JP5219121B2 - Direct fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、糖類の溶液を燃料として供給する直接型燃料電池に関する。   The present invention relates to a direct fuel cell that supplies a sugar solution as a fuel.

固体高分子形燃料電池(PEFC)は、電解質にイオン伝導性高分子薄膜を用いた全固体型の燃料電池であり、常温から100℃程度の範囲で作動できる取り扱いが簡便で高効率な発
電システムであり、地球環境、エネルギー問題等の観点から、燃料電池自動車や定置型家庭用発電機、モバイル機器用電源等としての実用化と普及が期待されている。
A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is an all-solid-state fuel cell that uses an ion-conducting polymer thin film as its electrolyte, and is a simple and highly efficient power generation system that can operate in the range from room temperature to 100 ° C. From the viewpoint of the global environment, energy problems, etc., it is expected to be put into practical use and spread as a fuel cell vehicle, a stationary home generator, a power source for mobile devices, and the like.

これらの用途の内で、モバイル機器用電源としては、燃料の運搬性や起動停止に対する応答性に優れ、改質器が不要でコンパクトな設計が可能などの利点から、メタノールを燃料として電極上で直接酸化して発電するダイレクトメタノール燃料電池(DMFC)が主に採用されている。   Among these applications, as a power source for mobile devices, methanol can be used as a fuel on the electrode because of its advantages such as excellent fuel transportability and responsiveness to start / stop, and a compact design that does not require a reformer. Direct methanol fuel cells (DMFC) that generate electricity by direct oxidation are mainly used.

DMFCは、純水素或いは改質水素を燃料とするPEFCと同様に、固体高分子電解質膜の両側に電極を取り付けた構造であり、通常、アノード(燃料極)には白金−ルテニウム触媒が用いられ、カソード(空気極)には白金触媒が用いられている。この様な構造の燃料電池において、アノード側にメタノール水溶液を供給すると、メタノールが水と反応し、酸化されて二酸化炭素、プロトンおよび電子が生成する。生成したプロトンは、電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素が還元されて水が生成する。この過程において、外部回路を電子が流れ、電流を取り出すことができる。   The DMFC has a structure in which electrodes are attached to both sides of a solid polymer electrolyte membrane, like a PEFC that uses pure hydrogen or reformed hydrogen as a fuel. Usually, a platinum-ruthenium catalyst is used for the anode (fuel electrode). A platinum catalyst is used for the cathode (air electrode). In the fuel cell having such a structure, when an aqueous methanol solution is supplied to the anode side, the methanol reacts with water and is oxidized to generate carbon dioxide, protons and electrons. The generated proton moves to the cathode side in the electrolyte membrane, and oxygen is reduced on the cathode side to generate water. In this process, electrons flow through the external circuit and current can be taken out.

近年、情報端末機器や医療用電子機器の高性能化が進み、それらの駆動源として電池交換や充電の必要なく連続使用が可能なポータブル、ウェアラブル、インプラント電源の開発が急務となっている。DMFCをはじめとするダイレクト燃料電池は燃料を供給するだけで連続的に使用できることから興味が持たれ、現在、研究開発競争に凌ぎが削られている。   In recent years, high performance of information terminal devices and medical electronic devices has progressed, and there is an urgent need to develop portable, wearable, and implantable power sources that can be used continuously without the need for battery replacement or charging. Direct fuel cells such as DMFC are of interest because they can be used continuously just by supplying fuel, and are currently surpassing the R & D competition.

PEFCでは、メタノール以外にも多くの燃料化合物の利用が可能であり、エタノール(非特許文献1)、2−プロパノ−ル(非特許文献2)、エチレングリコール(非特許文献3)等のアルコール類、ギ酸(非特許文献4)、ジメチルエーテル(特許文献1)、水素化ホウ素塩(特許文献2)、ヒドラジン(特許文献3)等を電極上で直接酸化して使用するダイレクト燃料電池について既に報告例がある。これら多様な燃料の活用は、出力規模や各種用途に応じた電源の開発につながると考えられる。   In PEFC, many fuel compounds can be used in addition to methanol, and alcohols such as ethanol (Non-Patent Document 1), 2-propanol (Non-Patent Document 2), and ethylene glycol (Non-Patent Document 3) can be used. Examples of direct fuel cells that use direct oxidation of formic acid (Non-patent Document 4), dimethyl ether (Patent Document 1), borohydride (Patent Document 2), hydrazine (Patent Document 3), etc. There is. Utilization of these various fuels is thought to lead to the development of a power source according to the output scale and various applications.

