JP5002928B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

この発明は、燃料電池システム、燃料電池車両、携帯機器及び輸送用機器に関し、特に固体高分子型燃料電池を含む燃料電池システム及び燃料電池車輌に関する。   The present invention relates to a fuel cell system, a fuel cell vehicle, a portable device, and a transportation device, and particularly to a fuel cell system including a polymer electrolyte fuel cell and a fuel cell vehicle.

昨今のエネルギー資源問題、CO排出に伴う地球温暖化問題の解決する手段として、燃料電池技術が注目されている。燃料電池は、電池内で水素、メタノール、又はその他の炭化水素等の燃料を電気化学的に酸化することにより、燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して取り出すものである。このため、燃料電池は、火力発電、自動車等の内燃機関において燃料の燃焼によるNOやSO等の発生がなく、クリーンな電気エネルギー源として注目されている。 Fuel cell technology is attracting attention as a means of solving the recent energy resource problems and global warming problems associated with CO 2 emissions. In a fuel cell, fuel such as hydrogen, methanol, or other hydrocarbons is electrochemically oxidized in the cell, thereby converting the chemical energy of the fuel directly into electrical energy and taking it out. For this reason, the fuel cell has been attracting attention as a clean electric energy source without generating NO X or SO X due to fuel combustion in an internal combustion engine such as thermal power generation and automobile.

燃料電池にはいくつかの種類がある。中でも固体高分子型燃料電池(以下、PEFCとする。)が最も注目され開発が進められている。PEFCは、(1)低温作動性であるため起動・停止が容易、(2)理論電圧や理論変換効率が高い、(3)電解質に液相が存在しないためセル構造が縦型等の柔軟な設計が可能である、(4)イオン交換膜/電極界面では反応場である三相界面の確保により電流を多く取り出せることができ高出力密度が得られる、等の様々な利点を有している。   There are several types of fuel cells. Among them, the polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) has attracted the most attention and is being developed. PEFC is (1) easy to start and stop due to low temperature operation, (2) high theoretical voltage and high conversion efficiency, and (3) flexible cell structure such as vertical because there is no liquid phase in the electrolyte. (4) At the ion exchange membrane / electrode interface, there are various advantages such as that a large current can be taken out by securing a three-phase interface as a reaction field and a high output density can be obtained. .

しかし、PEFCは最も注目されているにも拘らず、未だ多くの課題が山積みされている。中でも高分子電解質膜の技術は最重要課題の一つである。現在、最も広く使われている電解質膜であり、米国デュポン社から市販されているナフィオン(登録商標)膜に代表されるパーフルオロスルホン酸系ポリマーは、燃料電池の空気極(正極)で発生する活性酸素に対して耐性をもつ膜として開発された経緯がある。しかし、長期に渡る耐久試験の結果によると、まだ十分な耐性があるとは言えない状況である。   However, even though PEFC has received the most attention, there are still many problems. Among them, polymer electrolyte membrane technology is one of the most important issues. At present, perfluorosulfonic acid polymers represented by Nafion (registered trademark) membranes, which are the most widely used electrolyte membranes and are commercially available from DuPont, USA, are generated at the air electrode (positive electrode) of fuel cells. It has been developed as a membrane resistant to active oxygen. However, according to the results of a long-term durability test, it cannot be said that there is sufficient resistance yet.

燃料電池の作動原理は、燃料極(負極)におけるH酸化と、式(1)に示す空気極における分子状酸素(O)の4電子還元による水の生成という2つの電気化学的過程から成り立っている。 The operating principle of a fuel cell is based on two electrochemical processes, namely, H 2 oxidation at the fuel electrode (negative electrode) and water generation by 4-electron reduction of molecular oxygen (O 2 ) at the air electrode shown in Formula (1). It is made up.

2+4H++4e-→2H2O ・・・式(1)
しかしながら、実際には副反応が同時に起こっている。その代表的なものは、式(2)に示す空気極におけるOの2電子還元による過酸化水素(H)の生成である。
O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O (1)
In practice, however, side reactions occur simultaneously. A typical example is the production of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) by two-electron reduction of O 2 at the air electrode shown in Formula (2).

+2H+2e→H ・・・式(2)
過酸化水素は酸化力は弱いが、安定していて寿命が長い。そして、過酸化水素は次に示す反応式(3)、(4)に従って分解し、分解する際にヒドロキシラジカル(・OH)、ヒドロペルオキシラジカル(・OOH)などのラジカルが発生する。これらのラジカル、特にヒドロキシラジカルは強い酸化力を有しており、電解質膜として使用されているパーフルオロスルホン酸系ポリマーでさえも長期の使用により分解する可能性がある。
O 2 + 2H + + 2e → H 2 O 2 Formula (2)
Hydrogen peroxide has a weak oxidizing power but is stable and has a long life. Hydrogen peroxide is decomposed according to the following reaction formulas (3) and (4), and radicals such as hydroxy radicals (.OH) and hydroperoxy radicals (.OOH) are generated upon decomposition. These radicals, particularly hydroxy radicals, have a strong oxidizing power, and even perfluorosulfonic acid polymers used as electrolyte membranes may be decomposed by long-term use.

→2・OH ・・・式(3)
→・H+・OOH ・・・式(4)
また、Fe2+、Ti3+、Cu+などの遷移金属の低原子価のイオンが存在する場合には、過酸化水素がこれらの金属イオンにより1電子還元されてヒドロキシラジカルを生じるハーバーワイス(Haber-Weiss)反応が起こる。ヒドロキシラジカルは、活性酸素の中で最も反応性に富み、酸化力が非常に強いことが知られている。なお、金属イオンが鉄イオンの場合には、ハーバーワイス反応は式(5)に示すフェントン(Fenton)反応として知られている。
H 2 O 2 → 2.OH Formula (3)
H 2 O 2 → · H + · OOH (4)
In addition, when there are low-valence ions of transition metals such as Fe 2+ , Ti 3+ , and Cu + , Harbor Weiss (Haber −) in which hydrogen peroxide is reduced by one electron with these metal ions to generate a hydroxy radical. Weiss) reaction occurs. Hydroxyl radicals are known to be most reactive among active oxygens and have very strong oxidizing power. When the metal ion is an iron ion, the Harbor Weiss reaction is known as the Fenton reaction shown in Formula (5).

Fe2++H→Fe3++OH- +・OH ・・・式(5)
このように、電解質膜中に金属イオンが混入すると、ハーバーワイス反応により電解質膜の中で過酸化水素がヒドロキシラジカルへと変化し、このヒドロキシラジカルにより電解質膜が劣化するおそれがある(非特許文献1参照。)。
Fe 2+ + H 2 O 2 → Fe 3+ + OH + · OH Formula (5)
As described above, when metal ions are mixed in the electrolyte membrane, hydrogen peroxide is changed into hydroxy radicals in the electrolyte membrane by the Harbor Weiss reaction, and the electrolyte membrane may be deteriorated by the hydroxy radicals (Non-Patent Document). 1).

そこで、ヒドロキシラジカルによる電解質膜の酸化を阻止する方法として、例えば、フェノール性水酸基を有する化合物を電解質膜に配合し、過酸化物ラジカルをトラップして不活性化する方法が提案されている(特許文献1、2参照。)。また、電解質膜に、フェノール化合物、アミン化合物、イオウ化合物、燐化合物等を酸化防止剤として配合することにより、発生したラジカルを消去する方法が提案されている(特許文献3参照。)。更に、炭素−フッ素結合より小さい結合エネルギーを有する分子として、例えばラウリルアルコールを電解質膜に隣接するように配置された触媒層に含有させ、この分子がヒドロキシラジカルに対して優先的に反応することにより電解質膜を保護する方法が提案されている(特許文献4参照。)。また、アスコルビン酸を負極から燃料として供給する方法が提案されている(非特許文献2参照。)。
特開2000−223135号公報 特開2001−118591号公報 特開2004−134269号公報 特開2003−109623号公報 新エネルギー・産業技術総合開発機構 委託先 京都大学工学研究科,「平成13年度成果報告書、固体高分子形燃料電池の研究開発、固体高分子形燃料電池の劣化要因に関する研究、劣化要因に関する基礎研究(1)電極触媒/電解質界面の劣化要因」,平成14年3月,p.13、24、27 ナオコ・フジワラ(Naoko Fujiwara)外5名、「エレクトロケミカル・アンド・ソリッドステイト・レターズ(Electorochemical and Solid-State Letters)」、第6巻、第12号、p.A257−A259、2003年、アメリカ電気化学会
Thus, as a method for preventing oxidation of the electrolyte membrane by hydroxy radicals, for example, a method has been proposed in which a compound having a phenolic hydroxyl group is blended in the electrolyte membrane, and peroxide radicals are trapped and inactivated (patent) References 1 and 2). In addition, there has been proposed a method of eliminating generated radicals by blending an electrolyte membrane with a phenol compound, an amine compound, a sulfur compound, a phosphorus compound, or the like as an antioxidant (see Patent Document 3). Furthermore, as a molecule having a binding energy smaller than that of the carbon-fluorine bond, for example, lauryl alcohol is contained in a catalyst layer disposed adjacent to the electrolyte membrane, and this molecule reacts preferentially with a hydroxy radical. A method for protecting the electrolyte membrane has been proposed (see Patent Document 4). In addition, a method of supplying ascorbic acid as a fuel from a negative electrode has been proposed (see Non-Patent Document 2).
JP 2000-223135 A JP 2001-118591 A JP 2004-134269 A JP 2003-109623 A New Energy and Industrial Technology Development Organization Subcontractor, Graduate School of Engineering, Kyoto University, “2001 Results Report, Research and Development of Solid Polymer Fuel Cells, Research on Degradation Factors of Polymer Electrolyte Fuel Cells, Basics on Degradation Factors Study (1) Electrode catalyst / electrolyte interface degradation factors ", March 2002, p.13, 24, 27 Naoko Fujiwara and five others, “Electorochemical and Solid-State Letters”, Vol. 6, No. 12, p. A257-A259, 2003, American Electrochemical Society

