JP5167725B2 - Direct ethanol fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、アルコールを燃料とする燃料電池、特にアルコールを直接に燃料とする固体高分子電解質型燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell using alcohol as a fuel, and more particularly to a solid polymer electrolyte fuel cell using alcohol directly as a fuel.
燃料電池は、電気化学反応装置として、高いエネルギー変換効率が得られ、特に水素燃料を用いた固体高分子電解質型燃料電池(PEFC)は、電気自動車等の高速移動体の電源、あるいは分散型電源として期待されている。一般に、PEFCでは、燃料極(アノード)および酸素極(カソード)の二つの電極と、これらに挟まれた固体高分子電解質膜(PEM)からなる膜電極接合体(MEA)が形成されており、MEAを発電セル単位として複数積層し、スタックした構成となっている。MEAでは、アノードに水素を供給し、カソードに酸化剤として酸素または空気を供給し、それぞれの電極で生じる酸化反応および還元反応によって起電力が得られる。このような電極における電気化学反応を活性化するため、電極には、殆どの場合、白金触媒が使用されており、アノードで発生したプロトン(水素イオン)が、固体高分子電解質膜を介してカソードに伝導されることにより、発電が行われる。しかしながら、水素を燃料とするPEFCは、水素燃料の貯蔵、運搬、加給等に解決すべき課題が多く、特に、水素燃料の供給やその安全性、水素燃料を用いた発電動作時間の向上などの問題が解決されない限り小型携帯機器等の電子機器用電源を目的としたパーソナル用途に不向きであることが一般に認識されている。 A fuel cell is an electrochemical reaction device that has high energy conversion efficiency. In particular, a solid polymer electrolyte fuel cell (PEFC) using hydrogen fuel is a power source for a high-speed moving body such as an electric vehicle or a distributed power source. As expected. In general, in PEFC, a membrane electrode assembly (MEA) comprising two electrodes, a fuel electrode (anode) and an oxygen electrode (cathode), and a solid polymer electrolyte membrane (PEM) sandwiched between them is formed. A plurality of MEAs are stacked in units of power generation cells and stacked. In MEA, hydrogen is supplied to an anode, oxygen or air is supplied as an oxidant to a cathode, and an electromotive force is obtained by an oxidation reaction and a reduction reaction occurring at each electrode. In order to activate the electrochemical reaction in such an electrode, in most cases, a platinum catalyst is used for the electrode, and protons (hydrogen ions) generated at the anode pass through the solid polymer electrolyte membrane to the cathode. Electricity is generated by being conducted to. However, PEFC using hydrogen as a fuel has many problems to be solved for storage, transportation, supply, etc. of hydrogen fuel, especially supply of hydrogen fuel and its safety, improvement of power generation operation time using hydrogen fuel, etc. As long as the problem is not solved, it is generally recognized that it is not suitable for personal use aimed at power supplies for electronic devices such as small portable devices.
これらの難点を解決し、特に、小型で軽量な燃料電池を実現する技術として、有機液体燃料を直接酸化して発電を行う燃料電池が最近注目されている。その一つの形態である直接アルコール型燃料電池(DAFC)は、PEFCと同様な発電セル構成でアノードに、燃料としてアルコールを直接供給して酸化反応を行う燃料電池であり、エネルギー密度が大きい燃料が利用できるため昨今特に注目を集めている。DAFCとしては、燃料としてメタノールを用いる直接メタノール型燃料電池(DMFC)が知られており、PEFCや燃料を改質して水素を得て燃料とする燃料電池よりも小型、軽量で、安全性に優れており、携帯型電子機器等の電源として期待が大きい。また、燃料としてエタノールを用いる直接エタノール型燃料電池(DEFC)は、植物由来のバイオエタノールが利用できること等の安全性および環境面の利点がメタノールより格段に大きく、最近研究開発されたバイオブタノールも燃料として期待される。 Recently, a fuel cell that generates electricity by directly oxidizing an organic liquid fuel has attracted attention as a technique for solving these problems and realizing a small and light fuel cell. One form of the direct alcohol fuel cell (DAFC) is a fuel cell that performs an oxidation reaction by directly supplying alcohol as fuel to the anode with a power generation cell configuration similar to that of PEFC. It has attracted particular attention recently because it can be used. As a DAFC, a direct methanol fuel cell (DMFC) that uses methanol as a fuel is known, and it is smaller, lighter, and safer than PEFC and a fuel cell that uses hydrogen as fuel by reforming the fuel. It is excellent and is highly expected as a power source for portable electronic devices. In addition, direct ethanol fuel cells (DEFC) using ethanol as a fuel have safety and environmental advantages such as the use of plant-derived bioethanol, which is much greater than methanol, and recently researched and developed biobutanol is also fuel. As expected.
このようにDAFCは、多くの利点を有しているものの、メタノールに比べてエタノールのアノード酸化反応は、過電圧が大きいという問題がある。すなわち、メタノール、エタノール等のアルコールのアノード酸化には、白金をベースとする触媒が好適であることが知られているが、白金触媒よりも白金−ルテニウム触媒がさらに好適である(非特許文献1参照)。しかしながら、白金−ルテニウム触媒をアノードに使用しても、メタノールの酸化には十分でなく、エタノール等のその他のアルコールの酸化に至っては、さらに不十分である。このため、DEFCのアノード触媒として、DMFCと同等以上の出力特性が得られる触媒の開発が待ち望まれている。さらに、DAFCを目指したアルコールの酸化のメカニズムについては、より有効な触媒を目的に多くの検討がなされている(非特許文献2〜5参照)。
Thus, although DAFC has many advantages, the anodic oxidation reaction of ethanol has a problem that the overvoltage is larger than that of methanol. That is, it is known that a platinum-based catalyst is suitable for anodic oxidation of alcohols such as methanol and ethanol, but a platinum-ruthenium catalyst is more suitable than a platinum catalyst (Non-patent Document 1). reference). However, even if a platinum-ruthenium catalyst is used for the anode, it is not sufficient for oxidation of methanol, and further insufficient for oxidation of other alcohols such as ethanol. For this reason, the development of a catalyst capable of obtaining output characteristics equivalent to or better than those of DMFC has been awaited as an anode catalyst for DEFC. Furthermore, many studies have been made on the mechanism of alcohol oxidation aimed at DAFC for the purpose of more effective catalysts (see Non-Patent
しかしながら、実用的な性能を有するアノード触媒、特に、炭素数が2のエタノールや、炭素数が3のイソプロピルアルコール(2−プロパノール)等のエネルギー密度が大きいアルコールを酸化するアノード触媒が実現できていない。これは、アルコールのアノード酸化反応のメカニズムの解明が一部に止まり、定説が確立されていないことに起因しており、本質的な課題は、この点に集約される。燃料として、アルコールまたはアルコール水溶液を用いると、アノード酸化反応は、PEFCの触媒と水素のような固体−ガス相の間の表面反応では説明できない複雑な面がある。この点に関しては、非特許文献4および5に、代表的な知見が開示されているが、当業者によっても定説が定まっていない。
However, an anode catalyst having practical performance, in particular, an anode catalyst that oxidizes alcohol having a large energy density such as ethanol having 2 carbon atoms or isopropyl alcohol (2-propanol) having 3 carbon atoms has not been realized. . This is due to the fact that the elucidation of the mechanism of the anodic oxidation reaction of alcohol is limited to a part, and the established theory has not been established. When an alcohol or an aqueous alcohol solution is used as a fuel, the anodic oxidation reaction has a complicated aspect that cannot be explained by a surface reaction between a PEFC catalyst and a solid-gas phase such as hydrogen. In this regard, representative knowledge is disclosed in
DMFCでは、メタノールのアノード酸化反応が律速となるのは、メタノールのアノード酸化反応で発生する一酸化炭素が白金を主とする触媒に吸着して被毒することが原因とされている。このような問題を解決するため、様々な触媒の開発が検討されている。中でも、白金−ルテニウム触媒は、一酸化炭素による被毒を低減することが知られているが、この場合もメタノールのアノード酸化反応が律速となる。白金−ルテニウム触媒を用いたメタノールのアノード酸化反応は、以下のようになると一般に考えられている。
DMFCでは、アノードにおいて、反応式
CH3OH+H2O→6H++6e−+CO2
で表される酸化反応が生じ、その際、反応式
CH3OH+xPt→PtxCH2OH+H++e−
CH2OH+xPt→PtxCHOH+H++e−
CHOH+xPt→PtxCOH+H++e−
CHOH+xPt→PtxCO+2H++2e−
PtxCHOH+PtOH→HCOOH+H++e−+xPt
等で表される酸化反応が生じると考えられている。
In DMFC, the reason that the anodic oxidation reaction of methanol is rate-limiting is that carbon monoxide generated by the anodic oxidation reaction of methanol is adsorbed and poisoned by a catalyst mainly composed of platinum. In order to solve such problems, development of various catalysts has been studied. Among them, the platinum-ruthenium catalyst is known to reduce poisoning by carbon monoxide, but in this case as well, the anodic oxidation reaction of methanol is rate limiting. It is generally considered that the anodic oxidation reaction of methanol using a platinum-ruthenium catalyst is as follows.
