジルコニア―シリカ複合酸化物のジルコニウムとシリコン元素(Y)との元素比X/Yが0.1である酸化タングステン担持ジルコニア―シリカ複合酸化物を得た。
[ Reference Example 16]
The same operation as in Reference Example 4 was performed except that 5 g of silicon oxide was changed to 16 g of zirconia-silica composite oxide (ZrSiO 4 ), and tungsten element (X) of tungsten oxide and zirconium and silicon elements of zirconia-silica composite oxide A tungsten oxide-supported zirconia-silica composite oxide having an element ratio X / Y with (Y) of 0.1 was obtained.

参考例17〕
5%PANのDMAc溶液を5%ポリベンズイミダゾール(PBI)のDMAc溶液に変更した以外は参考例1と同様の操作を行い、酸化バナジウムのバナジウム元素(X)と酸化チタンのチタン元素(Y)との元素比X/Yが0.1である酸化バナジウム担持酸化チタン−PBI複合膜を作製し、膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚150μmの電解質膜を得た。
[ Reference Example 17]
The same operation as in Reference Example 1 was performed except that the DMAc solution of 5% PAN was changed to the DMAc solution of 5% polybenzimidazole (PBI), and vanadium element (X) of vanadium oxide and titanium element (Y) of titanium oxide. The vanadium oxide-supported titanium oxide-PBI composite membrane having an element ratio X / Y of 0.1 is 0.1, and the ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total membrane weight (T) is 0.9. Thus, an electrolyte membrane having a thickness of 150 μm was obtained.

参考例18〕
5%PANのDMAc溶液を5%ポリスチレン(PS)のクロロホルム溶液に変更した以外は参考例1と同様の操作を行い、酸化バナジウムのバナジウム元素(X)と酸化チタンのチタン元素(Y)との元素比X/Yが0.1である酸化バナジウム担持酸化チタン−PS複合膜を作製し、膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚155μmの電解質膜を得た。
[ Reference Example 18]
The same operation as in Reference Example 1 was performed except that the DMAc solution of 5% PAN was changed to a chloroform solution of 5% polystyrene (PS), and the vanadium element (X) of vanadium oxide and the titanium element (Y) of titanium oxide were combined. A vanadium oxide-supported titanium oxide-PS composite film having an element ratio X / Y of 0.1 was prepared, and the ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the film was 0.9. An electrolyte membrane having a thickness of 155 μm was obtained.

参考例19〕
酸化ケイ素5gをテトラエトキシシラン(Si(OH524)17gに変更した以外は参考例1と同様の操作を行い、酸化バナジウムのバナジウム元素(X)と酸化珪素のSi元素(Y)との元素比X/Yが0.1である酸化バナジウム担持酸化チタンを得た。この酸化バナジウム担持酸化ケイ素についてX線回折測定を行ったところ、回折ピークは観測されず、酸化バナジウムと酸化ケイ素はともに非晶質構造を有していることを確認することができた。さらにプロトン伝導性無機材料−PAN複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚153μmの電解質膜を得た。
[ Reference Example 19]
The same operation as in Reference Example 1 was carried out except that 5 g of silicon oxide was changed to 17 g of tetraethoxysilane (Si (OH 5 C 2 ) 4 ), and vanadium element (X) of vanadium oxide and Si element (Y) of silicon oxide. Thus, a vanadium oxide-supported titanium oxide having an element ratio X / Y of 0.1 was obtained. When X-ray diffraction measurement was performed on this vanadium oxide-supported silicon oxide, no diffraction peak was observed, and it was confirmed that both vanadium oxide and silicon oxide had an amorphous structure. Further, an electrolyte membrane having a ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the proton conductive inorganic material-PAN composite membrane of 0.9 and a film thickness of 153 μm was obtained.