これらの各種の燃料化合物を用いるダイレクト燃料電池の内で、実用化研究が最も進んでいるダイレクトメタノール燃料電池(DMFC)では、燃料のメタノールや副生成物として発生する恐れのあるホルムアルデヒド、ギ酸の有害性が問題視され、実用化、普及を妨げる要因になると懸念されている。さらに、DMFCにおいては、供給されたメタノールがカソード側に浸透して性能低下をもたらす“クロスオーバー”といわれる現象が知られている。すなわち、電解質膜を透過してカソード側に到達したメタノールはカソード触媒上で酸素と反応して二酸化炭素と水を生成し、燃料利用率を低下させる。その上、カソード電位は混成電位となって低下するため、燃料電池の出力も低下する。この様なメタノールのクロスオーバー現象のために、水素ガスを燃料として用いる従来のPEFC用に開発されたパーフルオロスルホン酸系の固体高分子電解質膜を用いる場合には、DMFCとして十分な性能が発揮できないことが多い。従って、DMFCの実用化には、メタノール透過性の低い電解質膜の開発が急務となっている。   Among direct fuel cells using these various fuel compounds, the direct methanol fuel cell (DMFC), where research on practical application is the most advanced, is harmful to formaldehyde and formic acid that may occur as fuel methanol and by-products. There is a concern that it will be a factor that hinders practical application and spread. Furthermore, in DMFC, a phenomenon called “crossover” is known in which the supplied methanol permeates the cathode side and causes performance degradation. That is, methanol that permeates the electrolyte membrane and reaches the cathode side reacts with oxygen on the cathode catalyst to generate carbon dioxide and water, thereby reducing the fuel utilization rate. In addition, since the cathode potential decreases as a hybrid potential, the output of the fuel cell also decreases. Due to the methanol crossover phenomenon, when a perfluorosulfonic acid solid polymer electrolyte membrane developed for conventional PEFC using hydrogen gas as a fuel is used, sufficient performance as DMFC is demonstrated. There are many things that cannot be done. Therefore, the development of electrolyte membranes with low methanol permeability is an urgent task for the practical application of DMFC.

さらに、DMFCの問題として、メタノールの電極酸化反応のために白金-ルテニウム合金
などの高価な貴金属系電極触媒を多量に使用する必要がある点が挙げられる。この問題を解決するために、メタノール酸化用電極触媒に関して夥しい数の研究がなされ、各種合金触媒、金属錯体などが提案されているが、1960年代から知られている白金-ルテニウム合
金の活性を大幅に上回る電極触媒は、依然として見出されていない。燃料電池システム全体の総コストに占める貴金属系触媒のコストの割合は大きいので、PEFCの実用化および低コスト化を実現するためには、貴金属使用量を減少させた或いは貴金属を使用しない電極触媒の開発が大きな課題となっている。しかしながら、電解質膜には通常スルホン酸系のプロトン伝導膜が使用されるため、電極触媒材料には、強酸性雰囲気下で長期間に渡って腐食、劣化することのない、優れた耐酸性が要求される。この点で、触媒材料は貴金属など一部の材料に限定され、高活性触媒の探索と低コスト化を妨げる原因となっている。
Furthermore, as a problem of DMFC, it is necessary to use a large amount of expensive noble metal-based electrode catalyst such as platinum-ruthenium alloy for methanol electrooxidation reaction. In order to solve this problem, a great deal of research has been done on methanol oxidation electrode catalysts, and various alloy catalysts and metal complexes have been proposed, but the activity of platinum-ruthenium alloys known since the 1960s has been greatly increased. No more electrocatalyst has been found. Since the cost of precious metal catalysts accounts for a large percentage of the total cost of the fuel cell system, in order to realize the practical use and cost reduction of PEFC, the use of electrode catalysts with reduced precious metal usage or no precious metal Development has become a major issue. However, since a sulfonic acid proton conductive membrane is usually used for the electrolyte membrane, the electrode catalyst material must have excellent acid resistance that does not corrode or deteriorate for a long time in a strongly acidic atmosphere. Is done. In this respect, the catalyst material is limited to some materials such as precious metals, which hinders the search for a highly active catalyst and cost reduction.