In DMFC, at the anode, the reaction formula CH 3 OH + H 2 O → 6H + + 6e − + CO 2
In this case, a reaction formula CH 3 OH + xPt → Pt x CH 2 OH + H + + e −
CH 2 OH + xPt → Pt x CHOH + H + + e −
CHOH + xPt → Pt x COH + H + + e −
CHOH + xPt → Pt x CO + 2H + + 2e −
Pt x CHOH + PtOH → HCOOH + H + + e − + xPt
It is thought that an oxidation reaction represented by the above occurs.
このとき、COH(またはHCO)、COは、白金に強く吸着する被毒種となり、ルテニウムは、反応式
Ru+H2O→RuOH+H++e−
PtxCOH+RuOH→CO2+2H++2e−+xPt+Ru
PtxCO++RuOH→CO2+H++e−+xPt+Ru
で表される作用を及ぼすと考えられる。一方、カソードでは、反応式
O2+4H++4e−→2H2O
で表される還元反応が生じると考えられる。
At this time, COH (or HCO) and CO become poisonous species strongly adsorbed to platinum, and ruthenium is represented by the reaction formula Ru + H 2 O → RuOH + H + + e−.
Pt x COH + RuOH → CO 2 + 2H + + 2e − + xPt + Ru
Pt x CO ++ RuOH → CO 2 + H + + e − + xPt + Ru
It is thought that it exerts the action represented by On the other hand, at the cathode, the reaction formula O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O
It is considered that a reduction reaction represented by
このように炭素数が1のメタノールのアノード酸化反応でさえ、複雑な反応を含んでいるため、炭素数が2のエタノール等のその他のアルコールのアノード酸化反応は、さらに複雑になると考えられる。例えば、非特許文献3の800〜802ページに詳述されているように、エタノールは、C−C結合を有するため、反応素過程が複雑であり、中間生成種が多様である。簡潔には、エタノールのアノード酸化反応は、反応式
C2H5OH+3H2O→12H++12e−+2CO2
で表されるが、メタノールのアノード酸化反応に比べて複雑である。このとき、白金に強く吸着する被毒種としては、−COH、CO、−COOH、−CH3等が挙げられるが、エタノールのアノード酸化反応で生成する解離種や中間生成種(例えば、CH3CHO、CH3COOH等)から容易に生成すると考えられる。
Thus, even the anodic oxidation reaction of methanol having 1 carbon atom includes a complicated reaction, and therefore, the anodic oxidation reaction of other alcohols such as ethanol having 2 carbon atoms is considered to be further complicated. For example, as detailed in pages 800 to 802 of
It is more complicated than the anodic oxidation reaction of methanol. At this time, examples of poisoning species strongly adsorbed to platinum include —COH, CO, —COOH, —CH 3, etc., but dissociated species and intermediate generated species (for example, CH 3) generated by an anodic oxidation reaction of ethanol. CHO, CH 3 COOH, etc.).
エタノールのアノード酸化反応は、前述したように、中間生成物、副生成物が反応系の複雑さを助長する。非特許文献6によれば、40〜50℃までのエタノールのアノード酸化反応は、反応式
CH3CH2OH→[CH3CH2OH]ad→(R)ad→CO2(完全な酸化反応経路)
CH3CH2OH→[CH3CH2OH]ad→CH3CHO→CH3COOH(不完全な酸化反応経路)
で示される反応経路が並行して進行するとされている。なお、(R)adは、炭素数が1または2の被毒種を意味する。通常の条件では、(R)adの強い吸着力により、多くの反応サイト(活性点)で(R)adを酸化して二酸化炭素にすることは難しく、エタノールがアセトアルデヒドに酸化され、アセトアルデヒドが酢酸に酸化される。なお、酢酸のC−C結合を切断することは難しいため、中間生成物である酢酸が酸化されずに残り、副生成物として反応系に存在することになる。このようなことは、特許文献1の表6の「エタノールと酢酸の酸化」の記述に代表される。
In the anodic oxidation reaction of ethanol, as described above, intermediate products and by-products promote the complexity of the reaction system. According to Non-Patent Document 6, the anodic oxidation reaction of ethanol up to 40 to 50 ° C. is carried out by the reaction formula CH 3 CH 2 OH → [CH 3 CH 2 OH] ad → (R) ad → CO 2 (complete oxidation reaction) Route)
CH 3 CH 2 OH → [CH 3 CH 2 OH] ad → CH 3 CHO → CH 3 COOH (incomplete oxidation reaction path)
It is supposed that the reaction pathway shown by follows advances in parallel. (R) ad means a poisoned species having 1 or 2 carbon atoms. Under normal conditions, it is difficult to oxidize (R) ad to carbon dioxide at many reaction sites (active sites) due to the strong adsorptive power of (R) ad, ethanol is oxidized to acetaldehyde, and acetaldehyde is acetic acid. It is oxidized to. In addition, since it is difficult to cut | disconnect the CC bond of acetic acid, the acetic acid which is an intermediate product remains without being oxidized, and it exists in a reaction system as a by-product. This is represented by the description of “oxidation of ethanol and acetic acid” in Table 6 of
このとき、反応系の温度を高くすると、反応速度の増大、一酸化炭素等に被毒されやすい被毒サイトの減少によりアノード酸化反応が進行するが、被毒種となる一酸化炭素やその他の中間種も増加する。このため、二酸化炭素まで酸化させる反応種を選択的に吸着させて酸化させる触媒表面の設計が必要であるが、非常に困難である。エタノールのアノード酸化により生成したアセトアルデヒドは酸化されて酢酸までへと移行しやすいが、C−C結合を開裂しにくい酢酸は副生成物として、物質の移動・拡散に伴う反応の抵抗、いわゆる濃度分極として現れる。具体的には、燃料として、メタノールとエタノールを用いて、本発明に至る過程で行ったDAFCの単セル発電反応の比較結果を図14に示す。
同図において左側の目盛りは発生する電圧[単位:V]、右側の目盛りは単位面積当たりの出力[単位:mW/cm2]である。単位面積当たりの出力は、電圧と単位面積当たりの電流との積として求めたものである。図中の矢印はそれぞれの曲線がどちらの目盛りに対応しているかを示すものである。
エタノールを用いると、メタノールを用いた場合と比較して、明らかに100mA/cm2の電流負荷領域を超えると、急激に電圧が低下し始める。一方、メタノールを用いた場合は、高い電流負荷領域でも電圧の落ち込みが少なく、結果として400mA/cm2近辺の電流負荷領域で最も大きい電力密度を示す。
At this time, if the temperature of the reaction system is increased, the anodic oxidation reaction proceeds due to an increase in the reaction rate and a decrease in poisoning sites that are easily poisoned by carbon monoxide, etc. Intermediate species also increase. For this reason, it is necessary to design a catalyst surface that selectively adsorbs and oxidizes reactive species that are oxidized to carbon dioxide, but it is very difficult. Acetaldehyde generated by anodic oxidation of ethanol is easily oxidized and transferred to acetic acid, but acetic acid that does not easily cleave the C—C bond is a by-product, which is resistance to reaction accompanying the movement and diffusion of substances, so-called concentration polarization. Appears as Specifically, FIG. 14 shows a comparison result of DAFC single-cell power generation reaction performed in the course of reaching the present invention using methanol and ethanol as fuel.