〔比較例1〕
前述した特許文献1に記載の硫酸担持金属酸化物を調製した。濃硫酸(96%)6gに蒸留水を加え、総重量100gの硫酸水溶液を調製した。この硫酸水溶液に酸化ジルコニウム(ZrO2)を20g添加し3時間撹拌し、スラリーを作製した。このスラリーを室温から5℃/分の昇温速度で100℃まで加熱し、100℃で3時間保持することにより水を除去した。この後さらに、1℃/分の昇温速度で200℃まで加熱し200℃で3時間保持することにより、白色の粉末を得た。この白色の粉末をさらに1℃/分の昇温速度で500℃まで加熱し、500℃で3時間保持することにより、硫酸分の硫黄(S)と担体である水酸化物および/または酸化物を構成する金属元素(M)との元素比S/Mが0.03である硫酸担持ジルコニアSO4/ZrO2の白色粉末を得た。さらに参考例1と同様の操作により、プロトン伝導性無機材料−PAN複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚155μmの電解質膜を得た。
[Comparative Example 1]
A sulfuric acid-supported metal oxide described in Patent Document 1 was prepared. Distilled water was added to 6 g of concentrated sulfuric acid (96%) to prepare a sulfuric acid aqueous solution having a total weight of 100 g. 20 g of zirconium oxide (ZrO 2 ) was added to this sulfuric acid aqueous solution and stirred for 3 hours to prepare a slurry. This slurry was heated from room temperature to 100 ° C. at a temperature rising rate of 5 ° C./min, and kept at 100 ° C. for 3 hours to remove water. Thereafter, the white powder was obtained by further heating to 200 ° C. at a temperature rising rate of 1 ° C./min and holding at 200 ° C. for 3 hours. The white powder is further heated to 500 ° C. at a rate of temperature increase of 1 ° C./min and held at 500 ° C. for 3 hours, whereby sulfur (S) of sulfuric acid and hydroxide and / or oxide as a carrier A white powder of sulfuric acid-supported zirconia SO 4 / ZrO 2 having an element ratio S / M with the metal element (M) constituting 0.03 was obtained. Further, by the same operation as in Reference Example 1, the ratio S / T of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the proton conductive inorganic material-PAN composite membrane is 0.9, and the electrolyte membrane has a film thickness of 155 μm. Got.

〔比較例2〕
電解質膜としてDupont社製のナフィオン117膜を用意した。
[Comparative Example 2]
A Nafion 117 membrane manufactured by Dupont was prepared as an electrolyte membrane.

得られた参考例1〜19および比較例1のプロトン伝導性膜は水分を与えることでわずかに膨潤し、PFA樹脂製シャーレから容易に剥がし取ることができた。このとき、膜は柔軟性を備え、m−ニトロトルエン(pKa=−11.99)、p−ニトロフルオロベンゼン(pKa=−12.40)、p−ニトロクロロベンゼン(pKa=−12.70)、m−ニトロクロロベンゼン(pKa=−13.16)、2、4−ジニトロトルエン(pKa=−13.75)、2、4−ジニトロフルオロベンゼン(pKa=−14.52)からなる酸性指示薬により、固体超強酸性を示すことがわかった。各プロトン伝導性膜のHammettの酸度関数H0を下記表1に示す。 The obtained proton conductive membranes of Reference Examples 1 to 19 and Comparative Example 1 were slightly swollen by applying moisture, and could be easily peeled off from the petri dish made of PFA resin. At this time, the membrane has flexibility, m-nitrotoluene (pKa = -11.99), p-nitrofluorobenzene (pKa = -12.40), p-nitrochlorobenzene (pKa = -12.70), m -An acidic indicator consisting of nitrochlorobenzene (pKa = -13.16), 2,4-dinitrotoluene (pKa = -13.75), 2,4-dinitrofluorobenzene (pKa = -14.52) It was found to show strong acidity. Table 1 below shows the Hammett acidity function H 0 of each proton conductive membrane.

これに対し、比較例2のプロトン伝導性膜は膨潤するまでに参考例の場合に比べて多量な水分を必要とした。 On the other hand, the proton conductive membrane of Comparative Example 2 required a larger amount of moisture than that of the reference example before swelling.

また、参考例1〜19及び比較例1〜2の電解質膜を用いて以下に説明する方法で液体燃料電池を組み立てた。 Moreover, the liquid fuel cell was assembled by the method demonstrated below using the electrolyte membrane of Reference Examples 1-19 and Comparative Examples 1-2.

白金担持カソード触媒を含有する電極(触媒量:Pt4mg/cm2、E−tek社製)に5%ナフィオン溶液を含浸させたものを酸化剤極3として用意した。また、白金・ルテニウム担持触媒アノード触媒を含有する電極(触媒量:Pt−Ru4mg/cm2、E−tek社製)に5%ナフィオン溶液を含浸させたものを燃料極2として用意した。 An oxidizer electrode 3 was prepared by impregnating an electrode containing a platinum-supported cathode catalyst (catalyst amount: Pt 4 mg / cm 2 , manufactured by E-tek) with a 5% Nafion solution. Further, an electrode containing a platinum / ruthenium supported catalyst anode catalyst (amount of catalyst: Pt—Ru 4 mg / cm 2 , manufactured by E-tek) impregnated with a 5% Nafion solution was prepared as the fuel electrode 2.