また、従来のプロトン伝導性陽イオン交換膜を使用するPEFCは、カソード過電圧が大きく、しかも上述のような耐酸性を考慮し、白金触媒が使用されるのが通常である。アノードと共にカソードにも貴金属触媒が必要であることは燃料電池のコストや普及段階における資源量の観点から重大な問題である。   In addition, PEFCs that use conventional proton-conducting cation exchange membranes typically have a large cathode overvoltage, and platinum catalysts are usually used in consideration of the acid resistance as described above. The necessity of a noble metal catalyst for both the anode and the cathode is a serious problem from the viewpoint of the cost of the fuel cell and the amount of resources in the diffusion stage.

更に、プロトン伝導性陽イオン交換膜を使用するPEFCでは、発電に伴う水の生成がカソード側で起こる。そのため、カソード側では生成水による電極の濡れが進行し、酸素還元反応の反応性が低下するフラッディングと呼ばれる現象がしばしば観測される。この問題を解決するため、カソード側には撥水処理を施し、酸素ガスの拡散性を向上させるための工夫が必要となる。   Furthermore, in PEFC using a proton-conducting cation exchange membrane, water generation accompanying power generation occurs on the cathode side. For this reason, a phenomenon called flooding in which the wetness of the electrode by the generated water proceeds and the reactivity of the oxygen reduction reaction decreases is often observed on the cathode side. In order to solve this problem, it is necessary to devise water repellent treatment on the cathode side to improve the diffusibility of oxygen gas.

以上の様に、イオン伝導性高分子薄膜を電解質として用いるPEFCについては、各種の用途における実用化と普及が期待されているが、更に改善すべき課題が多数存在しているのが現状である。   As described above, PEFCs that use ion-conductive polymer thin films as electrolytes are expected to be put to practical use and spread in various applications, but there are currently many issues that need to be improved. .

一方、持続可能な社会の実現に向け、近年バイオマスエネルギーへの関心が急速に高まってきている。エネルギー源としてバイオマス燃料を利用すると、使用時に排出されるCO2はもともと空気中のCO2が植物によって固定されたものであるため、排出量として計上する必要がない(カーボンニュートラル)。実際にトウモロコシやサトウキビなどの農作物の発酵で得られるエタノール(バイオエタノール)をガソリンに混合し、CO2排出量を抑
制する試みが既に進められている。バイオマス由来燃料の活用は再生可能な石油代替エネルギー利用の観点から意義深く、高効率な発電システムである燃料電池と組み合わせることにより、CO2排出削減がより効果的になると期待できる。
On the other hand, in order to realize a sustainable society, interest in biomass energy has increased rapidly in recent years. The use of biomass fuels as an energy source, since the CO 2 is discharged at the time of use in which originally CO 2 in air is fixed by the plant, it is not necessary recorded as emissions (carbon neutral). Attempts have already been made to reduce CO 2 emissions by mixing ethanol (bioethanol) obtained by fermentation of crops such as corn and sugarcane with gasoline. The use of biomass-derived fuel is significant from the viewpoint of using renewable petroleum alternative energy, and it can be expected that CO 2 emission reduction will be more effective when combined with a fuel cell, which is a highly efficient power generation system.

グルコースを初めとする糖類を燃料とする場合、電気化学的酸化反応の過電圧が高いため、従来のPEFC技術の応用では極めて低い発電性能しか達成できない。そのため、グルコースデヒドロゲナーゼによる酵素反応に基づいたバイオ燃料電池の分野での研究が主流となっており(特許文献4)、携帯用電子機器や生体埋込チップなどの電源としての応用が期待されている。しかしながら、その最大出力密度は1 mW/cm2程度にとどまっており、携帯機器用の電源としての応用可能な出力にはほど遠いのが現状である。
Electrochimica Acta, 49, 3901 (2004) J. Power Sources, 124, 12 (2003) J. Power Sources, 150, 27 (2005) J. Power Sources, 144, 28 (2005) 特開平11-144751号公報 特開2002-50375号公報 特開2006-244961号公報 特開2005-310613号公報
When sugars such as glucose are used as fuel, the overvoltage of the electrochemical oxidation reaction is high, so that only extremely low power generation performance can be achieved by applying conventional PEFC technology. For this reason, research in the field of biofuel cells based on the enzyme reaction by glucose dehydrogenase has become the mainstream (Patent Document 4), and application as a power source for portable electronic devices and living body embedded chips is expected. . However, the maximum output density is only about 1 mW / cm 2 , and it is far from the applicable output as a power source for portable devices.
Electrochimica Acta, 49, 3901 (2004) J. Power Sources, 124, 12 (2003) J. Power Sources, 150, 27 (2005) J. Power Sources, 144, 28 (2005) Japanese Patent Laid-Open No. 11-144751 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-50375 JP 2006-244961 JP 2005-310613 A

本発明は、上記した従来技術の現状に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、メタノールを燃料として用いる従来のダイレクト(直接型)燃料電池における上記した各種の問題点を軽減乃至解消することが可能な新規なダイレクト(直接型)燃料電池を提供することである。   The present invention has been made in view of the current state of the prior art described above, and its main purpose is to reduce or eliminate the various problems described above in the conventional direct fuel cell using methanol as a fuel. It is an object of the present invention to provide a novel direct fuel cell that can be used.