しかしながら、上記のように電解質膜に酸化を防止する化合物を含有させるだけの方法では、この化合物はヒドロキシラジカルを還元することにより化合物自体が酸化されて電解質膜の酸化を防止する効能を失う。このため、半永久的に電解質膜の酸化防止効果を持続させることは不可能である。また、これらの化合物は難溶でありかつ分子量が大きいため、電極を通して酸化を防止する化合物を電解質内に送り込むことが不可能である。さらに、化合物がヒドロキシラジカルとの反応により不安定なラジカルまたは過酸化物となって新たな酸化反応の開始剤となり、電解質膜の劣化を引き起こす可能性がある。また、燃料電池は最大で1.23[V](NHE)の電位が発生する可能性があるが、これまで検討されてきた酸化を防止する化合物の多くは1.23[V](NHE)以下の酸化還元電位を有するため、この化合物は空気極で電解酸化される。このため、これらの化合物は燃料電池の燃料として機能することがあっても、電解質膜の酸化防止効果を示さない。   However, in the method in which the electrolyte membrane only contains the compound that prevents oxidation as described above, this compound loses the effect of preventing the oxidation of the electrolyte membrane by oxidizing the compound itself by reducing the hydroxy radical. For this reason, it is impossible to maintain the antioxidation effect of the electrolyte membrane semipermanently. Moreover, since these compounds are hardly soluble and have a large molecular weight, it is impossible to send a compound that prevents oxidation through the electrode into the electrolyte. In addition, the compound may become unstable radicals or peroxides by reaction with hydroxy radicals and become a new oxidation initiator, which may cause deterioration of the electrolyte membrane. In addition, the fuel cell may generate a potential of 1.23 [V] (NHE) at the maximum, but most of the compounds that have been studied so far prevent oxidation are 1.23 [V] (NHE). Since this compound has the following redox potential, this compound is electrolytically oxidized at the air electrode. For this reason, even if these compounds may function as fuel for the fuel cell, they do not exhibit the antioxidant effect of the electrolyte membrane.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、第1の発明である燃料電池システムは、燃料電池反応が起生する燃料電池反応系と、この燃料電池反応系内でヒドロキシラジカルを不活性化する化合物とを有し、この化合物は、1.23[V](NHE)より高い酸化電位を有し、かつ、ベンゼン、ベンゼン誘導体、ビフェニル、アセナフテン、ナフタレン、ナフタレン誘導体、ピリジン、ピリジン誘導体、スチレン、アルキルアミン、アセトアミド、アミド誘導体、アニリン、アニリン誘導体及びベンジルアルコールからなる化合物群から選択される化合物であることを要旨とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. A fuel cell system according to a first aspect of the present invention includes a fuel cell reaction system in which a fuel cell reaction occurs, and a hydroxyl radical in the fuel cell reaction system. Which has an oxidation potential higher than 1.23 [V] (NHE), and benzene, benzene derivatives, biphenyl, acenaphthene, naphthalene, naphthalene derivatives, pyridine, The gist is that the compound is selected from the group consisting of pyridine derivatives, styrene, alkylamines, acetamides, amide derivatives, anilines, aniline derivatives and benzyl alcohol.

第2の発明である燃料電池車両は、上記第1の発明に係る燃料電池システムが搭載されていることを要旨とする。   A fuel cell vehicle according to a second aspect of the invention is characterized in that the fuel cell system according to the first aspect of the invention is mounted.

第3の発明である携帯機器は、上記第1の発明に係る燃料電池システムを用いたことを要旨とする。   The gist of a portable device according to a third invention is that the fuel cell system according to the first invention is used.

第4の発明である輸送用機器は、上記第1の発明に係る燃料電池システムを用いたことを要旨とする。   The gist of a transportation device according to a fourth invention is that the fuel cell system according to the first invention is used.

第1の発明によれば、燃料電池反応系内に存在する化合物は1.23[V](NHE)より高い酸化電位を有するため、空気極での反応に伴う電解酸化を受けず、ヒドロキシラジカルを還元して不活性化する。このため、耐久性に優れた燃料電池システムを実現することができる。   According to the first invention, since the compound existing in the fuel cell reaction system has an oxidation potential higher than 1.23 [V] (NHE), the compound is not subjected to electrolytic oxidation accompanying the reaction at the air electrode, and the hydroxyl radical Is inactivated. For this reason, the fuel cell system excellent in durability can be realized.

第2〜第4の発明によれば、第1の発明に係る燃料電池システムを用いているため、長時間連続運転に耐えうる燃料電池車両、携帯機器及び輸送用機器を実現することができる。   According to the second to fourth inventions, since the fuel cell system according to the first invention is used, it is possible to realize a fuel cell vehicle, portable equipment, and transportation equipment that can withstand continuous operation for a long time.

以下、本発明に係る燃料電池システム及び燃料電池車両の詳細を実施の形態に基づいて説明する。   Hereinafter, details of a fuel cell system and a fuel cell vehicle according to the present invention will be described based on embodiments.

図1は本発明に係る燃料電池システムの実施の形態を説明する概略的な説明図である。本実施の形態に係る燃料電池システムは、図1に示すように、燃料電池スタック(燃料電池)1と、燃料電池スタック1の外部に配置されており、この燃料電池スタック1にヒドロキシラジカルを還元して不活性化する化合物を連続的に供給する化合物供給手段11を備える。   FIG. 1 is a schematic explanatory view illustrating an embodiment of a fuel cell system according to the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to the present embodiment is disposed outside a fuel cell stack (fuel cell) 1 and the fuel cell stack 1, and hydroxy radicals are reduced in the fuel cell stack 1. And a compound supply means 11 for continuously supplying the inactivated compound.

図1に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システムを構成する燃料電池スタック1は、電気化学反応により発電を行う基本単位となる燃料電池の単セル2を複数積層して構成されており、積層後に両端部にエンドフランジ(不図示)を配置し、外周部を締結ボルト(不図示)により締結して構成された燃料電池スタック(不図示)を含む。単セル2は、固体高分子電解質膜4を挟持する空気極5及び燃料極6とを備え、空気極5及び燃料極6の一方が電極を構成する膜電極接合体3と、この膜電極接合体3の空気極5側に配置され膜電極接合体3との間に空気流路8を形成する空気極側セパレータ7と、膜電極接合体3の燃料極6側の面に配置され、膜電極接合体3との間に燃料ガス流路10を形成する燃料極側セパレータ9と、を備えている。また、燃料電池スタック1には、各単セル2に水素ガス等の水素を含有する燃料ガスを供給するための水素供給ライン(不図示)と、酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給ライン(不図示)と、冷却水を供給する冷却水供給ライン(不図示)が設けられている。   As shown in FIG. 1, a fuel cell stack 1 constituting the fuel cell system according to the present embodiment is configured by laminating a plurality of single cells 2 of a fuel cell, which is a basic unit for generating power by an electrochemical reaction. And a fuel cell stack (not shown) configured by disposing end flanges (not shown) at both ends after lamination and fastening the outer periphery with fastening bolts (not shown). The unit cell 2 includes an air electrode 5 and a fuel electrode 6 that sandwich a solid polymer electrolyte membrane 4, and one of the air electrode 5 and the fuel electrode 6 constitutes an electrode, and the membrane electrode joint. An air electrode side separator 7 that is disposed on the air electrode 5 side of the body 3 and forms an air flow path 8 between the membrane electrode assembly 3 and a surface on the fuel electrode 6 side of the membrane electrode assembly 3. And a fuel electrode side separator 9 that forms a fuel gas flow channel 10 between the electrode assembly 3 and the electrode assembly 3. The fuel cell stack 1 includes a hydrogen supply line (not shown) for supplying a fuel gas containing hydrogen such as hydrogen gas to each single cell 2 and an air supply line (not shown) for supplying air as an oxidant gas. (Not shown) and a cooling water supply line (not shown) for supplying cooling water are provided.

単セル2に用いる固体高分子電解質膜4としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体膜(商品名;ナフィオン(登録商標)、米国デュポン社)などを使用することができる。そして、固体高分子電解質膜4の一方の面に空気極5、他方の面に燃料極6として白金触媒担持カーボンの触媒層がそれぞれ接合されて膜電極接合体3を構成する。   As the solid polymer electrolyte membrane 4 used for the single cell 2, a perfluorocarbon polymer membrane having a sulfonic acid group (trade name; Nafion (registered trademark), DuPont, USA) and the like can be used. Then, a catalyst layer of platinum catalyst-carrying carbon is bonded to one surface of the solid polymer electrolyte membrane 4 as an air electrode 5 and the other surface as a fuel electrode 6 to form a membrane electrode assembly 3.