燃料極2と酸化剤極3の間にプロトン伝導性膜4を配置し、120℃で5分間、100kg/cm2の圧力でホットプレスして接合することにより膜電極複合体5を作製し、起電部を得た。 A proton conductive membrane 4 is disposed between the fuel electrode 2 and the oxidant electrode 3, and the membrane electrode assembly 5 is manufactured by hot pressing at 120 ° C. for 5 minutes at a pressure of 100 kg / cm 2 , An electromotive part was obtained.

こうして得られた起電部5の燃料極2に、燃料気化部6としての平均孔径100μmかつ気孔率70%のカーボン多孔質板を積層した。この燃料気化部6上に燃料浸透部7としての平均孔径5μm、気孔率40%のカーボン多孔質板を配置した。これらを、酸化剤ガス供給溝9付きの酸化剤極ホルダー10と、燃料極ホルダー11との内部に組み込んで、図2に示すような構成を有する単電池を作製した。この単電池の反応面積は10cm2である。なお、酸化剤極ホルダー10の酸化剤ガス供給溝9は、深さが2mmで、幅が1mmである。 A carbon porous plate having an average pore diameter of 100 μm and a porosity of 70% as the fuel vaporization section 6 was laminated on the fuel electrode 2 of the electromotive section 5 thus obtained. A carbon porous plate having an average pore diameter of 5 μm and a porosity of 40% as a fuel permeation unit 7 was disposed on the fuel vaporization unit 6. These were incorporated into the oxidant electrode holder 10 with the oxidant gas supply groove 9 and the fuel electrode holder 11 to produce a unit cell having the configuration shown in FIG. The reaction area of this unit cell is 10 cm 2 . The oxidant gas supply groove 9 of the oxidant electrode holder 10 has a depth of 2 mm and a width of 1 mm.

このようにして得た液体燃料電池に、液体燃料として20%メタノール水溶液を図2に示すように燃料浸透部7の側面から毛管力で導入した。一方、酸化剤ガスとして1atmの空気を100ml/minでガスチャンネル9に流し、発電を行なった。発電反応に伴って発生した炭酸ガス(CO2)は、図2に示されるように燃料気化部6から放出した。最大発電量を下記表1に示す。 Into the liquid fuel cell thus obtained, a 20% aqueous methanol solution was introduced as a liquid fuel from the side surface of the fuel permeation section 7 as shown in FIG. On the other hand, 1 atm of air as oxidant gas was allowed to flow through the gas channel 9 at 100 ml / min for power generation. Carbon dioxide gas (CO 2 ) generated along with the power generation reaction was released from the fuel vaporization section 6 as shown in FIG. The maximum power generation amount is shown in Table 1 below.

また、表1に、各プロトン伝導性膜についてのメタノール透過性と膜抵抗の測定結果を示した。ここで、メタノール透過性と膜抵抗は、それぞれ、比較例2のナフィオン117膜の場合を1として、相対値で表わした。   Table 1 shows the measurement results of methanol permeability and membrane resistance for each proton conductive membrane. Here, the methanol permeability and the membrane resistance were expressed as relative values, assuming that the case of the Nafion 117 membrane of Comparative Example 2 was 1.

なお、メタノールの透過性はプロトン伝導性膜を10cm2の面積を持つセルに挿み込み、片方のセルに10%メタノール水溶液、もう片側のセルには純水を入れ、室温で一定時間経過後、純水を入れたセル側のメタノール濃度をガスクロマトグラフィーで測定し、メタノールの透過性を測定した。膜は、電解質膜として使用可能な状態にするために水に16時間浸した後、水を切りメタノールの透過性を測定した。 For methanol permeability, a proton conductive membrane is inserted into a cell with an area of 10 cm 2 , 10% methanol aqueous solution is placed in one cell, and pure water is placed in the other cell, and after a certain period of time at room temperature. The methanol concentration on the cell side containing pure water was measured by gas chromatography, and the methanol permeability was measured. The membrane was immersed in water for 16 hours to be ready for use as an electrolyte membrane, and then the water was drained and the methanol permeability was measured.