本発明者は、上記した目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、電解質膜として酸性のプロトン伝導性陽イオン交換膜に代えてアルカリ性の陰イオン交換膜を使用し、燃料化合物として糖類を用いる場合には、上記した目的を達成し得る新規な直接型燃料電池が得られることを見出し、ここに本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above-described object, the present inventor uses an alkaline anion exchange membrane instead of an acidic proton conductive cation exchange membrane as an electrolyte membrane, and uses saccharides as a fuel compound. In some cases, it has been found that a novel direct fuel cell capable of achieving the above-described object can be obtained, and the present invention has been completed here.

即ち、本発明は、下記の直接型燃料電池を提供するものである。
1. カソード、アノード、および該アノードと該カソードとの間に配置された電解質膜を含む固体高分子形燃料電池であって、
該電解質膜が陰イオン交換膜であり、
該アノードには、糖類の溶液が燃料として供給される
直接型燃料電池。
2. 陰イオン交換膜が、四級アンモニウム基、ピリジニウム基、イミダゾリウム基、ホスホニウム基及びスルホニウム基からなる群から選ばれた少なくとも一種の陰イオン交換基を有する固体高分子膜である上記項1に記載の直接型燃料電池。
3. 燃料として供給する糖類が、単糖類、二糖類及び多糖類からなる群から選ばれた少なくとも一種である上記項1又は2に記載の直接型燃料電池。
4. 燃料として供給する糖類が、単糖類である上記項1又は2に記載の直接型燃料電池。
That is, the present invention provides the following direct fuel cell.
1. A polymer electrolyte fuel cell comprising a cathode, an anode, and an electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode,
The electrolyte membrane is an anion exchange membrane;
A direct fuel cell in which a saccharide solution is supplied to the anode as a fuel.
2. Item 2. The above item 1, wherein the anion exchange membrane is a solid polymer membrane having at least one anion exchange group selected from the group consisting of a quaternary ammonium group, a pyridinium group, an imidazolium group, a phosphonium group, and a sulfonium group. Direct fuel cell.
3. Item 3. The direct fuel cell according to Item 1 or 2, wherein the saccharide supplied as fuel is at least one selected from the group consisting of monosaccharides, disaccharides and polysaccharides.
4). Item 3. The direct fuel cell according to Item 1 or 2, wherein the saccharide supplied as fuel is a monosaccharide.

本発明の燃料電池は、カソード、アノード、および前記アノードと前記カソードの間に配置された電解質膜を構成要素として含むものであって、該電解質膜として陰イオン交換膜を用い、燃料として糖類を用いるものである。   The fuel cell of the present invention includes a cathode, an anode, and an electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode as constituent elements, and an anion exchange membrane is used as the electrolyte membrane, and saccharides are used as fuel. It is what is used.

図1は、本発明の直接型燃料電池の構造とその発電メカニズムを模式的に示す概念図である。図1に示すように、本発明の燃料電池は、陰イオン伝導性の電解質膜とその両面に接合されたアノード層とカソード層を構成要素として含むものであり、アノード側には燃料となる糖類の溶液が供給され、カソードには酸素または空気が供給される。カソード側では酸素の還元により、水酸化物イオン(OH-)が生成し、膜中を移動してアノード側に
到達し、アノード側では糖とOH-が反応して糖の酸化物と水が生じる。この時外部回路を
電子が流れて電流を取り出すことができる。
FIG. 1 is a conceptual diagram schematically showing the structure of a direct fuel cell of the present invention and its power generation mechanism. As shown in FIG. 1, the fuel cell of the present invention includes an anion conductive electrolyte membrane, an anode layer and a cathode layer bonded on both sides as constituent elements, and a saccharide serving as a fuel on the anode side. The solution is supplied and oxygen or air is supplied to the cathode. By reduction of oxygen at the cathode side, hydroxide ion (OH -) generated reaches the anode move through the film, the anode sugar and OH - react oxide and water sugar Arise. At this time, electrons can flow through the external circuit to extract current.