In the figure, the scale on the left is the generated voltage [unit: V], and the scale on the right is the output per unit area [unit: mW / cm 2 ]. The output per unit area is obtained as the product of voltage and current per unit area. The arrows in the figure indicate which scale each curve corresponds to.
When ethanol is used, as compared with the case where methanol is used, when the current load region of 100 mA / cm 2 is clearly exceeded, the voltage starts to drop rapidly. On the other hand, when methanol is used, the voltage drop is small even in the high current load region, and as a result, the highest power density is shown in the current load region near 400 mA / cm 2 .
上記のように、エタノールを用いた場合は反応生成物(主に酢酸等の副生成物)の滞留が燃料の拡散移動の阻害要因と考えられ、物質移動に伴う化学反応のロス、いわゆる濃度分極として現れる。この問題を回避する技術としては、例えば、非特許文献7に開示されている触媒を用いた湿式酸化(Catalytic wet air oxidation;CWAO)が挙げられる。CWAOは、一般的には、高温高圧(温度200℃以上、圧力数M〜数十MPa以上)の水性環境下で、触媒と空気(酸素)を用いて、酢酸等を酸化させ分解除去するものである。しかしながら、200℃以上の高温高圧水性環境下で酢酸を酸化することになるうえ、この酸化反応は電極を用いた電気化学反応によるものではないため化学エネルギーの電気エネルギーへの変換には寄与しない。 As described above, when ethanol is used, the retention of reaction products (mainly by-products such as acetic acid) is considered to be an impediment to the diffusion and transfer of fuel. Loss of chemical reaction accompanying mass transfer, so-called concentration polarization Appears as As a technique for avoiding this problem, for example, wet oxidation (CWAO) using a catalyst disclosed in Non-Patent Document 7 can be cited. CWAO generally decomposes and removes acetic acid and the like using a catalyst and air (oxygen) in an aqueous environment of high temperature and high pressure (temperature of 200 ° C. or higher, pressure of several M to several tens of MPa or higher). It is. However, acetic acid is oxidized in a high-temperature and high-pressure aqueous environment of 200 ° C. or higher, and this oxidation reaction is not due to an electrochemical reaction using an electrode, and therefore does not contribute to the conversion of chemical energy to electric energy.
本発明は上記の従来技術が有する問題に鑑み、特に炭素を二以上含むアルコールを燃料とする燃料電池の出力特性を向上させることが可能なアノード触媒、特にエタノール酸化とその反応生成物である酢酸の電極酸化に有効な触媒と燃料電池の動作方法を提供する。 In view of the above-mentioned problems of the prior art, the present invention is an anode catalyst capable of improving the output characteristics of a fuel cell using alcohol containing two or more carbons as a fuel, particularly ethanol oxidation and acetic acid as a reaction product thereof. The present invention provides a catalyst and a method for operating a fuel cell that are effective for electrode oxidation.
請求項1に記載の発明では、電解質膜が燃料極(アノード)および酸素極(カソード)で挟持されている膜電極接合体を1個以上具備するセルスタックを有する燃料電池であって、該燃料電池の作動温度が常温から80℃までの範囲と、80℃から200℃までの範囲の少なくとも二以上の温度範囲の燃料電池に分かれている直接エタノール型燃料電池を特徴とする。
請求項2に記載の発明では、電解質膜が燃料極(アノード)および酸素極(カソード)で挟持されている膜電極接合体を1個以上具備するセルスタックを複数有する燃料電池であって、燃料電池の作動温度が常温から80℃までのセルスタックと、作動温度が80℃から200℃までの範囲の少なくとも二以上のセルスタックをもつ燃料電池に分かれている直接エタノール型燃料電池を特徴とする。
The invention according to
The invention according to
請求項3に記載の発明では、請求項1または2に記載の直接エタノール型燃料電池において、前記作動温度が80℃から200℃までの範囲であるセルスタックの少なくとも一つには前記燃料極に白金とモリブデンの合金からなる酸化触媒を用いたことを特徴とする。
請求項4に記載の発明では、請求項1または2に記載の直接エタノール型燃料電池において、前記作動温度が80℃から200℃までの範囲であるセルスタックの少なくとも一つには前記燃料極に白金と導電性酸化スズを複合した酸化触媒を用いたことを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, in the direct ethanol fuel cell according to the first or second aspect, at least one of the cell stacks in which the operating temperature is in the range of 80 ° C. to 200 ° C. is connected to the fuel electrode. An oxidation catalyst made of an alloy of platinum and molybdenum is used.
According to a fourth aspect of the present invention, in the direct ethanol fuel cell according to the first or second aspect, at least one of the cell stacks in which the operating temperature is in the range of 80 ° C. to 200 ° C. is connected to the fuel electrode. It is characterized by using an oxidation catalyst in which platinum and conductive tin oxide are combined.
請求項5に記載の発明では、請求項1または2に記載の直接エタノール型燃料電池において、前記作動温度が80℃から200℃までの範囲であるセルスタックの少なくとも一つには前記燃料極に白金と三酸化タングステンを複合した酸化触媒を用いたことを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the direct ethanol fuel cell according to the first or second aspect, at least one of the cell stacks in which the operating temperature ranges from 80 ° C. to 200 ° C. is provided in the fuel electrode. It is characterized by using an oxidation catalyst composed of platinum and tungsten trioxide.
本発明によれば、直接型エタノール燃料電池の出力特性を向上させることが可能な電極触媒と、これを用いた燃料電池の効率的な作動方法を提供することが出来る。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrode catalyst which can improve the output characteristic of a direct type | mold ethanol fuel cell, and the efficient operating method of a fuel cell using the same can be provided.
図1は電極酸化反応における反応物および生成物の分析方法を示す図である。
同図において符号1は質量分析装置、2はペニング真空計、3は電離真空計、4はオリフィス、5はターボ分子ポンプ、6はロータリポンプ、7はバイパスバルブ、8はメインバルブ、9はストップバルブ、10はプローブ、11は被検液をそれぞれ示す。
図2は電極酸化反応の電荷量に対する反応物および生成物の濃度の関係を示す図である。同図(a)はPtRu/Cでのエタノール電極酸化による例、同図(b)はPtSn/Cでのエタノール電極酸化による例をそれぞれ示す図である。
同図は、電極酸化反応の電荷量に対する反応物および生成物の濃度の関係を示す図である。
本発明を実施するための最良の形態を説明するに先立ち、本発明に至る過程で得られたエタノールの直接酸化(電極酸化による)知見を示す。ハーフセル(半電池)を用いたエタノール電極酸化による反応生成物の解析方法を図1に、その結果を図2に示す。図1は、液中溶存成分を分析するため発明者が考案したシステムである。質量分析装置1内は真空に保たれており、電極触媒を有する電極を用いて電極酸化を行った被検液11はプローブ10から差圧により装置内にサンプリングされる(分析経路)。プローブ先端にはPTFE(アドバンテック東洋社製、ポアサイズ0.5μm)が装着されており、液相と気相とを分離している。質量分析装置内を高真空に保つため、分析経路のサンプリング量はオリフィス(微細孔)4で制限され、メインバルブ8およびバイパスバルブ7により調整できる。バイパス経路は、余分にサンプリングされる分を排気し質量分析装置1内を分析中に高真空に保持するためにある。装置内圧力をペニング真空計2および電離真空計3でモニタリングしながら、装置内圧力が所定の値になるようにバルブ7、8を調節する。所定圧力より高い場合は、バイパスバルブ7を開くか、メインバルブを閉じて圧力を減らす。所定圧力より低い場合は、その逆である。サンプル未導入時の圧力すなわちバックグラウンド圧力はバルブ7〜9全閉状態としぺニング真空計;4.0×10−7Torr以下 電離真空計;5.0×10−7Torr以下となるようにする。サンプルガス導入時の圧力はぺニング真空計;1.3×10−6Torr、電離真空計;1.7×10−6Torrとなるようにしている。
FIG. 1 is a diagram showing a method for analyzing reactants and products in an electrode oxidation reaction.