また、膜の電気抵抗は四端子直流法により測定した。すなわち、プロトン伝導性膜を10cm2の面積を持つセルに挿みこみ、両セルに10%硫酸水溶液を入れ、室温で直流電流を通電させ、プロトン伝導性膜の有無による電圧降下を測定し、伝導度を測定した。 Moreover, the electrical resistance of the film was measured by a four-terminal DC method. That is, the proton conductive membrane was inserted into a cell having an area of 10 cm 2 , a 10% sulfuric acid aqueous solution was placed in both cells, a direct current was applied at room temperature, and the voltage drop due to the presence or absence of the proton conductive membrane was measured. The degree was measured.

Figure 0004625658
Figure 0004625658

表1から明らかなように、参考例1〜19のプロトン伝導性膜は、比較例2のナフィオン117膜と比較してメタノール透過性は大きく低下し、膜抵抗は数倍の範囲で収まっていることがわかる。また、参考例1、参考例17、参考例18に示すように、膜に使用する高分子材料を変更することにより、無機材料と有機材料の濡れ性や分散性が変わり、膜の微構造に影響してプロトン伝導性やメタノール透過性が変わることがわかった。また、参考例1、参考例19に示すように、プロトン伝導性無機材料の結晶性を変更することでプロトン伝導性が変わることがわかった。具体的には、酸化物粒子Bが非晶質、酸化物担体Aが結晶の参考例1よりも酸化物粒子Bと酸化物担体Aがともに非晶質の参考例19がルイス酸点の量が多く、酸性度も高くなり、高いプロトン伝導性を示したと推測することができる。 As is clear from Table 1, the proton conductive membranes of Reference Examples 1 to 19 have a significantly lower methanol permeability than the Nafion 117 membrane of Comparative Example 2, and the membrane resistance is within a range of several times. I understand that. In addition, as shown in Reference Example 1, Reference Example 17, and Reference Example 18, by changing the polymer material used for the film, the wettability and dispersibility of the inorganic material and the organic material are changed, and the microstructure of the film is changed. It was found that proton conductivity and methanol permeability were changed by the influence. Further, as shown in Reference Example 1 and Reference Example 19, it was found that the proton conductivity was changed by changing the crystallinity of the proton conductive inorganic material. Specifically, reference example 19 in which oxide particles B and oxide carrier A are both amorphous is more than the amount of Lewis acid points than in reference example 1 in which oxide particle B is amorphous and oxide carrier A is crystalline. It can be assumed that the acidity is high and the proton conductivity is high.

表1の比較例2で示されるように、ナフィオン膜117を電解質膜として備えた燃料電池においては、20%メタノール溶液ではクロスオーバーが大きすぎるために、最大でも2mW/cm2の発電量しか得ることができなかった。これに対して、参考例1〜19のプロトン伝導性膜を電解質膜として備えた燃料電池では、クロスオーバーが抑制されたために良好な発電量が得られた。そのうち、酸化物担体としてZrO2を使用した参考例9〜12の燃料電池の発電量が大きく、最も優れていたのはタングステン酸化物粒子が担持されている参考例12であった。 As shown in Comparative Example 2 of Table 1, in a fuel cell provided with a Nafion membrane 117 as an electrolyte membrane, a 20% methanol solution has too much crossover, so that only a maximum power generation amount of 2 mW / cm 2 is obtained. I couldn't. On the other hand, in the fuel cell provided with the proton conductive membranes of Reference Examples 1 to 19 as the electrolyte membrane, a good power generation amount was obtained because the crossover was suppressed. Among them, the power generation amount of the fuel cells of Reference Examples 9 to 12 using ZrO 2 as the oxide carrier was large, and the reference example 12 on which tungsten oxide particles were supported was the most excellent.

参考例1〜19のプロトン伝導性膜を電解質膜1として用いた単位セルについて、燃料として20%メタノール水溶液を供給し、空気を流すとともに、セルの両面を40℃に加熱して10mA/cm2の電流をとり、電池性能の時間的安定性を観測した。その結果、数時間経過後でも出力は安定していた。さらに150℃で同様の測定を行った結果、数時間経過後でも出力は安定していた。 About the unit cell which used the proton conductive membrane of the reference examples 1-19 as the electrolyte membrane 1, while supplying 20% methanol aqueous solution as a fuel, flowing air and heating both surfaces of a cell to 40 degreeC, 10 mA / cm < 2 >. The time stability of the battery performance was observed. As a result, the output was stable even after several hours. Furthermore, as a result of performing the same measurement at 150 ° C., the output was stable even after several hours.