図2に示すように、空気極側セパレータ7及び燃料極側セパレータ9は、カーボンや金属をプレート状に成形し、その表面にガス流路及び冷却水流路が形成されたものである。空気流路8は空気極5と空気極側セパレータ7との間に形成されており、空気極5に反応ガスである空気の供給を行う。燃料ガス流路10は燃料極6と燃料極側セパレータ9との間に形成されており、燃料極6に反応ガスである水素の供給を行う。なお、燃料ガス流路10は燃料ガスを加湿することにより水分の補給通路として、また、空気流路8は生成した水の除去通路としても機能する。なお、各セパレータ7、9と各電極5、6との間には、カーボンペーパやカーボン不織布等により形成されたガス拡散層を適宜配置する。   As shown in FIG. 2, the air electrode side separator 7 and the fuel electrode side separator 9 are formed by forming carbon or metal into a plate shape, and a gas channel and a cooling water channel are formed on the surface thereof. The air flow path 8 is formed between the air electrode 5 and the air electrode side separator 7, and supplies air as a reaction gas to the air electrode 5. The fuel gas channel 10 is formed between the fuel electrode 6 and the fuel electrode side separator 9, and supplies hydrogen as a reaction gas to the fuel electrode 6. The fuel gas channel 10 functions as a moisture replenishment passage by humidifying the fuel gas, and the air channel 8 also functions as a generated water removal passage. A gas diffusion layer formed of carbon paper or carbon nonwoven fabric is appropriately disposed between the separators 7 and 9 and the electrodes 5 and 6.

上記構成の燃料電池スタック1の各単セル2において、空気流路8及び燃料ガス流路10に空気及び水素ガスが各々供給されると、空気及び水素ガスがそれぞれ空気極5及び燃料極6側に供給され、以下に示す式(6)及び(7)の反応が起こる。   In each single cell 2 of the fuel cell stack 1 configured as described above, when air and hydrogen gas are respectively supplied to the air flow path 8 and the fuel gas flow path 10, the air and hydrogen gas are respectively on the air electrode 5 and fuel electrode 6 sides. The reaction of the following formulas (6) and (7) occurs.

燃料極側:H2 →2H+ +2e- ・・・式(6)
空気極側:(1/2)O2+2H+ +2e-→H2O ・・・式(7)
図3に示すように、燃料極6側に水素ガスが供給されると、式(6)の反応が進行してH+(プロトン) とe-(電子)とが生成する。H+は、水和状態で固体高分子電解質膜4内を移動して空気極5側に流れ、空気極5側では、H+とe-と供給された空気中の酸素ガスとにより式(7)の反応が進行して水が生成する。この際に、燃料極6で生成した電子が図3に示す外部回路17を介して空気極5へ移動することにより起電力が得られる。このように、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムは、式(6)及び(7)の反応、すなわち燃料電池反応が起生する燃料電池反応系を有し、この燃料電池反応系は膜電極接合体3を含む。
Fuel electrode side: H 2 → 2H + + 2e Expression (6)
Air electrode side: (1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (7)
As shown in FIG. 3, when hydrogen gas is supplied to the fuel electrode 6 side, the reaction of the formula (6) proceeds and H + (proton) And e (electrons) are generated. H + moves in the solid polymer electrolyte membrane 4 in a hydrated state and flows to the air electrode 5 side. On the air electrode 5 side, H + , e and oxygen gas in the supplied air represent the formula ( The reaction of 7) proceeds to produce water. At this time, an electromotive force is obtained by electrons generated at the fuel electrode 6 moving to the air electrode 5 via the external circuit 17 shown in FIG. As described above, the fuel cell system according to the embodiment of the present invention has the fuel cell reaction system in which the reactions of formulas (6) and (7), that is, the fuel cell reaction occurs, The membrane electrode assembly 3 is included.

式(7)に示すように、空気極5での反応は分子状酸素(O)の4電子還元による水の生成である。この酸素の4電子還元の他に副反応が同時に起こり、酸素の1電子還元体であるスーパーオキシド(O )、スーパーオキシドの共役酸であるヒドロペルオキシラジカル(・OOH)、2電子還元体である過酸化水素(H)、3電子還元体であるヒドロキシラジカル(・OH)などの活性酸素が発生する。各活性酸素の発生メカニズムは、それぞれ下記式(8)〜(12)に示す複数の素反応過程を経由する複合反応と推察される。 As shown in Equation (7), the reaction at the air electrode 5 is the generation of water by four-electron reduction of molecular oxygen (O 2 ). In addition to this 4-electron reduction of oxygen, side reactions occur simultaneously, superoxide (O 2 ), which is a one-electron reductant of oxygen, hydroperoxy radical (· OOH), a conjugate acid of superoxide, and a two-electron reductant. Active oxygen such as hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), a three-electron reduced form, or a hydroxy radical (.OH) is generated. The generation mechanism of each active oxygen is presumed to be a complex reaction through a plurality of elementary reaction processes represented by the following formulas (8) to (12).

+e→O ・・・式(8)
+H→・OOH ・・・式(9)
+2H+2e→H ・・・式(10)
+H+e→HO+・OH ・・・式(11)
→2・OH ・・・式(12)
発生した活性酸素は、下記式(13)〜(15)の素反応過程を経由し、最終的には水に還元されると推察される。なお、Eは標準酸化還元電位(Normal Hydrogen Electrode;NHE)で表している。
O 2 + e → O 2 (8)
O 2 + H + → · OOH Formula (9)
O 2 + 2H + + 2e → H 2 O 2 Formula (10)
H 2 O 2 + H + + e → H 2 O + · OH Formula (11)
H 2 O 2 → 2.OH Formula (12)
The generated active oxygen is presumed to be finally reduced to water through the elementary reaction processes of the following formulas (13) to (15). Note that E 0 is represented by a normal oxidation-reduction potential (Normal Hydrogen Electrode; NHE).

・OOH+H+e→H=1.50[V] ・・・式(13)
+2H+2e→2HO E=1.77[V] ・・・式(14)
・OH+H+e→HO E=2.85[V] ・・・式(15)
ここで問題となるのは、酸化還元電位が2.85[V]と高く、酸化力の強いヒドロキシラジカルである。ヒドロキシラジカルは、活性酸素の中で最も反応性が高く寿命が百万分の一秒と非常に短く、酸化力も強い。このため、速やかに還元して不活性化しなければヒドロキシラジカルは他の分子と反応する。燃料電池で問題となっている酸化劣化のほとんどが、このヒドロキシラジカルが原因であると推察されている。このヒドロキシラジカルは、燃料電池が発電している間、上記式(8)〜(12)を経由して発生し続ける。一方、ヒドロペルオキシラジカル及び過酸化水素は、ヒドロキシラジカルと比較すると酸化力は弱いが、水に還元される過程でヒドロキシラジカルを経由する可能性がある。このように、ヒドロキシラジカルの発生は、燃料電池で発電している限り半永久的に続くものである。このため、ヒドロキシラジカルを不活性化する化合物を燃料電池に供給しなければ、発生し続けるヒドロキシラジカルにより固体高分子電解質膜が酸化劣化するおそれがある。
OOH + H + + e → H 2 O 2 E 0 = 1.50 [V] (13)
H 2 O 2 + 2H + + 2e → 2H 2 O E 0 = 1.77 [V] (14)
OH + H + + e → H 2 O E 0 = 2.85 [V] (15)
The problem here is a hydroxy radical having a high oxidation-reduction potential of 2.85 [V] and a strong oxidizing power. Hydroxyl radicals are the most reactive of active oxygen, have a very short lifetime of 1 millionth of a second, and have strong oxidizing power. For this reason, hydroxy radicals react with other molecules unless they are rapidly reduced and inactivated. It is speculated that most of the oxidative degradation that is a problem in fuel cells is caused by this hydroxy radical. This hydroxy radical continues to be generated via the above formulas (8) to (12) while the fuel cell is generating power. On the other hand, hydroperoxy radicals and hydrogen peroxide are less oxidative than hydroxy radicals, but may pass through hydroxyl radicals in the process of being reduced to water. Thus, the generation of hydroxy radicals continues semipermanently as long as power is generated by the fuel cell. For this reason, unless a compound that inactivates hydroxy radicals is supplied to the fuel cell, the solid polymer electrolyte membrane may be oxidized and deteriorated by the hydroxy radicals that continue to be generated.

本実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料電池反応系内でヒドロキシラジカルを還元して不活性化する化合物を有するため、燃料電池反応により発生したヒドロキシラジカルが固体高分子電解質膜を酸化することなく前述の化合物と反応する。この化合物によるヒドロキシラジカルを還元する反応は、式(16)、式(17)に示す通りである。

Figure 0005002928
Since the fuel cell system according to the present embodiment has a compound that reduces and deactivates hydroxy radicals in the fuel cell reaction system, the hydroxy radicals generated by the fuel cell reaction oxidize the solid polymer electrolyte membrane. Reacts with the aforementioned compounds. The reaction for reducing the hydroxy radical by this compound is as shown in the formulas (16) and (17).
Figure 0005002928

式(16)はヒドロキシラジカルを化合物AHとの還元反応により不活性化する反応を示す。式(17)は、ヒドロキシラジカルを化合物Bに付加することにより不活性化する反応を示す。AH、A及びBは任意の置換基を、kは反応速度定数を表す。式(16)及び式(17)の反応によりヒドロキシラジカルは還元されて不活性化するため、固体高分子電解質膜の酸化による劣化を抑えることができる。また、この化合物は1.23[V](NHE)より高い酸化電位を有するため、燃料電池反応において化合物が電解酸化されることがなく、固体高分子電解質膜の酸化防止効果が得られる。 Formula (16) shows a reaction for inactivating a hydroxy radical by a reduction reaction with compound AH. Formula (17) represents a reaction that is inactivated by adding a hydroxy radical to Compound B. AH, A and B are optional substituents, and k is a reaction rate constant. Hydroxyl radicals are reduced and inactivated by the reactions of formulas (16) and (17), so that deterioration of the solid polymer electrolyte membrane due to oxidation can be suppressed. Further, since this compound has an oxidation potential higher than 1.23 [V] (NHE), the compound is not electrolytically oxidized in the fuel cell reaction, and the effect of preventing the solid polymer electrolyte membrane from being oxidized can be obtained.