In the figure,
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the concentration of reactants and products with respect to the charge amount of the electrode oxidation reaction. The figure (a) is a figure which shows the example by ethanol electrode oxidation by PtRu / C, and the figure (b) is a figure which respectively shows the example by ethanol electrode oxidation by PtSn / C.
The figure shows the relationship between the concentration of reactants and products with respect to the amount of charge in the electrode oxidation reaction.
Prior to describing the best mode for carrying out the present invention, knowledge of direct oxidation (by electrode oxidation) of ethanol obtained in the process leading to the present invention will be shown. FIG. 1 shows a method for analyzing a reaction product by ethanol electrode oxidation using a half cell (half battery), and FIG. 2 shows the result. FIG. 1 is a system devised by the inventor for analyzing dissolved components in a liquid. The inside of the
エタノールの電極酸化は、濃度1Mエタノールと1N硫酸を混合した水溶液(20cc、エタノール;0.02mol)を電解液として用いた。PtSn/C(E−TEK社製、Pt2Sn/C 担持率40wt%、1.3mg/cm2−Pt)およびPtRu/C(田中貴金属社製、TEC61E54DM、触媒元素組成比Ru/Pt=1.5、1.3mg/cm2−Pt)を電解質ポリマーで固定したグラッシーカーボンを作用極に用いた。また、対極には白金線を、参照極にはAg/AgClを用いた。上記の液中溶存成分の分析は電極酸化後の電解液を被検液とした。エタノール電極酸化は、室温(23℃)中、0.5Vvs.Ag/AgClの定電位保持で行った。エタノールと、電極酸化の反応生成物であるアセトアルデヒドと酢酸は液中の溶存濃度と質量分析法による出力(分圧値)との関係を予め測定しておき検量線を求め、濃度の算出を行った。 For the electrode oxidation of ethanol, an aqueous solution (20 cc, ethanol; 0.02 mol) mixed with 1M ethanol and 1N sulfuric acid was used as the electrolyte. PtSn / C (manufactured by E-TEK, Pt 2 Sn / C loading 40 wt%, 1.3 mg / cm 2 -Pt) and PtRu / C (manufactured by Tanaka Kikinzoku, TEC61E54DM, catalyst element composition ratio Ru / Pt = 1 0.5, 1.3 mg / cm 2 -Pt) was used as the working electrode. Also, a platinum wire was used for the counter electrode, and Ag / AgCl was used for the reference electrode. In the analysis of the components dissolved in the liquid, the electrolytic solution after electrode oxidation was used as a test solution. Ethanol electrode oxidation was performed at room temperature (23 ° C.) at 0.5 V vs. This was carried out by maintaining a constant potential of Ag / AgCl. For ethanol, the reaction products of electrode oxidation, acetaldehyde and acetic acid, measure the relationship between the dissolved concentration in the solution and the output (partial pressure value) by mass spectrometry in advance to obtain a calibration curve, and calculate the concentration. It was.
計算上はエタノール電極酸化が100%アセトアルデヒドになる2電子反応であると仮定すると、0.02molのエタノールが全て反応したとき約4,000Cの電荷量が得られる(2×0.02mol×ファラデー定数)。また、電極酸化でエタノールと水の反応により100%酢酸になる4電子反応であると仮定すると約8,000Cが、100%二酸化炭素になる12電子反応であると仮定すると約24,000Cが得られる。今回、約1,000C刻みで反応させた溶液を測定した。この結果を図2に示す。図2を見ると、PtSn/C、PtRu/Cいずれの触媒材料を用いても室温程度の反応温度では、エタノールが完全な酸化を経て二酸化炭素になったときに得られる電荷量とはほど遠く、エタノールの電極酸化がアセトアルデヒドを経由して酢酸になる不完全な酸化反応を繰り返しながら次第に酢酸の生成量が多くなることが容易に分かる。 Assuming that the ethanol electrooxidation is a two-electron reaction in which 100% acetaldehyde is calculated, a charge of about 4,000 C is obtained when all 0.02 mol of ethanol is reacted (2 × 0.02 mol × Faraday constant). ). Also, assuming that the 4-electron reaction is 100% acetic acid by the reaction of ethanol and water in electrode oxidation, about 8,000 C is obtained, and if it is assumed that the 12-electron reaction is 100% carbon dioxide, about 24,000 C is obtained. It is done. This time, the solution reacted at about 1,000 C increments was measured. The result is shown in FIG. Referring to FIG. 2, even when using PtSn / C or PtRu / C catalyst materials, the reaction temperature of about room temperature is far from the amount of charge obtained when ethanol is converted into carbon dioxide through complete oxidation. It can be easily seen that the amount of acetic acid produced gradually increases while repeating the incomplete oxidation reaction in which the electrode oxidation of ethanol becomes acetic acid via acetaldehyde.
上述のように、室温程度の反応温度ではエタノール電極酸化では効率的に二酸化炭素まで電極酸化を進めることが難しい。エタノールの電極酸化はアセトアルデヒドを生成する中間反応を経由して酢酸に至り、酢酸のC−C結合を開裂出来ないまま不完全な酸化に止まり、取り出せる電子の数は二酸化炭素に至る12電子反応に比べて少なくなり、エネルギ効率はもちろん燃料の利用効率が著しく低下する。発電に用いると生成物が相対的に多くなるということは、燃料の供給状態によっては微細な反応サイトの分布に対して反応に関わる物質移動、すなわち燃料拡散が適切に行われないため、反応を効率的に進めることが出来ず反応生成物の割合が増加し、経時的に発電特性が維持できないと言うことを意味している。 As described above, at the reaction temperature of about room temperature, it is difficult to efficiently promote electrode oxidation to carbon dioxide by ethanol electrode oxidation. Electrode oxidation of ethanol leads to acetic acid via an intermediate reaction that generates acetaldehyde, stops incomplete oxidation without being able to cleave the C—C bond of acetic acid, and the number of electrons that can be taken out is 12-electron reaction leading to carbon dioxide. Compared with energy efficiency, fuel utilization efficiency is remarkably lowered as well as energy efficiency. When used for power generation, a relatively large amount of products means that depending on the fuel supply state, mass transfer related to the reaction, that is, fuel diffusion, is not performed properly with respect to the distribution of fine reaction sites. This means that the ratio of reaction products cannot be increased efficiently, and the power generation characteristics cannot be maintained over time.
図3は本発明の概念を示す図である。
先の図14に示されるように比較的大きい負荷電流領域では上記の影響が大きく現れる。実用的な直接エタノール型燃料電池(DEFC)をいち早く実現する手段としては80℃程度の低温でエタノールの完全酸化を進める触媒の開発、例えば従来の技術に示されるようなPt基金属合金触媒により進める方法があるが、発明者らは図3に示されるように酢酸を高活性に、あるいは選択的に酸化する第2の触媒を用いて上述の問題を解決する方法を見出した。エタノールの電極酸化が進んで酢酸生成まで進んだ電極反応において第2の触媒として所定の温度で酢酸の反応に高活性を示す材料を用いて酢酸の電極酸化を行い、電子を得るとともに、二酸化炭素までの反応を進める。エタノールを電極酸化してアセトアルデヒド、さらに酸化を進めて酢酸まで反応を進める材料は、Ptをベースとした合金系触媒(白金基合金)でもよいし、さらに望ましくは上記の白金基合金よりはエタノールの電極酸化活性が劣っても、酢酸の酸化活性に対して選択反応性に優れた上に示される第2の触媒が望ましい。
FIG. 3 is a diagram showing the concept of the present invention.