ナフィオン117膜(比較例2)を電解質膜として備えた燃料電池について、燃料として20%メタノール水溶液を供給し、空気を流すとともに、セルの両面を40℃に加熱して10mA/cm2の電流をとり、電池性能の時間的安定性を観測した。その結果、数分のうちに、出力を得ることが不可能になった。さらに150℃で同様の測定を行った結果、加湿を厳密に制御しきれなかったため、電解質膜が乾燥して出力を得ることはできなかった。 For a fuel cell equipped with a Nafion 117 membrane (Comparative Example 2) as an electrolyte membrane, a 20% methanol aqueous solution was supplied as fuel, air was allowed to flow, and both sides of the cell were heated to 40 ° C. to produce a current of 10 mA / cm 2 . Then, the temporal stability of the battery performance was observed. As a result, it became impossible to obtain an output within a few minutes. Furthermore, as a result of performing the same measurement at 150 ° C., the humidification could not be strictly controlled. Therefore, the electrolyte membrane was dried and an output could not be obtained.

参考例20〕
プロトン伝導性無機材料粉末1gを0.7gに、5%PANのDMAc溶液2gを1.3gに変更した以外は参考例1と同様の操作を行い、酸化バナジウムのバナジウム元素(X)と酸化珪素のSi元素(Y)との元素比X/Yが0.1である酸化バナジウム担持酸化珪素−PAN複合膜を作製し、膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚100μmの電解質膜を得た。
[ Reference Example 20]
The same procedure as in Reference Example 1 was carried out except that 1 g of proton conductive inorganic material powder was changed to 0.7 g and 2 g of 5% PAN DMAc solution was changed to 1.3 g, and vanadium element (X) of vanadium oxide and silicon oxide were used. Of vanadium oxide-supported silicon oxide-PAN composite film having an element ratio X / Y of 0.1 with respect to Si element (Y), and the ratio S of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the film An electrolyte membrane having a / T of 0.9 and a film thickness of 100 μm was obtained.

この電解質膜を用いて前述した参考例1で説明したのと同様にして液体燃料電池を作製した。 Using this electrolyte membrane, a liquid fuel cell was produced in the same manner as described in Reference Example 1 described above.

参考例21〕
プロトン伝導性無機材料粉末1gを0.3gに、5%PANのDMAc溶液2gを0.7gに変更した以外は参考例1と同様の操作を行い、酸化バナジウムのバナジウム元素(X)と酸化珪素のSi元素(Y)との元素比X/Yが0.1である酸化バナジウム担持酸化珪素−PAN複合膜を作製し、膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比S/Tが0.9で、膜厚50μmの電解質膜を得た。
[ Reference Example 21]
The same procedure as in Reference Example 1 was carried out except that 1 g of proton conductive inorganic material powder was changed to 0.3 g and 2 g of DMAc solution of 5% PAN was changed to 0.7 g, and vanadium oxide (X) and silicon oxide of vanadium oxide were used. Of vanadium oxide-supported silicon oxide-PAN composite film having an element ratio X / Y of 0.1 with respect to Si element (Y), and the ratio S of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the film An electrolyte membrane having a / T of 0.9 and a film thickness of 50 μm was obtained.

この電解質膜を用いて前述した参考例1で説明したのと同様にして液体燃料電池を作製した。 Using this electrolyte membrane, a liquid fuel cell was produced in the same manner as described in Reference Example 1 described above.

得られた参考例20、21について、プロトン伝導性膜のメタノール透過性並びに膜抵抗と、燃料電池の最大発電量とを前述したのと同様にして測定し、その結果を下記表2に示す。なお、表2には、前述した参考例1の結果を併記する。 For the obtained Reference Examples 20 and 21, the methanol permeability and membrane resistance of the proton conductive membrane and the maximum power generation amount of the fuel cell were measured in the same manner as described above, and the results are shown in Table 2 below. Table 2 also shows the results of Reference Example 1 described above.

Figure 0004625658
Figure 0004625658

表2から明らかなように、電解質膜の膜厚が薄くなるほどメタノールの拡散距離が短くなるため透過性が大きくなり、プロトン伝導に関しても同様に実効膜抵抗が小さくなっている。これらの条件が総合され、結果的に膜特性が決定されており、電解質膜が薄くなることでメタノールの透過性が大きくなる反面、膜抵抗が低下する影響が大きいため、出力は増加したと思われる。   As is apparent from Table 2, the thinner the electrolyte membrane, the shorter the diffusion distance of methanol, so that the permeability increases, and the effective membrane resistance also decreases with respect to proton conduction. These conditions have been combined, and as a result, the membrane characteristics have been determined, and the thinner the electrolyte membrane, the greater the methanol permeability. On the other hand, the membrane resistance is greatly affected, so the output seems to have increased. It is.