活性酸素の発生は、燃料電池スタックで発電している限り半永久的に続くため、上記化合物は、燃料電池スタック1の外部に設けた化合物供給手段11により、空気極又は燃料極に化合物溶液として連続的に供給することがより効果的であり、燃料電池スタック1の燃料極9側から供給することが好ましい。この場合には、燃料電池スタック1で発電を続け、活性酸素が発生し続けている状態であっても、確実にヒドロキシラジカルを不活性化して消去し、固体高分子電解質膜の劣化を防ぐことができる。また、化合物が酸化されやすい環境であっても、外部から化合物を連続的に供給するため、ヒドロキシラジカルを不活性化する効率が変化しない。   Since the generation of active oxygen continues semipermanently as long as power is generated in the fuel cell stack, the compound is continuously supplied as a compound solution to the air electrode or the fuel electrode by the compound supply means 11 provided outside the fuel cell stack 1. However, it is preferable to supply from the fuel electrode 9 side of the fuel cell stack 1. In this case, even if the fuel cell stack 1 continues to generate power and active oxygen continues to be generated, the hydroxyl radicals are surely deactivated and erased to prevent deterioration of the solid polymer electrolyte membrane. Can do. Even in an environment where the compound is easily oxidized, the efficiency of inactivating the hydroxy radical does not change because the compound is continuously supplied from the outside.

化合物を燃料極9側から供給する場合には、例えば、図1に示すように、化合物供給手段11を、化合物溶液が封入されている化合物溶液タンク12と、化合物溶液を燃料電池スタック1の燃料極6側へ供給する送液ポンプ13と、化合物溶液タンク12と送液ポンプ13とを接続する化合物溶液管路14と、送液ポンプ13と燃料ガス流路10とを接続するた化合物供給管路15とから構成する。上記したように、燃料電池スタック1の空気極側セパレータ7及び燃料極側セパレータ9の表面には、反応ガスである空気や水素の供給を行うための空気流路8及び燃料ガス流路10がそれぞれ形成されている。各反応ガスは、図2に示す燃料電池システムを構成する燃料電池スタック1の単セル2の分解斜視図のように、バブラ(不図示)により加湿された状態で空気流路8及び燃料ガス流路10を通過する。この際に、化合物溶液を、送液ポンプ13の駆動力により化合物溶液タンク12から化合物溶液管路14及び溶液供給管路15を介して燃料ガス流路10に供給する。燃料ガス流路10に供給された化合物溶液は、図3に示す膜電極接合体3における物質の移動を説明する説明図のように、燃料極6側から固体高分子電解質膜4に拡散し、濃度勾配に従って均一に空気極5に分散される。   When the compound is supplied from the fuel electrode 9 side, for example, as shown in FIG. 1, the compound supply means 11 includes a compound solution tank 12 in which the compound solution is sealed, and the compound solution as the fuel of the fuel cell stack 1. A liquid feed pump 13 that supplies the electrode 6, a compound solution pipe 14 that connects the compound solution tank 12 and the liquid feed pump 13, and a compound supply pipe that connects the liquid feed pump 13 and the fuel gas flow path 10. The road 15 is constituted. As described above, on the surfaces of the air electrode side separator 7 and the fuel electrode side separator 9 of the fuel cell stack 1, there are the air flow path 8 and the fuel gas flow path 10 for supplying air or hydrogen as a reaction gas. Each is formed. As shown in the exploded perspective view of the single cell 2 of the fuel cell stack 1 that constitutes the fuel cell system shown in FIG. 2, each reaction gas is humidified by a bubbler (not shown) and the air flow path 8 and the fuel gas flow. Pass through road 10. At this time, the compound solution is supplied from the compound solution tank 12 to the fuel gas channel 10 via the compound solution line 14 and the solution supply line 15 by the driving force of the liquid feed pump 13. The compound solution supplied to the fuel gas channel 10 is diffused from the fuel electrode 6 side to the solid polymer electrolyte membrane 4 as shown in the explanatory view for explaining the movement of the substance in the membrane electrode assembly 3 shown in FIG. It is uniformly distributed in the air electrode 5 according to the concentration gradient.

このように、化合物を化合物溶液として燃料極6側から供給する方が好ましい理由として、ヒドロキシラジカル等の活性酸素が発生する可能性が高いのは空気極の三相界面付近であることがあげられる。図4に示す空気極における三相界面を示す模式図のように、空気極の三相界面付近は、空気中の酸素及び電極触媒である白金が存在する非常に酸化されやすい環境である。このため、化合物を空気極から導入した場合には、化合物自体が空気極の三相界面でヒドロキシラジカルの有無にかかわらず酸化されて消失する可能性があり、活性酸素の不活性化効率が低下する可能性がある。   As described above, the reason why it is preferable to supply the compound as a compound solution from the fuel electrode 6 side is that the possibility of generating active oxygen such as hydroxy radicals is high near the three-phase interface of the air electrode. . As shown in the schematic diagram showing the three-phase interface in the air electrode shown in FIG. 4, the vicinity of the three-phase interface of the air electrode is an environment where oxygen in the air and platinum as an electrode catalyst are present and are easily oxidized. For this reason, when the compound is introduced from the air electrode, the compound itself may be oxidized and lost at the three-phase interface of the air electrode regardless of the presence or absence of hydroxy radicals, and the deactivation efficiency of active oxygen is reduced. there's a possibility that.

また、上記したように、空気極側セパレータ7の空気流路8は生成した水の除去通路としても機能する。このため、過剰に供給され不用となった化合物、活性酸素を不活性化して酸化体となった化合物の酸化体を三相界面上の触媒によって酸化させてCO、HOまたはN等とした後に、生成水と同時に図1に示す排出管16より排出させることができる。このため、化合物が不安定なラジカルまたは過酸化物となり、新たな酸化反応の開始剤となって電解質膜劣化を引き起こすことを防ぐことができる。 Further, as described above, the air flow path 8 of the air electrode side separator 7 also functions as a generated water removal passage. For this reason, an excessively supplied compound that has become unnecessary, an oxidized form of a compound that has been inactivated by deactivating active oxygen, is oxidized by a catalyst on the three-phase interface, and CO 2 , H 2 O, N 2, etc. Then, it can be discharged from the discharge pipe 16 shown in FIG. For this reason, it can be prevented that the compound becomes unstable radicals or peroxides and becomes a new oxidation reaction initiator to cause deterioration of the electrolyte membrane.

なお、化合物溶液を調整する際には、空気極に均一に分散させるために難溶でもかまわないが溶媒に溶解することが重要である。不溶の場合には、水素ラジカルの出入りが不可能となりヒドロキシラジカルを不活性化する効果が十分に発揮されない。このため、化合物が溶解する溶媒を選ぶことが必要であり、必要に応じて有機溶媒単独、または有機溶媒と水との混合溶媒を用いる。そして、有機溶媒を使用する場合には、発電性能に影響を与えないことを予め確認する必要がある。このため、化合物が溶解可能であれば水溶液とすることが発電性能の点から好ましい。   When preparing the compound solution, it may be difficult to dissolve in the air electrode, but it is important to dissolve in the solvent. In the case of insolubility, the entry and exit of hydrogen radicals becomes impossible, and the effect of inactivating the hydroxy radicals is not sufficiently exhibited. For this reason, it is necessary to select a solvent in which the compound is dissolved, and an organic solvent alone or a mixed solvent of an organic solvent and water is used as necessary. And when using an organic solvent, it is necessary to confirm beforehand that it does not affect a power generation performance. For this reason, if the compound can be dissolved, an aqueous solution is preferable from the viewpoint of power generation performance.

化合物は、炭素、酸素、窒素及び水素の4元素から構成される炭化水素系化合物であることが好ましい。炭素、酸素、窒素及び水素以外の他の元素は、電極中の白金を被毒して燃料電池の発電性能を阻害する可能性がある。また、卑金属元素の場合には、ヒドロキシラジカルの発生を促進させる可能性がある。化合物を空気極で酸化させて排出させる場合を考慮すると、炭素、酸素、窒素及び水素の4元素のみから構成され、CO、HOやNに分解される炭化水素系化合物であることが好ましい。 The compound is preferably a hydrocarbon compound composed of four elements of carbon, oxygen, nitrogen and hydrogen. Other elements other than carbon, oxygen, nitrogen, and hydrogen may poison the platinum in the electrode and hinder the power generation performance of the fuel cell. In the case of a base metal element, there is a possibility of promoting the generation of hydroxy radicals. Considering the case where the compound is oxidized and discharged at the air electrode, it is composed of only four elements of carbon, oxygen, nitrogen and hydrogen and is a hydrocarbon compound that is decomposed into CO 2 , H 2 O and N 2 Is preferred.

また、化合物は、その分子量が400以下であることが好ましく、200以下、更には100以下であることがより好ましい。化合物を燃料極より電解質内への供給することを考慮すると、化合物は難溶でもかまわないが水溶性であり、分子量が小さい方が電極を通しての電解質内への浸入が容易となる。   The compound preferably has a molecular weight of 400 or less, more preferably 200 or less, and even more preferably 100 or less. In consideration of supplying the compound from the fuel electrode into the electrolyte, the compound may be hardly soluble, but is water-soluble, and the smaller the molecular weight, the easier the penetration into the electrolyte through the electrode.

化合物は、ヒドロキシラジカルにより酸化されて得られる酸化体が、化学的に安定であるか、または加水分解されて化学的に安定であることが好ましい。酸化体が不安定であると、酸化体が新たな副反応の開始剤となり、電解質膜等を酸化する場合がある。   It is preferable that an oxidant obtained by oxidation of a compound with a hydroxy radical is chemically stable or is hydrolyzed and chemically stable. If the oxidant is unstable, the oxidant may become a new side reaction initiator and oxidize the electrolyte membrane or the like.