上記した構造の燃料電池は、特に、電解質膜として陰イオン交換膜を用いることが大きな特徴であり、陰イオン交換膜を電解質膜として用いることによって、水酸化物イオンが膜中を移動し、電解質膜はアルカリ性雰囲気となる。本発明の燃料電池において燃料とするグルコース等の糖類の電気化学的酸化反応は、酸性雰囲気中に比べるとアルカリ性雰囲気中で過電圧が低減する。例えば、図2は、白金電極を作用電極として、0.1 M d-グルコースを含む0.1 M水酸化カリウム中で測定したサイクリックボルタモグラムであり、比較
として、0.1 M d-グルコースを含む0.1 M硫酸中の結果も合わせて示している。図2に示
す結果から明らかなように、硫酸中に比べ、水酸化カリウム中で測定した場合には、同一電位において高い電流密度が得られている。
The fuel cell having the structure described above is particularly characterized in that an anion exchange membrane is used as the electrolyte membrane. By using the anion exchange membrane as the electrolyte membrane, hydroxide ions move in the membrane, and the electrolyte The membrane is in an alkaline atmosphere. The electrochemical oxidation reaction of saccharides such as glucose used as fuel in the fuel cell of the present invention has an overvoltage reduced in an alkaline atmosphere as compared to an acidic atmosphere. For example, FIG. 2 is a cyclic voltammogram measured in 0.1 M potassium hydroxide containing 0.1 M d-glucose using a platinum electrode as a working electrode, and in comparison, in 0.1 M sulfuric acid containing 0.1 M d-glucose. The results are also shown. As is clear from the results shown in FIG. 2, a higher current density is obtained at the same potential when measured in potassium hydroxide than in sulfuric acid.

同様に、酸素還元反応の過電圧もアルカリ性雰囲気中で低減することが知られている。このため、陰イオン交換膜を電解質膜として用い、糖類の水溶液を燃料とする本発明の燃料電池は、高出力の燃料電池となることが期待できる。   Similarly, it is known that the overvoltage of the oxygen reduction reaction is also reduced in an alkaline atmosphere. Therefore, the fuel cell of the present invention using an anion exchange membrane as an electrolyte membrane and using an aqueous saccharide solution as fuel can be expected to be a high-power fuel cell.

以下、本発明の燃料電池の各構成要素について具体的に説明する。   Hereafter, each component of the fuel cell of this invention is demonstrated concretely.

(1)電解質膜
本発明では、電解質膜として、カソードで生成するOH-をアノードに移動させることが
できる陰イオン交換膜を使用する。陰イオン交換膜の種類は特に限定されないが、例えば、四級アンモニウム基、ピリジニウム基、イミダゾリウム基、ホスホニウム基、スルホニウム基などの陰イオン交換基を有する炭化水素系樹脂(例えば、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレン、ポリベンズイミダゾール、ポリイミド、ポリアリーレンエーテル等)、フッ素系樹脂などの固体高分子からなる陰イオン交換膜を用いることができる。陰イオン交換膜のイオン交換容量は、0.1〜10ミリ当量/g程度であることが好ましく、0.5〜5ミリ当量/g程度であることがよ
り好ましい。陰イオン交換膜の膜厚は5〜300μm程度であることが好ましく、10〜100μm
程度であることがより好ましい。
(1) Electrolyte Membrane In the present invention, an anion exchange membrane capable of transferring OH produced at the cathode to the anode is used as the electrolyte membrane. The type of anion exchange membrane is not particularly limited. For example, a hydrocarbon resin having an anion exchange group such as a quaternary ammonium group, a pyridinium group, an imidazolium group, a phosphonium group, or a sulfonium group (for example, polystyrene, polysulfone, Anion exchange membranes made of solid polymers such as polyethersulfone, polyetheretherketone, polyphenylene, polybenzimidazole, polyimide, polyarylene ether, etc.) and fluorine resins can be used. The ion exchange capacity of the anion exchange membrane is preferably about 0.1 to 10 meq / g, and more preferably about 0.5 to 5 meq / g. The thickness of the anion exchange membrane is preferably about 5 to 300 μm, preferably 10 to 100 μm.
More preferably, it is about.