参考例22〕
参考例1よりも比表面積の大きい酸化ケイ素(SiO2)3.5gに変更した以外は参考例1と同様の操作を行い、酸化バナジウムのバナジウム元素(X)と酸化珪素のSi元素(Y)との元素比(X/Y)が0.2である酸化バナジウム担持酸化珪素を得た。このプロトン伝導性無機材料の比表面積は150m2/gだった。さらにプロトン伝導性無機材料−PAN複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比(S/T)が0.9で、膜厚150μmの電解質膜を得た。
[ Reference Example 22]
Big silicon oxide having a specific surface area than Example 1 (SiO 2) was changed to 3.5g following the procedure of Reference Example 1, vanadium element of vanadium oxide (X) and silicon oxide of Si element (Y) Vanadium oxide-supporting silicon oxide having an element ratio (X / Y) of 0.2 was obtained. The specific surface area of this proton conductive inorganic material was 150 m 2 / g. Further, an electrolyte membrane having a ratio (S / T) of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the proton conductive inorganic material-PAN composite membrane of 0.9 and a film thickness of 150 μm was obtained.

この電解質膜を用いて前述した参考例1で説明したのと同様にして液体燃料電池を作製した。 Using this electrolyte membrane, a liquid fuel cell was produced in the same manner as described in Reference Example 1 described above.

参考例23〕
参考例1および参考例22よりも比表面積の大きい酸化ケイ素(SiO2)2.5gに変更した以外は参考例1と同様の操作を行い、酸化バナジウムのバナジウム元素(X)と酸化珪素のSi元素(Y)との元素比(X/Y)が0.3である酸化バナジウム担持酸化珪素を得た。このプロトン伝導性無機材料の比表面積は300m2/gだった。さらに、プロトン伝導性無機材料−PAN複合膜全重量(T)に対するプロトン伝導性無機材料(S)の比(S/T)が0.9で、膜厚151μmの電解質膜を得た。
[ Reference Example 23]
The same operation as in Reference Example 1 was carried out except that silicon oxide (SiO 2 ) having a specific surface area larger than that of Reference Example 1 and Reference Example 22 was changed to 2.5 g, and vanadium oxide (X) of vanadium oxide and Si of silicon oxide. A vanadium oxide-supported silicon oxide having an element ratio (X / Y) with the element (Y) of 0.3 was obtained. The specific surface area of this proton conductive inorganic material was 300 m 2 / g. Further, an electrolyte membrane having a ratio (S / T) of the proton conductive inorganic material (S) to the total weight (T) of the proton conductive inorganic material-PAN composite membrane of 0.9 and a film thickness of 151 μm was obtained.

この電解質膜を用いて前述した参考例1で説明したのと同様にして液体燃料電池を作製した。 Using this electrolyte membrane, a liquid fuel cell was produced in the same manner as described in Reference Example 1 described above.

Figure 0004625658
Figure 0004625658

表3からも明らかなように、比表面積のより大きいSiO2に酸化バナジウムをより高担持するほど、得られたプロトン伝導性無機材料は比表面積が大きく、しかもルイス酸点の量が増えたと推測することができる。その結果、プロトンの伝導場が多くなり、膜抵抗が低下し、出力が増加したと思われる。 As apparent from Table 3, it is speculated that the higher the amount of vanadium oxide supported on SiO 2 having a larger specific surface area, the larger the specific surface area of the resulting proton-conductive inorganic material and the more the amount of Lewis acid points. can do. As a result, the proton conduction field increased, the membrane resistance decreased, and the output increased.

〔実施例24〕
参考例1で得られたプロトン伝導性無機材料と白金・ルテニウム担持触媒、PAN、DMAcを重量比で0.45/0.45/0.1/5.0の割合で混合したスラリーを調製し、32mm×32mmのカーボンクロス上に塗布して触媒量:Pt−Ru4mg/cm2の燃料極を作製した。
Example 24
A slurry was prepared by mixing the proton conductive inorganic material obtained in Reference Example 1 with a platinum / ruthenium supported catalyst, PAN, and DMAc at a weight ratio of 0.45 / 0.45 / 0.1 / 5.0. A fuel electrode having a catalyst amount of Pt—Ru 4 mg / cm 2 was prepared by coating on a 32 mm × 32 mm carbon cloth.