ヒドロキシラジカルの酸化還元電位は非常に高いため、上記4元素ら構成される炭化水素系化合物の大部分は、熱力学的にヒドロキシラジカルに対して還元剤として働くと考えられる。また、各化合物は、速度論的に還元能力に差があると考えられる。そして、ヒドロキシラジカルの高い反応性を考慮すると、化合物とヒドロキシラジカルの反応は速度論的に速い方が好ましい。そこで、ヒドロキシラジカルと化合物の反応速度は、常温で反応速度定数kが5×10-8[M-1sec-1]より大きいことが好ましく、kが10×10-8[M-1sec-1]より大きいことがより好ましい。kが5×10-8[M-1sec-1]以下では、ヒドロキシラジカルとの反応速度が不十分で、電解質膜の酸化が優先される。kが10×10-8[M-1sec-1]より大きい場合には、より大きな酸化防止効果が期待できる。 Since the oxidation-reduction potential of the hydroxyl radicals is very high, most of the four elements that consists hydrocarbon compounds are believed to act as a reducing agent to thermodynamically hydroxyl radicals. Each compound is considered to have a difference in reducing ability in terms of kinetics. In view of the high reactivity of the hydroxy radical, the reaction between the compound and the hydroxy radical is preferably faster in terms of kinetics. Therefore, the reaction rate of the hydroxy radical and the compound is preferably such that the reaction rate constant k is larger than 5 × 10 −8 [M −1 sec −1 ] at normal temperature, and k is 10 × 10 −8 [M −1 sec −]. 1 ] is more preferable. When k is 5 × 10 −8 [M −1 sec −1 ] or less, the reaction rate with the hydroxy radical is insufficient, and the oxidation of the electrolyte membrane is prioritized. When k is larger than 10 × 10 −8 [M −1 sec −1 ], a greater antioxidant effect can be expected.

ヒドロキシラジカルとの反応の形態としては、ヒドロキシラジカルが不活性化されれば問題なく、式(16)に示したヒドロキシラジカルの還元反応、または式(17)で示したヒドロキシラジカルの付加反応でもかまわない。この場合、副反応を引き起こすことがないように、化合物がヒドロキシラジカルにより酸化されて得られる酸化体、または化合物にヒドロキシラジカルが付加した付加体が、化学的に安定または加水分解されて化学的に安定であることが好ましい。   As a form of reaction with the hydroxy radical, there is no problem if the hydroxy radical is inactivated, and a reduction reaction of the hydroxy radical shown in the formula (16) or an addition reaction of the hydroxy radical shown in the formula (17) may be used. Absent. In this case, an oxidized form obtained by oxidizing the compound with a hydroxy radical or an adduct obtained by adding a hydroxy radical to the compound is chemically stabilized or hydrolyzed to prevent side reactions from occurring. It is preferable that it is stable.

ヒドロキシラジカルを還元して不活性化する化合物として、例えば、ベンゼン、ベンゼン誘導体、ビフェニル、アセナフテン、ナフタレン、ナフタレン誘導体、ピリジン、ピリジン誘導体、シクロヘキサン、シクロヘキサン誘導体、C3〜C10の直鎖オレフィン、シクロヘキセン、シクロヘキセン誘導体、スチレン、アルキルアミン、アセトアミド、アミド誘導体、アニリン、アニリン誘導体、C2〜C8の1〜3級アルコール、アルコール誘導体、シクロヘキサノール、ベンジルアルコール、C2〜C8のエーテル及び環状エーテルからなる化合物群から選択される化合物があげられる。   Examples of compounds that reduce and inactivate hydroxy radicals include, for example, benzene, benzene derivatives, biphenyl, acenaphthene, naphthalene, naphthalene derivatives, pyridine, pyridine derivatives, cyclohexane, cyclohexane derivatives, C3-C10 linear olefins, cyclohexene, cyclohexene Selected from the group consisting of derivatives, styrene, alkylamines, acetamides, amide derivatives, anilines, aniline derivatives, C2 to C8 primary to tertiary alcohols, alcohol derivatives, cyclohexanol, benzyl alcohol, C2 to C8 ethers and cyclic ethers Compounds.

以上示したように、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料電池反応が起生する燃料電池反応系と、この燃料電池反応系内でヒドロキシラジカルを不活性化する化合物とを有し、この化合物は1.23[V](NHE)より高い酸化電位を有することにより、耐久性に優れた燃料電池システムを実現することができる。   As described above, the fuel cell system according to the embodiment of the present invention has a fuel cell reaction system in which a fuel cell reaction occurs and a compound that inactivates hydroxy radicals in the fuel cell reaction system. And since this compound has an oxidation potential higher than 1.23 [V] (NHE), the fuel cell system excellent in durability can be implement | achieved.

なお、本実施の形態に係る燃料電池システムでは、プロトン伝導型の高分子電解質膜を用いる燃料電池であれば燃料の種類に限定されることは無く、水素型固体高分子燃料電池、ダイレクトメタノール型固体高分子燃料電池、ダイレクト炭化水素型固体高分子燃料電池等のいずれの燃料電池に用いることが可能である。   In the fuel cell system according to the present embodiment, the fuel cell system is not limited to the type of fuel as long as it is a fuel cell that uses a proton conductive polymer electrolyte membrane. It can be used for any fuel cell such as a solid polymer fuel cell and a direct hydrocarbon solid polymer fuel cell.

また、本発明に係る燃料電池システムは、その用途として燃料電池車両に限定されることはなく、例えば燃料電池コージェネレーション発電システム、燃料電池家電機器、燃料電池携帯機器、燃料電池輸送用機器等に適用することが可能である。   Further, the fuel cell system according to the present invention is not limited to a fuel cell vehicle as its application. For example, the fuel cell system is used in a fuel cell cogeneration power generation system, a fuel cell home appliance, a fuel cell portable device, a fuel cell transport device, and the like. It is possible to apply.

以下、実施例1〜実施例4及び比較例1〜比較例4により本発明に係る燃料電池システムを更に具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。これらの実施例は、本発明に係る燃料電池システムの有効性を調べたものであり、異なる化合物を用いた燃料電池システムの例を示したものである。   Hereinafter, the fuel cell system according to the present invention will be described more specifically with reference to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4. However, the scope of the present invention is not limited thereto. These examples are for examining the effectiveness of the fuel cell system according to the present invention, and show examples of fuel cell systems using different compounds.

ヒドロキシラジカルを還元して不活性化する化合物を燃料極より供給することによる効果を調べるために開回路放置試験を行い、単セルの発電耐久時間を測定した。   In order to investigate the effect of supplying a compound that reduces and deactivates hydroxy radicals from the fuel electrode, an open circuit standing test was conducted, and the power generation durability time of a single cell was measured.

実施例1
固体高分子電解質膜としてデュポン社のナフィオン(登録商標)211膜(厚さ25[μm])を1[cm]角に切り出して用いた。ナフィオン(登録商標)膜の前処理は、NEDO PEFC R&Dプロジェクト標準処理に従い、3[%]過酸化水素水中で1[時間]煮沸した後、蒸留水中1[時間]煮沸し、続いて、1[M]硫酸水溶液中で1[時間]煮沸し、最後に蒸留水中で1[時間]煮沸の順に行った。
Example 1
As a solid polymer electrolyte membrane, a DuPont Nafion (registered trademark) 211 membrane (thickness 25 [μm]) was cut into 1 [cm] squares and used. The Nafion (registered trademark) membrane is pretreated according to NEDO PEFC R & D project standard treatment, boiled in 3% hydrogen peroxide water for 1 hour, then boiled in distilled water for 1 hour. M] The solution was boiled in an aqueous solution of sulfuric acid for 1 hour, and finally boiled in distilled water for 1 hour.

前処理の後、開回路放置試験を行うために単セルを作製した。まず、白金担持カーボンとして田中貴金属製TEC10E50Eを、電解質バインダとしてデュポン社製5wt%ナフィオン(登録商標)溶液を用いた。白金担持カーボンを水で十分湿らせた後電解質バインダを加え、イソプロピルアルコールを加えてイソプロピルアルコールに白金担持カーボンと電解質バインダを分散させた。その後、ホモジナイザーで3[時間]混合して均一化処理し、その後脱泡処理をして触媒インクとした。その後、白金量が0.4 [mg/cm]となるように触媒インクをテフロン(登録商標)シートに塗布して触媒シートを2枚作製した。この触媒シートをナフィオン(登録商標)211膜の燃料極側及び空気極側にそれぞれ配置し、2[MPa]、132[℃]、10[分間]ホットプレスして触媒シートをナフィオン(登録商標)211膜に転写して電極触媒層とし、CCM(catalyst coated membrane)を得た。CCMをガス拡散層に挟んだ後、セパレーターと集電板で挟みこみ、触媒エリアが5×5[cm]の単セルを作製した。 After the pretreatment, a single cell was prepared for an open circuit standing test. First, TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku was used as platinum-supporting carbon, and a 5 wt% Nafion (registered trademark) solution manufactured by DuPont was used as an electrolyte binder. After the platinum-supporting carbon was sufficiently moistened with water, an electrolyte binder was added, and isopropyl alcohol was added to disperse the platinum-supporting carbon and the electrolyte binder in isopropyl alcohol. Thereafter, the mixture was mixed for 3 hours with a homogenizer and homogenized, and then defoamed to obtain a catalyst ink. Thereafter, the catalyst ink was applied to a Teflon (registered trademark) sheet so that the amount of platinum was 0.4 [mg / cm 3 ] to prepare two catalyst sheets. This catalyst sheet is arranged on the fuel electrode side and air electrode side of the Nafion (registered trademark) 211 membrane, respectively, and hot pressed at 2 [MPa], 132 [° C.] and 10 [minutes] to form the catalyst sheet as Nafion (registered trademark). The film was transferred to a 211 membrane to form an electrode catalyst layer, and CCM (catalyst coated membrane) was obtained. CCM was sandwiched between gas diffusion layers, and then sandwiched between a separator and a current collector plate to produce a single cell with a catalyst area of 5 × 5 [cm 2 ].