(2)触媒成分
本発明の燃料電池では、アノード及びカソードに使用する電極触媒としては、従来から電極触媒として知られている金属、金属合金、金属錯体などの各種の触媒を用いることができる。
(2) Catalyst component In the fuel cell of the present invention, various catalysts such as metals, metal alloys, metal complexes and the like conventionally known as electrode catalysts can be used as the electrode catalyst used for the anode and the cathode.

従来のスルホン酸系陽イオン交換膜を用いる燃料電池では、アノード及びカソード用の触媒に対して高い耐酸性が要求されるため、高価な貴金属を中心とした材料が用いられている。これに対して、本発明の燃料電池は、アルカリ性の陰イオン交換膜を使用するために、卑金属でも腐食されることなく使用できる。従って、本発明の燃料電池で用いる触媒では、金属種としては、従来のPEFCで使用される白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、金などの貴金属の他、ニッケル、銀、コバルト、鉄、銅、亜鉛などの卑金属を用いることができる。これらの金属の中から選ばれた単一の金属触媒や金属錯体、あるいは二種以上の金属の任意の組合せからなる合金や金属錯体の複合体等を使用することができる。また、上記から選ばれる金属触媒と別の金属酸化物との複合触媒、触媒微粒子をカーボンや金属酸化物などの担体上に分散させた担持触媒として使用することも可能である。   In a conventional fuel cell using a sulfonic acid-based cation exchange membrane, high acid resistance is required for an anode and a cathode catalyst, and therefore, a material centering on an expensive noble metal is used. On the other hand, since the fuel cell of the present invention uses an alkaline anion exchange membrane, even a base metal can be used without being corroded. Therefore, in the catalyst used in the fuel cell of the present invention, the metal species include noble metals such as platinum, palladium, iridium, rhodium, ruthenium and gold used in conventional PEFC, as well as nickel, silver, cobalt, iron and copper. Base metals such as zinc can be used. A single metal catalyst or metal complex selected from these metals, or an alloy or metal complex complex composed of any combination of two or more metals can be used. It is also possible to use a composite catalyst of a metal catalyst selected from the above and another metal oxide, or a supported catalyst in which catalyst fine particles are dispersed on a carrier such as carbon or metal oxide.

従って、本発明の燃料電池では、アノード、カソードともに高価な貴金属触媒に限定されることなく、幅広い範囲から選択できるので、各種の高活性触媒の開発が可能であり、しかも低コスト化も図れる。   Therefore, in the fuel cell of the present invention, both the anode and the cathode are not limited to expensive noble metal catalysts, and can be selected from a wide range. Therefore, various highly active catalysts can be developed, and the cost can be reduced.

(3)燃料
本発明の直接型燃料電池では、燃料として糖類を用いる。前述した通り、本発明の燃料電池は、電解質膜として陰イオン交換膜を使用するものであり、これにより、糖類の電気化学的酸化反応の過電圧が低減し、糖類を燃料として用いる場合にも燃料電池の高出力化を達成できる。
(3) Fuel In the direct fuel cell of the present invention, saccharides are used as fuel. As described above, the fuel cell of the present invention uses an anion exchange membrane as an electrolyte membrane, thereby reducing the overvoltage of the electrochemical oxidation reaction of saccharides, and even when saccharides are used as fuel. High battery output can be achieved.

糖類としては、単糖類、二糖類、多糖類などを使用することができる。これらの内で、単糖類としては、構成炭素数4のエリトロース、トレオース、エリトルロース、構成炭素数5のリボース、アラビノース、キシロース、リキソース、リブロース、キシルロース、構成炭素数6のグルコース、マンノース、ガラクトース、フルクトース、ソルボース、アロース、アルトロース、グロース、イドース、タロース、プシコース、タガトース、イノ
シトールなどが例示できる。二糖類としては、マルトース、ラクトース、セロビオース、サッカロースなどを使用することができる。多糖類としては、デンプン、グリコーゲン、イヌリン、セルロース、ペクチンなどを例示できる。上記例示の燃料は、単独あるいは二種類以上組み合わせて使用することができる。
As the saccharide, monosaccharide, disaccharide, polysaccharide and the like can be used. Among these, monosaccharides include erythrose, threose, erythrulose having 4 carbon atoms, ribose having 5 carbon atoms, arabinose, xylose, lyxose, ribulose, xylulose, glucose having 6 carbon atoms, mannose, galactose, fructose. Sorbose, allose, altrose, gulose, idose, talose, psicose, tagatose, inositol and the like. As the disaccharide, maltose, lactose, cellobiose, saccharose and the like can be used. Examples of polysaccharides include starch, glycogen, inulin, cellulose, pectin and the like. The fuels illustrated above can be used alone or in combination of two or more.