また、参考例1で得られたプロトン伝導性無機材料と白金担持触媒、PAN、DMAcを重量比で0.45/0.45/0.1/5.0の割合で混合したスラリーを調製し、32mm×32mmのカーボンクロス上に塗布して触媒量:Pt4mg/cm2の酸化剤極を作製した。 In addition, a slurry was prepared by mixing the proton conductive inorganic material obtained in Reference Example 1, the platinum-supported catalyst, PAN, and DMAc at a weight ratio of 0.45 / 0.45 / 0.1 / 5.0. And an oxidant electrode having a catalyst amount of Pt 4 mg / cm 2 was prepared by coating on a 32 mm × 32 mm carbon cloth.

さらに、電解質膜として比較例2で使用したのと同様なナフィオン117膜を用意した。   Further, a Nafion 117 membrane similar to that used in Comparative Example 2 was prepared as an electrolyte membrane.

上記燃料極、酸化剤極及び電解質膜を使用すること以外は、前述した参考例1で説明したのと同様にして燃料電池を作製した。 A fuel cell was produced in the same manner as described in Reference Example 1 except that the fuel electrode, the oxidant electrode, and the electrolyte membrane were used.

〔実施例25〕
実施例24で得られた燃料極及び酸化剤極と、参考例1で得られたプロトン伝導性膜を使用すること以外は、前述した参考例1で説明したのと同様にして燃料電池を作製した。
Example 25
A fuel cell was fabricated in the same manner as described in Reference Example 1 except that the fuel electrode and oxidant electrode obtained in Example 24 and the proton conductive membrane obtained in Reference Example 1 were used. did.

得られた実施例24、25について、燃料電池のセル抵抗と最大発電量を測定し、その結果を下記表4に示す。なお、表4には、前述した参考例1、比較例2の結果を併記する。 For the obtained Examples 24 and 25, the cell resistance and the maximum power generation amount of the fuel cell were measured, and the results are shown in Table 4 below. Table 4 shows the results of Reference Example 1 and Comparative Example 2 described above.

Figure 0004625658
Figure 0004625658

表4から明らかなように、電極や電解質膜に使用したプロトン伝導体の抵抗が小さいためセル抵抗が小さく、また、表1に示したとおり参考例1で得た電解質膜のメタノール透過性が低いことにより、比較例2で得た膜電極複合体よりも参考例1および実施例24、実施例25で得た膜電極複合体は高い出力特性を示した。 As is clear from Table 4, the resistance of the proton conductor used for the electrode and the electrolyte membrane is small, so the cell resistance is low, and as shown in Table 1, the methanol permeability of the electrolyte membrane obtained in Reference Example 1 is low. Thus, the membrane electrode composites obtained in Reference Example 1, Example 24, and Example 25 exhibited higher output characteristics than the membrane electrode composite obtained in Comparative Example 2.

下記表5には参考例1および比較例1により得たプロトン伝導性膜を沸騰水の中で1時間、煮沸処理を行い、上記と同様の方法で伝導性(膜抵抗)およびメタノール透過性を調べた。 In Table 5 below, the proton conductive membrane obtained in Reference Example 1 and Comparative Example 1 was boiled in boiling water for 1 hour, and the conductivity (membrane resistance) and methanol permeability were measured in the same manner as above. Examined.

Figure 0004625658
Figure 0004625658

表5において比較例1の膜は沸水処理後に伝導度が大きく低下し、ジルコニア表面に担持されていた硫酸根が加水分解により脱離したものと考えられる。一方、参考例1の膜は沸水処理による伝導度への影響はなく、熱や加水分解への耐久性が高いことがわかった。 In Table 5, it is considered that the conductivity of the membrane of Comparative Example 1 was greatly reduced after the boiling water treatment, and the sulfate radicals supported on the zirconia surface were detached by hydrolysis. On the other hand, it was found that the membrane of Reference Example 1 had no influence on the conductivity by boiling water treatment and had high durability against heat and hydrolysis.

このことから、実施形態の燃料電池で用いるプロトン伝導性固体電解質はプロトン伝導性を維持したまま、メタノールの透過性をより効果的に防止できることがわかった。 From this, it was found that the proton conductive solid electrolyte used in the fuel cell of the embodiment can more effectively prevent methanol permeability while maintaining proton conductivity.

以上詳述したように本発明によれば、小型で性能が高く、しかも安定した出力を供給可能な燃料電池を得ることが可能となり、その工業的価値は絶大である。   As described above in detail, according to the present invention, it is possible to obtain a fuel cell that is small in size, high in performance, and capable of supplying a stable output, and its industrial value is tremendous.