As shown in the previous FIG. 14, the above-mentioned influence appears greatly in a relatively large load current region. As a means to quickly realize a practical direct ethanol fuel cell (DEFC), development of a catalyst that promotes complete oxidation of ethanol at a low temperature of about 80 ° C., for example, a Pt-based metal alloy catalyst as shown in the prior art Although there is a method, the inventors have found a method for solving the above-mentioned problem by using a second catalyst that oxidizes acetic acid with high activity or selectively as shown in FIG. In the electrode reaction where the electrode oxidation of ethanol has progressed to acetic acid generation, acetic acid electrode oxidation is performed using a material exhibiting high activity in the reaction of acetic acid at a predetermined temperature as a second catalyst to obtain electrons, and carbon dioxide. Advance the reaction until. The material that promotes the reaction to electrodeacetate by ethanol oxidation and acetic acid by further oxidation may be an alloy catalyst (platinum-based alloy) based on Pt, and more preferably ethanol than the platinum-based alloy described above. Even if the electrode oxidation activity is inferior, the second catalyst which is excellent in selective reactivity with respect to the oxidation activity of acetic acid and is shown is desirable.
次に、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に説明する。
図4は本発明のMEAの構成を示す図である。
同図において符号100は燃料電池、101はセルスタック、102は燃料流通部、103は酸化剤流通部、104は燃料容器、105はポンプ、106は希釈混合リザーバ、107は濃度センサ、108はイオンフィルタ、109はエアフィルタ、110はエアブロア、111は凝縮器、112はクーリングファン、113、114は気液分離器、115は熱交換器、116は出力調整器、117は制御系をそれぞれ示す。
燃料電池100の燃料としては、エタノール燃料を用いることができる。また、酸化剤としては、空気、酸素等を用いることができる。なお、燃料電池100は、燃料および酸化剤をセルスタック101に強制的に供給するために、燃料や生成物の水の流通を工夫し、希釈混合リザーバ106内で高濃度の燃料と水を混合して希釈循環するシステムとなっているが、燃料および酸化剤をセルスタック101に強制的に供給しない、いわゆるパッシブ型も可能である。セルスタック101には、燃料流通部102および酸化剤流通部103が付設されている。燃料容器104に、高濃度の燃料が保管されており、ポンプ105によって希釈混合リザーバ106に供給される。次に、高濃度の燃料は、水で希釈され、濃度センサ107により燃料の濃度が調整された後、イオンフィルタ108を通して、強制的に燃料流通部102に供給される。一方、酸化剤は、エアフィルタ109を通して、エアブロア110によって強制的に酸化剤流通部103に供給される。
Next, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the MEA of the present invention.
In the figure,
As the fuel of the
図5はセルスタックの構成を示す概念図である。
同図において符号201はMEA、202は筐体、203は筐体をそれぞれ示す。
セルスタック101は、同図に示すような構成となっている。電解質膜がアノードおよびカソードで挟持されているMEA201はアノード(燃料極)側に燃料流路102a、カソード(空気極)側に酸化剤流路103aが形成されていると共に、燃料流路102a上に筐体202、酸化剤流路103a上に筐体203が形成されており一つの発電セル構造を成している。スタックは同様の構成で多数のセルが燃料、酸化剤流路を持つ筐体であるセパレータを介して積層されている。このとき、セルスタック101を貫通する燃料流通部102および酸化剤流通部103は、それぞれ燃料流路102aおよび酸化剤流路103aと接続されている。さらに、セルスタック101は薄型平面状加熱ヒーター(不図示)により140℃〜200℃に加熱されている。そのため、エタノールなどアルコールを含む水溶液の燃料は蒸気化して高温高圧の水性環境となってアノードに導入される。
FIG. 5 is a conceptual diagram showing the configuration of the cell stack.
In the figure,
The
MEA201を構成する電解質膜としては、耐熱性材料が用いられており、例えば非水系プロトンキャリヤーを用いたプロトン伝導体としたもの、あるいはリン酸をドープしたポリベンズイミダゾール(PBI)を用いた高温対応の電解質膜などが挙げられる。一例として、前者は固体酸塩複合体電解質としてリン酸二水素セシウム(CDP)とSiP2O7を複合化したCDP/SiP2O7を用いた電解質膜、後者は芳香族スルフォン化高分子(SPEEK:Sulfonic Polyether Ether Ketone)の膜にPBI(Polybenzimidazole)を混合した電解質膜などがある。
As the electrolyte membrane constituting the
MEA201のアノードには電極触媒として先に記したPt基合金触媒としてPt−Ru、Pt−Ru−Sn、Pt−Ru−Mo、Pt−Ru−Wなどの多元合金系材料が用いられるが、より好ましくは白金PtとモリブデンMoの合金、Ptと導電性の金属酸化物の複合体、Ptと非導電性酸化物の複合体が好適である。これらの電極触媒は微細なカーボンブラックの粒子(例えばCabot社のVulcan XV−72R)や導電性微粒子に担持して用いる。またカソードには電極触媒としてPtやPt基合金をカーボンブラックなどに担持したものを用いる。セルスタック101全体は数MPaの圧力に対応可能な部材とシール構造を具備しており、例えば150℃の飽和水蒸気圧約0.5MPaに耐えることが可能である。同図に示されるように、燃料、酸化剤の出口には圧力調整器が設置されており、背圧が過大になっても構成される系全体の部材は通常のものを用いることが出来る。
For the anode of MEA201, multi-component alloy materials such as Pt-Ru, Pt-Ru-Sn, Pt-Ru-Mo, Pt-Ru-W are used as the Pt-based alloy catalyst described above as the electrode catalyst. An alloy of platinum Pt and molybdenum Mo, a composite of Pt and conductive metal oxide, and a composite of Pt and nonconductive oxide are preferable. These electrode catalysts are used by supporting them on fine carbon black particles (for example, Vulcan XV-72R manufactured by Cabot) or conductive fine particles. In addition, a cathode in which Pt or a Pt-based alloy is supported on carbon black or the like is used as an electrode catalyst. The
また、セルスタック101全体は断熱材に覆われており、外部に余熱が放射され機械部品や電子部品に影響を与えないように配慮している。圧力調整器は例えば入力最大定格3.5MPaで硬貨ほどの大きさ、重さ50g程度の超小型圧力調整器PRD−3(米・Beswick Engineering社製)を用いた。セルスタック101の燃料流通部102から排出された未反応燃料、水、二酸化炭素等の生成物を含む排出物は、気液分離器114および熱交換器115によって、循環水、燃料として回収されると共に、排ガスとして排出される。セルスタック101の酸化剤流通部103から排出された未反応酸化剤、水等の生成物を含む排出物は、凝縮器111、クーリングファン112および気液分離器113によって循環水として回収されると共に、排ガスとして排出される。セルスタック101の直流出力は、出力調整器(パワーコンディショナ)116によって所望の出力電圧、出力仕様に制御される。また、燃料電池100は、セルスタック101の発電の起動および燃料電池発電を維持するための機構、いわゆるBalance of Plant(BOP)が必要である。具体的には、燃料電池100は、燃料の濃度や供給量の制御、補給のタイミング、手順等の発電を維持するために使用するポンプ105、濃度センサ107、エアブロア110等の補機を用いて各種制御を行う制御系117を具備している。
In addition, the
図6は電極酸化反応を測定する装置を示す図である。
同図において符号21は作用極、22は基準極、23は対極、24は熱電対、25は保護管、26は電解液、27はセラミックプレート、28は容器をそれぞれ示す。
本発明の触媒材料は図5に示されるMEAの形態を経ずとも、ハーフセル(半電池)の形態でアノード電極の電極酸化活性の形で評価できる。すなわち、電気化学的に不活性な基板(例えば金基板)上に触媒材料を形成し図6に示される電解セルにおいて電解質溶液の中でアルコールや酢酸の電極酸化を行い、その酸化電流を測定することで反応活性を評価出来る。同図の電解セル(電気化学反応装置)はオートクレーブ(圧力容器)11を有する。オートクレーブ11は、ハステロイ製であり、その内部には、石英やパイレックス(登録商標)ガラス製の容器28がセラミックプレート27上に置かれている。容器28の中には、電解液(電解質を含む溶液)26と、作用極21、基準極22および対極23の三つの電極が配置されており、三電極法で電気化学反応が行われる。作用極21は、電極基板または表面に触媒を形成した電極基板である。
FIG. 6 is a view showing an apparatus for measuring an electrode oxidation reaction.