セル温度90[℃]、加湿温度60[℃]の開回路放置試験を行い、OCV(open circuit voltage)をモニターして単セルの耐久性を調べた。燃料極には30[%]の湿度で加湿した水素ガスを、空気極には30[%]の湿度で加湿した酸素ガスをそれぞれ流速500[ml/分]で供給した。ヒドロキシラジカルを不活性化する化合物としてイソプロピルアルコールを用いた。イソプロピルアルコールは、燃料極より送液ポンプを経由して流速0.1[ml/分]で供給した。OCVは、水素ガス、酸素ガス、イソプロパノールのそれぞれを上記流速で流しながら測定した。   An open circuit standing test was conducted at a cell temperature of 90 [° C.] and a humidification temperature of 60 [° C.], and OCV (open circuit voltage) was monitored to examine the durability of the single cell. Hydrogen gas humidified at a humidity of 30 [%] was supplied to the fuel electrode, and oxygen gas humidified at a humidity of 30 [%] was supplied to the air electrode at a flow rate of 500 [ml / min]. Isopropyl alcohol was used as a compound for inactivating the hydroxy radical. Isopropyl alcohol was supplied from the fuel electrode via a liquid feed pump at a flow rate of 0.1 [ml / min]. The OCV was measured while flowing hydrogen gas, oxygen gas, and isopropanol at the above flow rates.

実施例2
実施例2では、イソプロピルアルコールを1.0[ml/分]の流速で上記単セルの燃料極側に供給し、それ以外の条件は実施例1と同一条件とした。
Example 2
In Example 2, isopropyl alcohol was supplied to the fuel electrode side of the single cell at a flow rate of 1.0 [ml / min], and the other conditions were the same as in Example 1.

実施例3
実施例3では、実施例1のイソプロピルアルコールの代わりにエチルアルコールを流し、それ以外の条件は実施例1と同一条件とした。
Example 3
In Example 3, ethyl alcohol was allowed to flow instead of isopropyl alcohol in Example 1, and the other conditions were the same as in Example 1.

実施例4
実施例4では、実施例1のイソプロピルアルコールの代わりに1,4−ジオキサンを流し、それ以外の条件は実施例1と同一条件とした。
Example 4
In Example 4, 1,4-dioxane was allowed to flow instead of the isopropyl alcohol of Example 1, and the other conditions were the same as in Example 1.

比較例1
実施例1において、化合物溶液を流さない場合を比較例1とし、その他の条件は実施例1と同一条件とした。
Comparative Example 1
In Example 1, the case where the compound solution was not passed was set as Comparative Example 1, and the other conditions were the same as those in Example 1.

比較例2
比較例2では、実施例1のイソプロピルアルコールの代わりにメチルアルコールを流し、それ以外の条件は実施例1と同一条件とした。
Comparative Example 2
In Comparative Example 2, methyl alcohol was allowed to flow instead of isopropyl alcohol in Example 1, and the other conditions were the same as in Example 1.

比較例3
比較例3では、実施例1のイソプロピルアルコールの代わりにアセトンを流し、それ以外の条件は実施例1と同一条件とした。
Comparative Example 3
In Comparative Example 3, acetone was allowed to flow instead of isopropyl alcohol in Example 1, and the other conditions were the same as in Example 1.

比較例4
比較例4では、実施例1のイソプロピルアルコールの代わりに酢酸を流し、それ以外の条件は実施例1と同一条件とした。
Comparative Example 4
In Comparative Example 4, acetic acid was allowed to flow instead of isopropyl alcohol in Example 1, and the other conditions were the same as in Example 1.

ヒドロキシラジカルは消失速度が極めて速く、かつヒドロキシラジカルを不活性化する化合物の濃度は極めて低いため、燃料電池内のヒドロキシラジカルの不活性化反応を特定することは容易ではない。そこで、実施例1、3、4、比較例1〜比較例4について、燃料電池におけるヒドロキシラジカルを不活性化する反応を予測するために、ビーカーでモデル実験を行った。   It is not easy to specify the deactivation reaction of the hydroxy radical in the fuel cell because the disappearance rate of the hydroxy radical is extremely high and the concentration of the compound that inactivates the hydroxy radical is extremely low. Therefore, for Examples 1, 3, 4, and Comparative Examples 1 to 4, a model experiment was conducted in a beaker in order to predict the reaction for inactivating the hydroxy radicals in the fuel cell.

実験は、ビーカーに、H:0.5[%]、FeCl:0.2[ppm]、ヒドロキシラジカルを不活性化する化合物:1[%]の水溶液を調製し、電解質膜であるナフィオン(登録商標)211膜をビーカー中に浸漬した。9時間放置した後、ガスクロマトグラフでヒドロキシラジカルを不活性化する化合物の変化、及び電解質膜より溶出するフッ素イオン量をイオンクロマトグラフにより確認した。 In the experiment, an aqueous solution of H 2 O 2 : 0.5 [%], FeCl 2 : 0.2 [ppm], and a compound that inactivates a hydroxyl radical: 1 [%] was prepared in a beaker, and an electrolyte membrane was used. A Nafion® 211 membrane was immersed in a beaker. After standing for 9 hours, the change of the compound that inactivates the hydroxy radical and the amount of fluorine ion eluted from the electrolyte membrane were confirmed by ion chromatography using a gas chromatograph.

表1に実施例1〜実施例4及び比較例1〜比較例4における燃料極に供給した化合物の種類、化合物の分子量、化合物の供給量及びヒドロキシラジカルと化合物との反応速度を、表2に開回路放置試験の結果、すなわち、OCVが0.8[V]を保持する時間及び発電不能となる時間を示す。また、表3にビーカーによるモデル実験に使用した化合物、試験後に新たに検出された主な化合物及び検出されたフッ素イオン濃度を示す。

Figure 0005002928
Figure 0005002928
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Table 1 shows the types of compounds supplied to the fuel electrode in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4, the molecular weight of the compounds, the supply amount of the compounds, and the reaction rate between the hydroxy radical and the compounds in Table 2. The result of the open circuit standing test, that is, the time during which the OCV maintains 0.8 [V] and the time during which power generation is disabled are shown. Table 3 shows the compounds used in the model experiment using a beaker, main compounds newly detected after the test, and detected fluorine ion concentrations.
Figure 0005002928
Figure 0005002928
Figure 0005002928

図5に、単セル促進耐久性試験の結果を表す。実施例1、比較例1のいずれにおいても試験開始後はOCVが1.0[V]程度であり、5時間後にはOCVが0.95[V]程度に低下した。ヒドロキシラジカルを還元する化合物が添加されていない比較例1では、試験開始15時間後から急激にOCVが低下し、20時間で0.8[V]を下回り、40時間で発電不能となった。これに対し、燃料極側からヒドロキシラジカルを還元する化合物としてイソプロピルアルコールを供給した実施例1では、50時間経過するまでOCVが0.8[V]以上を示し、80時間後まで発電が継続した。   FIG. 5 shows the results of the single cell accelerated durability test. In both Example 1 and Comparative Example 1, the OCV was about 1.0 [V] after the start of the test, and the OCV decreased to about 0.95 [V] after 5 hours. In Comparative Example 1 in which a compound that reduces hydroxy radicals was not added, the OCV decreased rapidly after 15 hours from the start of the test, was below 0.8 [V] in 20 hours, and was unable to generate power in 40 hours. In contrast, in Example 1 in which isopropyl alcohol was supplied as a compound for reducing hydroxy radicals from the fuel electrode side, OCV was 0.8 [V] or higher until 50 hours passed, and power generation continued until 80 hours later. .

表1より、参照電極としてFc/Fcを用いた場合にイソプロピルアルコールは2.50[V]の酸化還元電位(電気化学会編,電気化学便覧,第5版,丸善株式会社,平成14年4月30日,p298参照)を有し、1.23[V](NHE)より高い。また、イソプロピルアルコールは、ヒドロキシラジカルとの常温での反応速度定数kは13×10‐8であり、ヒドロキシラジカルの不活性化反応速度が速いことが知られている(ケイ・ユウ・インゴールド( K.U.Ingold), 「フリーラジカルズ(Free Radicals)」,ウィリー・インターサイエンス(Wiley Interscience),p82参照)。このように、ヒドロキシラジカルを還元して不活性化し、その酸化還元電位が1.23[V](NHE)より高い化合物を燃料極より供給することにより、単セルの耐久性が向上した。 From Table 1, when Fc / Fc + is used as a reference electrode, isopropyl alcohol has an oxidation-reduction potential of 2.50 [V] (Electrical Society edited by Electrochemical Handbook, 5th edition, Maruzen Co., Ltd., 2002) April 30, p298) and higher than 1.23 [V] (NHE). In addition, isopropyl alcohol has a reaction rate constant k at room temperature with a hydroxy radical of 13 × 10 −8 , and is known to have a high inactivation reaction rate of the hydroxy radical (Kay Yu Ingold ( KUIngold), "Free Radicals", Wiley Interscience, p82). Thus, the durability of the single cell was improved by reducing and inactivating the hydroxy radical and supplying a compound having a redox potential higher than 1.23 [V] (NHE) from the fuel electrode.