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

本発明の燃料電池の一実施形態に係る液体燃料電池を模式的に示した断面図。1 is a cross-sectional view schematically showing a liquid fuel cell according to an embodiment of the fuel cell of the present invention. 参考例1の液体燃料電池の構成を模式的に示した断面図。Sectional drawing which showed typically the structure of the liquid fuel cell of the reference example 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…液体燃料導入路、2…アノード、3…カソード、4…電解質膜、5…膜電極複合体(起電部)、6…燃料気化部、7…燃料浸透部、8…カソードセパレータ、9…酸化剤ガス供給溝、10…酸化剤極側ホルダー、11…燃料極側ホルダー、100…スタック。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Liquid fuel introduction path, 2 ... Anode, 3 ... Cathode, 4 ... Electrolyte membrane, 5 ... Membrane electrode assembly (electromotive part), 6 ... Fuel vaporization part, 7 ... Fuel penetration part, 8 ... Cathode separator, 9 ... oxidant gas supply groove, 10 ... oxidant electrode side holder, 11 ... fuel electrode side holder, 100 ... stack.

Claims (6)

酸化還元触媒及びプロトン伝導性無機酸化物を含有する触媒層を備えた燃料電池用電極であって、
前記プロトン伝導性無機酸化物は、Ti、Zr、Si及びAlよりなる群から選択される少なくとも一種類からなる元素Yを含有する酸化物担体と、前記酸化物担体の表面に担持され、W、Mo、Cr及びVよりなる群から選択される少なくとも一種類からなる元素Xを含有する酸化物粒子とを含有することを特徴とする燃料電池用電極
An electrode for a fuel cell comprising a catalyst layer containing a redox catalyst and a proton conductive inorganic oxide,
The proton conductive inorganic oxide includes an oxide carrier containing at least one element Y selected from the group consisting of Ti, Zr, Si and Al, and is supported on the surface of the oxide carrier, W, Mo, fuel cell electrode, wherein the benzalkonium to containing the oxide particles containing an element X formed of at least one kind selected from the group consisting of Cr and V.
前記プロトン伝導性無機酸化物は、比表面積が10m2/g以上、2000m2/g以下の範囲であり、かつ前記元素Xと前記元素Yとの元素比(X/Y)が0.0001以上、20以下の範囲であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池用電極The proton conductive inorganic oxide has a specific surface area of 10 m 2 / g or more and 2000 m 2 / g or less, and an element ratio (X / Y) between the element X and the element Y is 0.0001 or more. 2. The electrode for a fuel cell according to claim 1 , wherein the electrode is in a range of 20 or less. 前記プロトン伝導性無機酸化物は、Hammettの酸度関数H0が、H0<−11.93となる固体超強酸であることを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池用電極3. The fuel cell electrode according to claim 1, wherein the proton conductive inorganic oxide is a solid superacid having a Hammett acidity function H 0 of H 0 <−11.93. 前記プロトン伝導性無機酸化物は、Ti、Zr、Si及びAlよりなる群から選択される少なくとも一種類からなる元素Yを含有する酸化物担体に、W、Mo、Cr及びVよりなる群から選択される少なくとも一種類からなる元素Xを含有する酸化物前駆体を保持させた後、200℃以上、1000℃以下で熱処理することにより得られることを特徴とする請求項1〜3いずれか1項記載の燃料電池用電極The proton conductive inorganic oxide is selected from the group consisting of W, Mo, Cr and V in an oxide carrier containing at least one element Y selected from the group consisting of Ti, Zr, Si and Al. The oxide precursor containing at least one kind of element X to be obtained is retained and then heat-treated at 200 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, to obtain the oxide precursor. The electrode for fuel cells as described. 燃料極と、酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極の間に配置された電解質膜とを具備する膜電極複合体において、In a membrane electrode assembly comprising a fuel electrode, an oxidant electrode, and an electrolyte membrane disposed between the fuel electrode and the oxidant electrode,
前記燃料極及び前記酸化剤極のうちの少なくともいずれかに、請求項1〜4いずれか1項記載の燃料電池用電極を用いることを特徴とする膜電極複合体。The membrane electrode assembly using the fuel cell electrode according to any one of claims 1 to 4 for at least one of the fuel electrode and the oxidant electrode.
請求項5に記載の膜電極複合体を備えることを特徴とする燃料電池。A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 5.
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