In the figure, reference numeral 21 is a working electrode, 22 is a reference electrode, 23 is a counter electrode, 24 is a thermocouple, 25 is a protective tube, 26 is an electrolytic solution, 27 is a ceramic plate, and 28 is a container.
The catalyst material of the present invention can be evaluated in the form of the electrode oxidation activity of the anode electrode in the form of a half cell (half battery) without going through the form of MEA shown in FIG. That is, a catalyst material is formed on an electrochemically inactive substrate (for example, a gold substrate), electrode oxidation of alcohol or acetic acid is performed in the electrolytic solution in the electrolytic cell shown in FIG. 6, and the oxidation current is measured. The reaction activity can be evaluated. The electrolysis cell (electrochemical reaction apparatus) in the figure has an autoclave (pressure vessel) 11. The
また、基準極22は、作用極21の電位の基準となる電極であり、照合電極とも呼ばれ、高温高圧下で常に基準となる電位を確認するために、圧力平衡型外部照合電極が用いられている。なお、圧力平衡型外部照合電極は、所定の温度補正を行って基準電位を決める。さらに、対極23は、白金の線やコイルを用いる。なお、電解液26としては、例えば、0.5M硫酸水溶液あるいはこれにアルコールを混合したもの等を用いることができる。また、熱電対24は、電解液26の温度を計測し、制御を行うセンサーであり、腐食防止のため、テフロン(登録商標)保護管25で電解液26が入らないように保護されている。さらに、セラミックプレート27は、容器28の高さの調整と保護の役割を持つ。また、オートクレーブ11には、基準極22を固定する基準極ホルダー11a、作用極21および対極23を固定する電極ホルダー11b、圧力計11cが設置されている。このようなオートクレーブ11内で、ポテンショスタットに代表される電解用設備(不図示)を用いて、100〜300℃、0.1〜10MPaの水性環境下における電極酸化を行うことができる。
The
触媒材料は、スパッタリング法を用いた。具体的にはスパッタリング装置(アルバック製CS−200S)を用いて所定のスパッタリング圧力に条件を設定して、各スパッタカソードに設置した触媒金属や金属酸化物材料を金基板上に形成する。スパッタリング法はArガス放電を用いて基板を回転しながら行った。金基板両面にスパッタしたサンプルをすべての触媒サンプルについてφ6mmトムソン刃で打ち抜き、これにφ0.3mm×35mmの金線をスポット溶接し、金線先端に金メッキのピンコネクタを圧着して作用極とした。
表1に作製した触媒材料の一覧と元素分析結果を示す。
A sputtering method was used as the catalyst material. Specifically, conditions are set to a predetermined sputtering pressure using a sputtering apparatus (ULVAC CS-200S), and a catalyst metal or a metal oxide material placed on each sputtering cathode is formed on a gold substrate. The sputtering method was performed while rotating the substrate using Ar gas discharge. Samples sputtered on both sides of the gold substrate were punched out with a φ6 mm Thomson blade for all catalyst samples, φ0.3 mm × 35 mm gold wires were spot welded thereto, and gold-plated pin connectors were crimped to the tips of the gold wires to form working electrodes. .
Table 1 shows the list of catalyst materials prepared and the results of elemental analysis.
元素分析結果の組成比はSEM−EDSを用いて分析し、その結果を原子数比(at%)を示す。同図に示される装置を用いて測定した電極酸化の測定モードはサイクリックボルタンメトリ(CV)であり掃引速度は50mV/s、掃引電位幅はEobs:−0.10〜1.20Vであるが、高温での測定であるから以下の式によりESHEに換算した。 The compositional ratio of the elemental analysis result is analyzed using SEM-EDS, and the result indicates the atomic ratio (at%). The measurement mode of electrode oxidation measured using the apparatus shown in the figure is cyclic voltammetry (CV), the sweep rate is 50 mV / s, and the sweep potential width is Eobs: −0.10 to 1.20 V. However, since it was a measurement at high temperature, it was converted into ESHE by the following formula.
ESHE=Eobs+0.2866−10−3(T−t)
+1.745×10−7(T−t)2
−3.03×10−9(T−t)3
ただし、T:オートクレーブ内部温度(℃),t:室温(℃)
E SHE = Eobs + 0.2866-10 −3 (T−t)
+ 1.745 × 10 −7 (T−t) 2
−3.03 × 10 −9 (T−t) 3
T: Autoclave internal temperature (° C), t: Room temperature (° C)
図7は本発明の触媒について実施例を示す図である。同図(a)は電極電位0.5V(vs.SHE)におけるエタノールの電極酸化を示す図、同図(b)は酢酸の電極酸化を示す図である。
測定環境は室温〜250℃、 圧力は飽和蒸気圧である。
上記のように触媒が形成された金基板を図6に示される作用極21として用い、ハーフセルを用いた電気化学測定を行う。横軸は電極酸化の絶対温度(K)の逆数、縦軸は酸化電流値を示す。なお横軸上部の目盛りは絶対温度の逆数を温度(℃)に換算した表示である。
白金Ptと金属元素の合金の一例としてとしてPt−Mo、Ptと導電性の金属酸化物の複合体の一例としてPt−SnO2(導電性酸化スズ)、Ptと非導電性酸化物の複合体の一例としてPt−WO3(三酸化タングステン)をスパッタリング法により作製し評価した。図7の結果より、130℃付近では酢酸の酸化電流値がエタノールの酸化電流値に比べて1桁以上小さいが、160℃付近ではかなりエタノールのそれに近づいてくる。酸化電流値は酸化反応の反応速度を反映する指標となる。このことからエタノールの酸化による酢酸生成に対して、酢酸の酸化による分解が室温〜100℃以下の温度と比べて格段に改善されることが分かる。Pt基合金としてはPt−Moが良好で、Ptと金属酸化物の複合体はPt−CuO(酸化銅)を除いて有効である。
FIG. 7 is a diagram showing an example of the catalyst of the present invention. The figure (a) is a figure which shows the electrode oxidation of ethanol in electrode potential 0.5V (vs.SHE), and the figure (b) is a figure which shows the electrode oxidation of acetic acid.
The measurement environment is room temperature to 250 ° C., and the pressure is a saturated vapor pressure.
The gold substrate on which the catalyst is formed as described above is used as the working electrode 21 shown in FIG. 6, and electrochemical measurement using a half cell is performed. The horizontal axis represents the reciprocal of the absolute temperature (K) of electrode oxidation, and the vertical axis represents the oxidation current value. The scale at the top of the horizontal axis is a display in which the reciprocal of absolute temperature is converted to temperature (° C.).
Pt—Mo as an example of an alloy of platinum Pt and a metal element, Pt—SnO 2 (conductive tin oxide) as an example of a composite of Pt and conductive metal oxide, and a composite of Pt and nonconductive oxide As an example, Pt—WO 3 (tungsten trioxide) was prepared by a sputtering method and evaluated. From the result of FIG. 7, the oxidation current value of acetic acid is smaller by one digit or more than the oxidation current value of ethanol at around 130 ° C., but it is very close to that of ethanol at around 160 ° C. The oxidation current value is an index reflecting the reaction rate of the oxidation reaction. From this, it can be seen that the decomposition due to the oxidation of acetic acid is markedly improved compared to the temperature of room temperature to 100 ° C. or less with respect to the production of acetic acid by the oxidation of ethanol. Pt-Mo is good as the Pt-based alloy, and the composite of Pt and metal oxide is effective except for Pt-CuO (copper oxide).