図5に実施例1のモデル実験で得られたガスクロマトグラムを示す。ここで、検出限界は0.05[ppm]である。図5においてAで示したピークは僅かに確認された副反応のピークであり、Bで示したピークはアセトンのピークであり、Cで示したピークはイソプロピルアルコールのピークである。この結果から、実施例1において電解質膜をビーカー中に浸漬してから9時間経過後の溶液には、イソプロピルアルコールの他に主な生成物としてアセトンが確認された。このことから、ビーカー中で起こっている反応のメカニズムは式(18)に示す反応式の通りと推定される。   FIG. 5 shows a gas chromatogram obtained in the model experiment of Example 1. Here, the detection limit is 0.05 [ppm]. In FIG. 5, the peak indicated by A is a slightly confirmed side reaction peak, the peak indicated by B is an acetone peak, and the peak indicated by C is an isopropyl alcohol peak. From this result, acetone was confirmed as a main product in addition to isopropyl alcohol in the solution 9 hours after the electrolyte membrane was immersed in the beaker in Example 1. From this, it is presumed that the reaction mechanism occurring in the beaker is as shown in the reaction equation shown in equation (18).

CHCHOHCH+2・OH→CHCOCH+2HO ・・・式(18)
また、電解質膜をビーカー中に浸漬してから9時間経過後の溶液中に含まれるフッ素イオン量は検出限界以下であった。これらの結果より、イソプロピルアルコールがヒドロキシラジカルとの反応により酸化されてアセトンとなり、ヒドロキシラジカルが還元されて不活性化し、電解質膜の酸化を抑制することを確認した。これに対し、比較例1では2.0[ppm]のフッ素イオンが検出され、ヒドロキシラジカルにより電解質膜の酸化が進行していることを確認した。
CH 3 CHOHCH 3 + 2 · OH → CH 3 COCH 3 + 2H 2 O (18)
The amount of fluorine ions contained in the solution after 9 hours from the immersion of the electrolyte membrane in the beaker was below the detection limit. From these results, it was confirmed that isopropyl alcohol was oxidized by reaction with a hydroxy radical to become acetone, and the hydroxy radical was reduced and inactivated to suppress the oxidation of the electrolyte membrane. On the other hand, in Comparative Example 1, 2.0 [ppm] fluorine ion was detected, and it was confirmed that the oxidation of the electrolyte membrane was proceeding with hydroxy radicals.

実施例2において、0.8[V]の酸化還元電位以下に低下する時間40時間であり実施例1に比べて短くなったが、発電不能となる時間は120時間に向上した。これは、いずれもイソプロピルアルコールの供給量を増やした結果と考えられる。   In Example 2, the time to decrease below the redox potential of 0.8 [V] was 40 hours, which was shorter than that in Example 1, but the time when power generation was disabled was improved to 120 hours. This is considered to be a result of increasing the supply amount of isopropyl alcohol.

実施例3において、0.8[V]の酸化還元電位以下に低下する時間は40時間であり実施例1に比べて短くなったが、発電不能となる時間は80時間に向上した。参照電極としてFc/Fcを用いた場合に、エチルアルコールは2.61[V]の酸化還元電位(電気化学会編,電気化学便覧,第5版,丸善株式会社,平成14年4月30日,p298参照)を有し、1.23[V](NHE)より高い。また、エチルアルコールは、ヒドロキシラジカルとの常温での反応速度定数kは11×10‐8であり、ヒドロキシラジカルの不活性化反応速度が速いことが知られている(ケイ・ユウ・インゴールド( K.U.Ingold), 「フリーラジカルズ(Free Radicals)」,ウィリー・インターサイエンス(Wiley Interscience),p82参照)。このように、ヒドロキシラジカルを還元して不活性化し、その酸化還元電位が1.23[V](NHE)より高い化合物を燃料極より供給することにより、単セルの耐久性が向上した。ビーカーでのモデル実験を行った結果、ビーカー中で起こっている反応のメカニズムは以下に示す反応式の通りと推定され、主な生成物としてアセトアルデヒト、酢酸が確認された。 In Example 3, the time to decrease below the redox potential of 0.8 [V] was 40 hours, which was shorter than that in Example 1, but the time during which power generation was disabled was improved to 80 hours. When Fc / Fc + is used as the reference electrode, ethyl alcohol has an oxidation-reduction potential of 2.61 [V] (Electrical Society of Japan, Electrochemical Handbook, 5th edition, Maruzen Co., Ltd., April 30, 2002) Day, p298) and higher than 1.23 [V] (NHE). Further, ethyl alcohol has a reaction rate constant k at room temperature with a hydroxy radical of 11 × 10 −8 , and is known to have a high inactivation reaction rate of the hydroxy radical (Kay Yu Ingold ( KUIngold), "Free Radicals", Wiley Interscience, p82). Thus, the durability of the single cell was improved by reducing and inactivating the hydroxy radical and supplying a compound having a redox potential higher than 1.23 [V] (NHE) from the fuel electrode. As a result of model experiments in a beaker, the reaction mechanism occurring in the beaker was estimated as shown in the following reaction formula, and acetaldehyde and acetic acid were confirmed as main products.

CHCHOH+2・OH→CHCHO+2HO ・・・式(19)
CHCHO+2・OH→CHCOOH+HO ・・・式(20)
また、実施例3のモデル実験でも、実施例1と同様にフッ素イオンは検出限界以下であった。
CH 3 CH 2 OH + 2.OH → CH 3 CHO + 2H 2 O Formula (19)
CH 3 CHO + 2.OH → CH 3 COOH + H 2 O Formula (20)
In the model experiment of Example 3, the fluorine ions were below the detection limit as in Example 1.

実施例4において、0.8[V]の酸化還元電位以下に低下する時間は60時間であり、発電不能となる時間は100時間に向上した。ジオキサンの酸化電位は文献値を見つけることができなかったが、その化学構造から目的とする1.23[V](NHE)より高い酸化電位を有すると予想される。また、ヒドロキシラジカルとの常温での反応速度定数kは2.0×10‐7であり、ヒドロキシラジカルの不活性化反応速度が速いことが知られている(ケイ・ユウ・インゴールド( K.U.Ingold), 「フリーラジカルズ(Free Radicals)」,ウィリー・インターサイエンス(Wiley Interscience),p82参照)。このように、ヒドロキシラジカルを還元して不活性化し、その酸化還元電位が1.23[V](NHE)より高い化合物を燃料極より供給することにより、単セルの耐久性が向上した。ビーカーでのモデル実験を行った結果、ビーカー中で起こっている反応のメカニズムは以下に示す反応式の通りと推定され、主な生成物としてジオキサノール及びジオキサノンが確認された。

Figure 0005002928
In Example 4, the time to decrease below the redox potential of 0.8 [V] was 60 hours, and the time when power generation was disabled was improved to 100 hours. Although the literature potential could not be found for the oxidation potential of dioxane, its chemical structure is expected to have an oxidation potential higher than the intended 1.23 [V] (NHE). In addition, the reaction rate constant k at room temperature with a hydroxy radical is 2.0 × 10 −7 , and it is known that the inactivation reaction rate of the hydroxy radical is high (KU Ingold). , "Free Radicals", Wiley Interscience, p82). Thus, the durability of the single cell was improved by reducing and inactivating the hydroxy radical and supplying a compound having a redox potential higher than 1.23 [V] (NHE) from the fuel electrode. As a result of conducting a model experiment in a beaker, the mechanism of the reaction occurring in the beaker was estimated as shown in the following reaction formula, and dioxanol and dioxanone were confirmed as main products.
Figure 0005002928

また、実施例4のモデル実験では、実施例1と同様にフッ素イオンは検出限界以下であった。 Further, in the model experiment of Example 4, as in Example 1, fluorine ions were below the detection limit.

比較例2において、0.8[V]の酸化還元電位以下に低下する時間は30時間、発電不能となる時間は50時間であり、両者は実施例1より短くなった。参照電極としてFc/Fcを用いた場合に、メチルアルコールは2.73[V]の酸化還元電位(電気化学会編,電気化学便覧,第5版,丸善株式会社,平成14年4月30日,p298参照)を有し、目的とする1.23[V](NHE)より高い。一方、メチルアルコールは、ヒドロキシラジカルとの常温での反応速度定数kは5.0×10‐8であり(ケイ・ユウ・インゴールド( K.U.Ingold), 「フリーラジカルズ(Free Radicals)」,ウィリー・インターサイエンス(Wiley Interscience),p82参照)、実施例と比較してヒドロキシラジカルの不活性化反応速度が遅い。このように、ヒドロキシラジカルを還元して不活性化し、その酸化還元電位が1.23[V](NHE)より高い化合物を燃料極より供給した場合であっても、ヒドロキシラジカルとの反応速度定数が低い場合には、比較例1と比べて若干耐久性が向上したに留まった。また、ビーカーでのモデル実験を行った結果、主な生成物として蟻酸、ホルムアルデヒトが確認された。また、フッ素イオンも0.2[ppm]確認され、電解質膜の酸化抑制効果が弱いことが分かった。 In Comparative Example 2, the time to decrease below the redox potential of 0.8 [V] was 30 hours, and the time during which power generation was disabled was 50 hours, both of which were shorter than Example 1. When Fc / Fc + is used as a reference electrode, methyl alcohol has an oxidation-reduction potential of 2.73 [V] (Electrical Society edited by Electrochemical Handbook, 5th edition, Maruzen Co., Ltd., April 30, 2002) Day, p298) and higher than the intended 1.23 [V] (NHE). On the other hand, methyl alcohol has a reaction rate constant k with a hydroxy radical at room temperature of 5.0 × 10 −8 (KU Ingold, “Free Radicals”, Willy ・Interscience (see Wiley Interscience, p82), and the inactivation reaction rate of hydroxy radicals is slower than in Examples. In this way, even when the hydroxy radical is reduced and inactivated and a compound having a redox potential higher than 1.23 [V] (NHE) is supplied from the fuel electrode, the reaction rate constant with the hydroxy radical When it was low, the durability was slightly improved as compared with Comparative Example 1. Moreover, as a result of conducting a model experiment in a beaker, formic acid and formaldehyde were confirmed as main products. Further, fluorine ions were also confirmed to be 0.2 [ppm], and it was found that the effect of suppressing the oxidation of the electrolyte membrane was weak.