上記した糖類の内で、アルデヒド基を有する単糖類であるリボース、アラビノース、キシロース、リキソース、グルコース、マンノース、ガラクトース、アロース、アルトロース、グロース、イドース、タロース等がより好ましい。   Among the above-mentioned saccharides, ribose, arabinose, xylose, lyxose, glucose, mannose, galactose, allose, altrose, gulose, idose, talose and the like, which are monosaccharides having an aldehyde group, are more preferable.

上記した糖類は、糖類を含む溶液として燃料電池のアノードに供給される。糖類を溶解するための溶媒の種類は特に限定されないが、例えば、水、アルコール(例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等)等を用いることができる。   The sugars described above are supplied to the anode of the fuel cell as a solution containing sugars. Although the kind of solvent for dissolving saccharides is not specifically limited, For example, water, alcohol (for example, methanol, ethanol, propanol etc.) etc. can be used.

溶液中の糖類の濃度は、特に限定的ではないが、通常、10-6〜10 M(mol/L)程度と
することが好ましく、10-3〜5 M程度とすることがより好ましい。
The concentration of the saccharide in the solution is not particularly limited, but is usually preferably about 10 −6 to 10 M (mol / L), more preferably about 10 −3 to 5 M.

糖類を含む溶液には、更に、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、アンモニアなどを添加することができる。この時のアルカリ成分の濃度は、通常、10-3〜10 M(mol/L)程
度とすることが好ましく、0.1〜3 M程度とすることがより好ましい。
Further, potassium hydroxide, sodium hydroxide, ammonia, or the like can be added to the solution containing saccharides. The concentration of the alkali component at this time is usually preferably about 10 −3 to 10 M (mol / L), more preferably about 0.1 to 3 M.

(4)本発明燃料電池の構成
本発明の燃料電池は、カソード、アノード、および前記アノードと前記カソードの間に配置された陰イオン交換膜を構成要素として含むものである。
(4) Configuration of the Fuel Cell of the Present Invention The fuel cell of the present invention includes a cathode, an anode, and an anion exchange membrane disposed between the anode and the cathode as constituent elements.

斯かる構造の燃料電池では、通常、カソード及びアノードとなるそれぞれの電極層と電解質膜とは、従来の燃料電池と同様に接合体として用いられる。電極層と電解質膜との接合体は、公知の方法により作製できる。例えば、触媒粉末と樹脂溶液とを混合して作製した触媒インクを薄膜化させた後、電解質膜上にホットプレスする方法や直接高分子膜上に塗布・乾燥するなどの方法を適用できる。樹脂溶液としては、電解質膜と同様、イオン交換容量0.1〜10ミリ当量/g(より好ましくは0.5〜5ミリ当量/g)程度の陰イオン交換能を
有する電解質溶液が好ましいが、イオン性基を有しないポリフッ化ビニリデン、ポリビニルブチラールなどの高分子樹脂を使用しても良い。その他、吸着還元法、無電解めっき、電気めっきやスパッター、CVDなどの方法で高分子電解質膜に直接触媒を取り付けることもできる。また、ガス拡散層や集電体に直接触媒インクを塗布・乾燥する方法、あるいは前駆体となる金属錯体を含浸・還元するなどの方法によって電極を作製しても良い。
In the fuel cell having such a structure, the electrode layer and the electrolyte membrane, which are the cathode and the anode, are usually used as a joined body as in the conventional fuel cell. The joined body of the electrode layer and the electrolyte membrane can be produced by a known method. For example, after thinning a catalyst ink prepared by mixing catalyst powder and a resin solution, a method of hot pressing on an electrolyte membrane or a method of directly applying and drying on a polymer membrane can be applied. As the resin solution, an electrolyte solution having an anion exchange capacity of an ion exchange capacity of about 0.1 to 10 meq / g (more preferably 0.5 to 5 meq / g) is preferable as in the case of the electrolyte membrane. Polymer resins such as polyvinylidene fluoride and polyvinyl butyral that do not have may be used. In addition, the catalyst can be directly attached to the polymer electrolyte membrane by an adsorption reduction method, electroless plating, electroplating, sputtering, CVD, or the like. Alternatively, the electrode may be produced by a method in which a catalyst ink is directly applied to a gas diffusion layer or a current collector and dried, or a method in which a metal complex as a precursor is impregnated or reduced.