図8はPt−SnO2触媒材料のエタノール・酢酸の電極酸化を示す図である。
図9はPt−Mo触媒材料のエタノール・酢酸の電極酸化を示す図である。
実施例1と同様に、スパッタリング法によって触媒材料を形成しPtに複合する金属または金属酸化物の配合比を変化させてPt単体(比較例1:Ref.1)と比較した。表2に作製した触媒材料を一覧で示す。同様に高温度まで電極酸化を行った酸化電流の測定値を示す。表1と同じ番号は同じ実施例を示す。
FIG. 8 is a diagram showing electrode oxidation of ethanol / acetic acid of a Pt—SnO 2 catalyst material.
FIG. 9 is a diagram showing electrode oxidation of ethanol / acetic acid of the Pt—Mo catalyst material.
In the same manner as in Example 1, a catalyst material was formed by a sputtering method, and the compounding ratio of the metal or metal oxide compounded with Pt was changed to compare with Pt alone (Comparative Example 1: Ref. 1). Table 2 shows the prepared catalyst materials. Similarly, the measured value of the oxidation current obtained by performing electrode oxidation up to a high temperature is shown. The same numbers as in Table 1 indicate the same examples.
図8よりPt−SnO2についてはPtが全く無い場合、すなわちSnO2単独の場合は、エタノール、酢酸に対して反応温度に関わらず触媒活性が無い。一方、Ptの組成比率がSnO2を構成するSn元素の比率より相対的に大きい場合は酢酸酸化の速度が遅いため不利になる。Pt単体の場合は、反応温度を上げてもエタノール、酢酸の両方に活性が乏しい。図9よりPt−Moの合金系はPtとMoの組成比率がほぼ同じ場合が望ましい結果となっている。ところで、エタノールの電極酸化はPt単体を用いると以下に示すようになる。 As shown in FIG. 8, when Pt—SnO 2 has no Pt, that is, SnO 2 alone has no catalytic activity with respect to ethanol and acetic acid regardless of the reaction temperature. On the other hand, when the composition ratio of Pt is relatively larger than the ratio of Sn elements constituting SnO 2 , the acetic acid oxidation rate is slow, which is disadvantageous. In the case of Pt alone, both ethanol and acetic acid have poor activity even when the reaction temperature is increased. From FIG. 9, it is desirable that the Pt—Mo alloy system has the same composition ratio of Pt and Mo. By the way, the electrode oxidation of ethanol is as follows when Pt alone is used.
図10はPt単体によるエタノールの電極酸化の温度依存性を示す図である。
同図は比較例として、エタノールの電極酸化を室温から130℃まで変化させて30、50、75、100、125℃の温度におけるCV(サイクリックボルタンメトリ)カーブを取ったものである。ポテンシャル(電極電位)を一定の速度で変化させたときの酸化電流の変化(ポテンシャルを増加する方向と、ポテンシャルを減少する方向を一つのセットとしている)が分かる。温度が上昇するにつれてエタノールの酸化電流は急速に増加し、130℃を越えた付近からは最大測定レンジ(約0.12A)を超えており、さらに130℃を超えても増加する傾向が確認された。エタノール酸化電流の温度による変化は、Pt単体よりも、Pt−Ruはさらに大きく、Ptと金属酸化物の複合体など本発明で示された触媒材料はPt−Ruよりも大きいことが示された。したがって、本発明の実施例では、エタノールの電極酸化を130℃までとして、これ以上の温度については触媒材料による相対的な比較を行い、酢酸の電極酸化が活性となる160から180℃付近では、酢酸酸化とエタノール酸化の比較はエタノール酸化の130℃までの電流特性を外挿して判断した。
FIG. 10 is a diagram showing the temperature dependence of electrode oxidation of ethanol by simple Pt.
As a comparative example, this figure shows CV (cyclic voltammetry) curves at temperatures of 30, 50, 75, 100, and 125 ° C. by changing the electrode oxidation of ethanol from room temperature to 130 ° C. It can be seen that the oxidation current changes when the potential (electrode potential) is changed at a constant rate (the direction in which the potential is increased and the direction in which the potential is decreased are taken as one set). As the temperature rises, the oxidation current of ethanol rapidly increases. From around 130 ° C, it exceeds the maximum measurement range (about 0.12A). It was. The change of ethanol oxidation current with temperature showed that Pt-Ru was larger than that of Pt alone, and that the catalyst material shown in the present invention such as a composite of Pt and metal oxide was larger than Pt-Ru. . Therefore, in the embodiment of the present invention, the electrode oxidation of ethanol is up to 130 ° C., and the temperature above this is compared with the catalyst material, and in the vicinity of 160 to 180 ° C. where the electrode oxidation of acetic acid is active, Comparison between acetic acid oxidation and ethanol oxidation was judged by extrapolating the current characteristics of ethanol oxidation up to 130 ° C.
図11は実施例1、実施例2と比較例1(Pt単体)、下記比較例2の結果をまとめた図である。
さらに第2の比較例としてPt−Ru(Ref.2と表示)を用いたメタノール酸化の電流値との比較を行った。Pt−RuはDMFCすなわちメタノールを電極酸化するに好適な合金触媒である。エタノール酸化に対しては、Pt−Mo、Pt−WO3、Pt−SnO2とも室温から高温域までPt−Ruによるメタノール酸化と同程度の酸化電流が得られる。しかしこのPt−Ruをエタノールおよび酢酸の電極酸化に用いると、低い温度から高温域までの範囲で酸化活性が低く、酢酸の場合は180℃程度でも酸化反応が現れない。一方、Ptと金属酸化物を複合することによりエタノール酸化の活性レベルに近い値が得られる。
FIG. 11 is a table summarizing the results of Example 1, Example 2, Comparative Example 1 (Pt alone), and Comparative Example 2 below.
Further, as a second comparative example, a comparison was made with the current value of methanol oxidation using Pt-Ru (represented as Ref. 2). Pt-Ru is an alloy catalyst suitable for electrooxidizing DMFC, that is, methanol. For ethanol oxidation, an oxidation current comparable to that of methanol oxidation by Pt—Ru can be obtained from room temperature to a high temperature range for all of Pt—Mo, Pt—WO 3 and Pt—SnO 2 . However, when this Pt-Ru is used for electrode oxidation of ethanol and acetic acid, the oxidation activity is low in the range from a low temperature to a high temperature range, and in the case of acetic acid, an oxidation reaction does not appear even at about 180 ° C. On the other hand, by combining Pt and a metal oxide, a value close to the activity level of ethanol oxidation can be obtained.
実施例1、2とPt−Ruの触媒サンプルを比較するために、PtおよびPt−Ruのメタノール、エタノール、酢酸の電極酸化の比較を実施した。その結果を表3に示す。電極電位は0.5V(vs. SHE)に固定して行った。Pt−Ruを用いると100℃ではメタノール酸化は実施例2に示されるPt−Mo、Pt−WO3、Pt−SnO2と同程度の反応活性を示すが、エタノール酸化ではその1/4程度であった。このことより、160℃〜180℃の温度においてエタノールの酸化活性がPt−Mo、Pt−WO3、Pt−SnO2ほど高くなくPt−Ruを用いてエタノールの電極酸化を行い、生成した酢酸をこの温度領域において効率的、選択的に酸化分解できるPt−Mo、Pt−WO3、Pt−SnO2を用いる優位性が確認できた。また、Pt−Ruは酢酸の酸化については160℃〜180℃前後の温度では本発明に示された触媒材料の1/10以下である。このことからエタノール酸化による酢酸生成と酢酸酸化による処理の速度論的平衡を得ることができる。したがってPt−RuとPt−MoまたはPt−WO3またはPt−SnO2を併用することによって効率的なエタノール電極酸化が可能となる。 In order to compare the catalyst samples of Examples 1 and 2 and Pt-Ru, a comparison of the electrooxidation of Pt and Pt-Ru with methanol, ethanol and acetic acid was performed. The results are shown in Table 3. The electrode potential was fixed at 0.5 V (vs. SHE). When Pt—Ru is used, methanol oxidation at 100 ° C. shows the same reaction activity as Pt—Mo, Pt—WO 3 , and Pt—SnO 2 shown in Example 2, but ethanol oxidation is about 1/4 of that. there were. From this, the oxidation activity of ethanol is not as high as Pt—Mo, Pt—WO 3 , and Pt—SnO 2 at temperatures of 160 ° C. to 180 ° C., and electrode oxidation of ethanol is performed using Pt—Ru, and the generated acetic acid is The superiority of using Pt—Mo, Pt—WO 3 , and Pt—SnO 2 that can be efficiently and selectively oxidatively decomposed in this temperature range was confirmed. Further, Pt—Ru is less than 1/10 of the catalyst material shown in the present invention at a temperature of about 160 ° C. to 180 ° C. for oxidation of acetic acid. This gives a kinetic equilibrium between acetic acid production by ethanol oxidation and treatment by acetic acid oxidation. Therefore, efficient ethanol electrode oxidation becomes possible by using Pt—Ru and Pt—Mo, Pt—WO 3 or Pt—SnO 2 in combination.