比較例3において、0.8[V]の酸化還元電位以下に低下する時間は15時間、発電不能となる時間は30時間であり、両者は比較例1より短くなった。アセトンとヒドロキシラジカルとの常温での反応速度定数kは0.6×10‐8であり(ケイ・ユウ・インゴールド( K.U.Ingold), 「フリーラジカルズ(Free Radicals)」,ウィリー・インターサイエンス(Wiley Interscience),p82参照)、実施例と比較してヒドロキシラジカルの不活性化するための反応速度が遅い。また、ビーカーでのモデル実験を行った結果、主な生成物として蟻酸、ホルムアルデヒトが確認された。また、フッ素イオンも4.3[ppm]確認され、電解質膜の酸化抑制効果を示さなかった。 In Comparative Example 3, the time to decrease below the redox potential of 0.8 [V] was 15 hours, and the time during which power generation was disabled was 30 hours, both of which were shorter than Comparative Example 1. The reaction rate constant k between acetone and hydroxy radicals at room temperature is 0.6 × 10 −8 (KU Ingold, “Free Radicals”, Willy Interscience (Wiley Interscience), p82), and the reaction rate for inactivating hydroxy radicals is slower than in the examples. Moreover, as a result of conducting a model experiment in a beaker, formic acid and formaldehyde were confirmed as main products. Further, 4.3 [ppm] of fluorine ions was also confirmed, and the effect of suppressing the oxidation of the electrolyte membrane was not exhibited.

比較例4において、0.8[V]の酸化還元電位以下に低下する時間は10時間、発電不能となる時間は20時間であり、両者は比較例1より短くなった。酢酸とヒドロキシラジカルとの常温での反応速度定数kは1.4×10‐8であり(ケイ・ユウ・インゴールド( K.U.Ingold), 「フリーラジカルズ(Free Radicals)」,ウィリー・インターサイエンス(Wiley Interscience),p82参照)、実施例と比較してヒドロキシラジカルの不活性化するための反応速度が遅い。また、ビーカーでのモデル実験を行った結果、主な生成物として蟻酸が確認された。また、フッ素イオンも5.2[ppm]確認され、電解質膜の酸化抑制効果を示さなかった。 In Comparative Example 4, the time to decrease below the redox potential of 0.8 [V] was 10 hours, the time during which power generation was disabled was 20 hours, and both were shorter than Comparative Example 1. The reaction rate constant k between acetic acid and hydroxy radical at room temperature is 1.4 × 10 −8 (KUIngold, “Free Radicals”, Willy Interscience (Wiley) Interscience), p82), and the reaction rate for inactivating hydroxy radicals is slower than in the examples. Moreover, as a result of conducting a model experiment in a beaker, formic acid was confirmed as the main product. Further, fluorine ions were also confirmed to be 5.2 [ppm] and did not show the effect of suppressing the oxidation of the electrolyte membrane.

以上示したように、現在最も広く使われている電解質膜であるナフィオン(登録商標)膜に代表されるパーフルオロスルホン酸系ポリマーは、燃料電池の空気極で発生する活性酸素により十分な耐性があるとは言えない状況であったが、ヒドロキシラジカルを不活性化する化合物を燃料極より連続的に供給することにより、連続的に発生するヒドロキシラジカルの不活性化が可能となり、電解質膜の劣化を抑制し、燃料電池の耐久性能が向上可能となる。   As described above, perfluorosulfonic acid polymers represented by the Nafion (registered trademark) membrane, which is the most widely used electrolyte membrane, are sufficiently resistant to active oxygen generated at the air electrode of the fuel cell. Although it could not be said that there was a situation, by continuously supplying a compound that inactivates hydroxy radicals from the fuel electrode, it is possible to inactivate the hydroxy radicals that are continuously generated, resulting in deterioration of the electrolyte membrane. The durability performance of the fuel cell can be improved.

以上、本実施の形態の形態について説明したが、上記の実施の形態の開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう   As mentioned above, although the form of this Embodiment was demonstrated, it should not be understood that the description and drawing which make a part of indication of said Embodiment limit this invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples, and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.

本発明に係る燃料電池システムの実施の形態を説明する概略的な説明図である。1 is a schematic explanatory diagram illustrating an embodiment of a fuel cell system according to the present invention. 本発明に係る燃料電池システムを構成する燃料電池の単セルを示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows the single cell of the fuel cell which comprises the fuel cell system which concerns on this invention. 単セルを構成する膜電極接合体における物質の移動を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the movement of the substance in the membrane electrode assembly which comprises a single cell. 空気極における三相界面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the three-phase interface in an air electrode. 実施例1及び比較例1の単セル促進耐久性試験の結果を表すグラフである。It is a graph showing the result of the single cell accelerated durability test of Example 1 and Comparative Example 1. 実施例1のモデル実験で得られたガスクロマトグラムである。2 is a gas chromatogram obtained in the model experiment of Example 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池スタック
2 単セル
3 膜電極接合体
4 固体高分子電解質膜
5 空気極
6 燃料極
7 空気極側セパレータ
8 空気流路
9 燃料極側セパレータ
10 燃料ガス流路
11 化合物供給手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 2 Single cell 3 Membrane electrode assembly 4 Solid polymer electrolyte membrane 5 Air electrode 6 Fuel electrode 7 Air electrode side separator 8 Air flow path 9 Fuel electrode side separator 10 Fuel gas flow path 11 Compound supply means

Claims (8)

燃料電池反応が起生する燃料電池反応系と、
前記燃料電池反応系内でヒドロキシラジカルを不活性化する化合物とを有し、
前記化合物は、1.23[V](NHE)より高い酸化電位を有し、かつ、ベンゼン、ベンゼン誘導体、ビフェニル、アセナフテン、ナフタレン、ナフタレン誘導体、ピリジン、ピリジン誘導体、スチレン、アルキルアミン、アセトアミド、アミド誘導体、アニリン、アニリン誘導体及びベンジルアルコールからなる化合物群から選択される化合物であることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell reaction system in which a fuel cell reaction occurs;
A compound that inactivates hydroxy radicals in the fuel cell reaction system,
The compound has an oxidation potential higher than 1.23 [V] (NHE), and benzene, benzene derivatives, biphenyl, acenaphthene, naphthalene, naphthalene derivatives, pyridine, pyridine derivatives, styrene, alkylamine, acetamide, amide A fuel cell system comprising a compound selected from the group consisting of a derivative, aniline, an aniline derivative and benzyl alcohol.
燃料電池反応が起生する燃料電池反応系と、
前記燃料電池反応系内でヒドロキシラジカルを不活性化する化合物とを有し、
前記化合物は、1.23[V](NHE)より高い酸化電位を有し、かつ、ジオキサンであることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell reaction system in which a fuel cell reaction occurs;
A compound that inactivates hydroxy radicals in the fuel cell reaction system,
The fuel cell system, wherein the compound has an oxidation potential higher than 1.23 [V] (NHE) and is dioxane.
前記化合物は400以下の分子量を有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the compound has a molecular weight of 400 or less. 前記化合物の分子量は200以下であることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 3, wherein the molecular weight of the compound is 200 or less. 前記化合物の分子量は100以下であることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 4, wherein the molecular weight of the compound is 100 or less. 固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟持する空気極及び燃料極とを備え、前記空気極及び燃料極の一方が電極を構成している膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記空気極側に配置され、前記膜電極接合体との間に空気流路を画成する空気極側セパレータと、前記膜電極接合体の前記燃料極側の面に配置され、前記膜電極接合体との間に燃料ガス流路を画成する燃料極側セパレータと、を備えた単セルを複数積層した燃料電池と、
前記化合物を連続的に前記燃料電池に供給して前記電極に接触させる化合物供給手段とを備えることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
A membrane electrode assembly comprising a solid polymer electrolyte membrane, an air electrode and a fuel electrode sandwiching the solid polymer electrolyte membrane, and one of the air electrode and the fuel electrode constitutes an electrode; and the membrane electrode junction An air electrode side separator that is disposed on the air electrode side of the body and defines an air flow path between the membrane electrode assembly, and the fuel electrode side surface of the membrane electrode assembly; A fuel cell in which a plurality of single cells including a fuel electrode side separator that defines a fuel gas flow path between the electrode assembly and the electrode assembly;
6. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a compound supply unit configured to continuously supply the compound to the fuel cell and contact the electrode.
前記燃料電池反応系は前記膜電極接合体を含み、前記化合物供給手段において、前記化合物を前記燃料極に供給して濃度勾配を利用して前記空気極に送り、不用となった前記化合物の酸化体を前記空気極に含有させた触媒により酸化させてCO、HO又はNとして排出させることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。 The fuel cell reaction system includes the membrane electrode assembly, and the compound supply means supplies the compound to the fuel electrode and sends it to the air electrode using a concentration gradient to oxidize the unnecessary compound. The fuel cell system according to claim 6, wherein the body is oxidized by a catalyst contained in the air electrode and discharged as CO 2 , H 2 O, or N 2 . 前記燃料電池は、水素型燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、及びダイレクト炭化水素型燃料電池を含む燃料電池群から選択される燃料電池を含むことを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の燃料電池システム。   8. The fuel cell according to claim 6, wherein the fuel cell includes a fuel cell selected from a fuel cell group including a hydrogen fuel cell, a direct methanol fuel cell, and a direct hydrocarbon fuel cell. Fuel cell system.
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