図12は本発明の実施例3の概要を説明するための図である。
同図において符号210は電気化学反応装置、211はMEA、212は燃料流路、213は酸化剤流路、214、215は筐体、216は加熱断熱部をそれぞれ示す。
先の図4に示したセルスタック101を貫通する燃料流通部102および酸化剤流通部103は、図5のそれぞれ燃料流路102aおよび酸化剤流路103aと接続されている。さらに、セルスタック101は、80℃程度の温度でセル温度が保たれた燃料電池である。図12に示されるように本実施例の構成は、高温高圧の水性環境下、例えば、160〜180℃の飽和水蒸気圧で反応させる電気化学反応装置210がセルスタック101に近接して設置されている。電気化学反応装置210は、セルスタック101のセルと同様に、MEA211のアノード側に燃料流路212、カソード側に酸化剤流路213が形成されていると共に、燃料流路212上に筐体214、酸化剤流路213上に筐体215が形成されているセルを有し、これらのセルがセパレータとなっている該筐体を介して積層されているセルスタックとなっている(積層の状態は不図示)。
FIG. 12 is a diagram for explaining the outline of the third embodiment of the present invention.
In the figure,
The
さらに、セルの外側に加熱断熱部216が形成されている。このとき、MEAのアノードおよびカソードは、それぞれ作用極および対極として機能する。なお、MEA211を構成する電解質膜としては、耐熱性材料が用いられており、例えば、非水系プロトンキャリヤーを用いたプロトン伝導体としてのリン酸をドープしたポリベンズイミダゾール(PBI)等が挙げられる。また、電気化学反応装置210は、セルスタック101の出力の一部が供給された薄膜ヒーター(不図示)を用いて、加熱断熱部216を加熱することにより、160〜180℃に保持されている。
Further, a
このようにして、電気化学反応装置210は、高温高圧に保たれると同時に周囲に対して断熱されている。なお、セルスタック101の燃料流通部102から排出された未反応燃料、水、二酸化炭素等の生成物を含む排出物は、気液分離器(不図示)で二酸化炭素が除去された後、電気化学反応装置210の燃料流路212に供給される。また、セルスタック101の酸化剤流通部103から排出された未反応酸化剤、水等の生成物を含む排出物は、電気化学反応装置210の酸化剤流路213に供給される。さらに、燃料流路212から排出された未反応燃料、水、二酸化炭素等の生成物を含む排出物は、気液分離器114および熱交換器115によって、循環水、燃料として回収されると共に、排ガスとして排出される。また、酸化剤流路213から排出された未反応酸化剤、水等の生成物を含む排出物は、凝縮器111、クーリングファン112および気液分器113によって循環水として回収されると共に、排ガスとして排出される。
In this way, the
以上のようにして、セルスタック101に燃料および酸化剤を供給して発電を行い、燃料流通路102および酸化剤流通路103から排出された排出物を、それぞれ電気化学反応装置210の燃料流路212および酸化剤流路213に供給して電気化学反応を行う。電気化学反応装置210の燃料、酸化剤排出側には、背圧を調整するための圧力調整器が具備されている。また電気化学反応装置210のセルをスタックし、加熱断熱部216を加熱するエネルギーと発電出力の収支を工夫することで余剰の出力を燃料電池100全体の出力に加算することも可能である。例えば、燃料として、エタノールを用いた場合、図4のセルスタック101のアノードにはエタノール電極酸化の反応活性が高いPt−SnやPt−Moを主な触媒材料として用い、160〜180℃の反応温度に保持される電気化学反応装置210のアノードにはPt−Mo、Pt−WO3、Pt−SnO2などいずれか一種の高温下において酢酸酸化に優れた触媒材料を主として用いる。作動温度が高いことからメタノールをはじめ、100℃以下の作動温度では出力が得られなかったエタノール、イソプロピルアルコールなど他のアルコール燃料にも有効である。
As described above, the fuel and oxidant are supplied to the
図13は本発明の実施例4の概要を示す図である。
スタック1は、図12のセルスタック101と同様に80℃程度の温度でセル温度が保たれたセルスタックである。図12と同様に本実施例の構成は、高温高圧の水性環境下、例えば、160〜180℃の飽和水蒸気圧で反応させるスタック2がスタック1に接続され燃料や酸化剤の供給方法も同様の態様である。さらに燃料や酸化剤の流れに関してスタック2の下流には、スタック2と同様に160〜180℃の飽和水蒸気圧で反応させるスタック3が接続されている。以下同様に160〜180℃の飽和水蒸気圧で反応させるスタックが複数個接続されており、カスケード的な多段接続の構成をとっている。
FIG. 13 is a diagram showing an outline of the fourth embodiment of the present invention.
The
スタック1はエタノールの酸化に十分な触媒材料、例えば、Pt−Ruなど合金系の触媒を用いて電極酸化を行い、アセトアルデヒドなどの中間生成物を経由して酢酸が生成され燃料出口を通じてエタノールと共に先の温度範囲では酸化分解できなかった酢酸の一部が系外に排出される。排出された酢酸を含む燃料はさらに160〜180℃に保たれたスタック2に供給される。図2から分かるように、Pt−Ruの触媒材料を用いると、エタノール燃料は例えば2000Cの電荷量を取り出した場合にはエタノール燃料に対してその25%程度が酢酸に変わる。スタック2がスタック1と同様の触媒材料Pt−Ruを用い温度も同程度の場合は、酢酸が酸化分解されず増加する一方である。一定の電流負荷を得ようとする場合には、エタノール燃料濃度と酢酸の濃度が同程度か逆転する場合もありうる。このような燃料を供給してもスタック2を160〜180℃に保ち、触媒材料を本発明のPt−SnO2などのPtと金属酸化物の複合体とすることによってエタノール酸化による酢酸の反応生成と、酢酸の酸化分解の速度が同レベルか、(オーダー的に)あまりかけ離れない速度に維持できる。
このため酢酸を酸化分解しつつ適正なエタノールによる発電をスタック2に行わせることができる。発明者らの見積もりによれば、エタノール濃度に対してスタック1の燃料排出側でその30%程度であった酢酸の濃度はスタック2を用いることにより、さらにその23%を減少でき、スタック2と同様の構成、作動温度をもつスタック3によりまたそれと同程度の減少率が実現できた。このようにスタック2と同様な性能をもつスタックを多段に接続することにより、酢酸の増加を極限まで減らしつつ電気化学反応から電気エネルギーを得ることが可能となる。本実施例の構成では、初段の燃料電池スタックは80℃程度の温度であり通常の燃料、酸化剤供給手段が用いられる。さらにスタック2以降の比較的高温に保持するスタックは断熱されており、高温により発生した圧力は背圧を圧力調整しているので系全体の構成方法は通常の液体燃料を直接供給する方式と何ら変わらない。
For this reason, it is possible to cause the
100 燃料電池
101 セルスタック
102 燃料流通部
103 酸化剤流通部
104 燃料容器
105 ポンプ
201 膜電極接合体(MEA)
202 筐体
203 筐体
210 電気化学反応装置
211 MEA
212 燃料流路
213 酸化剤流路
DESCRIPTION OF
202
212
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