得られた膜―電極接合体の両面をカーボンペーパーまたはカーボンクロスなどの集電材で挟んでセルに組み込むことにより、燃料電池セルを作製できる。アノード側には燃料として上述の糖類を含む溶液を供給し、カソード側には酸素または空気を供給あるいは自然拡散させればよい。   A fuel battery cell can be produced by sandwiching both surfaces of the obtained membrane-electrode assembly with a current collector such as carbon paper or carbon cloth and incorporating it into the cell. A solution containing the above saccharides as a fuel may be supplied to the anode side, and oxygen or air may be supplied or naturally diffused to the cathode side.

上記した構成の本発明の直接型燃料電池は、以下に示す優れた特徴を有するものとなる。   The direct fuel cell of the present invention having the above-described configuration has the following excellent characteristics.

(i)陰イオン交換膜を電解質膜として用いることによって、アノード反応及びカソード反応の過電圧が低下する。このため、燃料電池の高出力化が可能となる。   (I) By using an anion exchange membrane as an electrolyte membrane, the overvoltage of the anode reaction and the cathode reaction is reduced. For this reason, it is possible to increase the output of the fuel cell.

(ii)燃料として糖類を用いることにより、有害燃料の使用や燃料電池作動中に発生する副生成物の危険性を回避することができる。また、糖類はトウモロコシやサトウキビ、木材をはじめとするバイオマスにより製造することのできるバイオ燃料である。これらの
バイオ燃料を、化石燃料または化石燃料から製造される燃料化合物の代わりに利用すれば、地球環境への負荷を低減し、持続可能な社会の実現へ寄与することができる。さらに、体内に存在するグルコースを利用して発電することにより、体内に埋め込まれたペースメーカー、人工臓器、バイオセンサー、マイクロマシンの電源として利用することも可能となる。
(Ii) By using saccharides as fuel, the use of harmful fuels and the risk of by-products generated during fuel cell operation can be avoided. Saccharides are biofuels that can be produced from biomass including corn, sugar cane, and wood. If these biofuels are used in place of fossil fuels or fuel compounds produced from fossil fuels, it is possible to reduce the burden on the global environment and contribute to the realization of a sustainable society. Furthermore, by generating electricity using glucose present in the body, it can be used as a power source for pacemakers, artificial organs, biosensors, and micromachines embedded in the body.

(iii) 糖類は、メタノールに比べて分子量が大きく、電解質膜中の移動に対する抵
抗が大きい。このため、従来のDMFCにおいて問題とされているメタノールがカソード側に透過して性能低下を引き起こすクロスオーバー現象を防止できる。
(Iii) Saccharides have a higher molecular weight than methanol and a greater resistance to movement in the electrolyte membrane. For this reason, it is possible to prevent the crossover phenomenon that causes the methanol to permeate the cathode side, which is a problem in the conventional DMFC, and causes a decrease in performance.

(iv) 電解質膜として用いる陰イオン交換膜はアルカリ性であり、アノード及びカソードにおいて使用される触媒に対して高い耐酸性は要求されない。このため、貴金属触媒に限定されることなく、ニッケル、鉄、銀、コバルトなどの卑金属も腐食されることなく触媒として使用できる。よって、幅広い選択肢から高活性な触媒を探索することができ、高活性触媒の開発と低コスト化が可能となる。   (Iv) The anion exchange membrane used as the electrolyte membrane is alkaline, and high acid resistance is not required for the catalyst used in the anode and cathode. For this reason, it is not limited to a noble metal catalyst, Base metals, such as nickel, iron, silver, cobalt, can also be used as a catalyst, without being corroded. Therefore, it is possible to search for a highly active catalyst from a wide range of options, and it is possible to develop a highly active catalyst and reduce the cost.

(v) 従来のプロトン伝導性陽イオン交換膜を使用するPEFCで問題となるフラッディングについても、陰イオン交換膜形燃料電池の使用により改善できる。本発明の燃料電池の発電機構は次式で表すことができる。   (V) Flooding, which is a problem with PEFCs using conventional proton-conducting cation exchange membranes, can also be improved by using an anion exchange membrane fuel cell. The power generation mechanism of the fuel cell of the present invention can be expressed by the following equation.

アノード: 糖 + n OH- → 糖の酸化物 + n H2O + n e-
カソード: n/4 O2 + n/2 H2O + n e- → n OH-
全反応: 糖 + n/4 O2 → 糖の酸化物 + n/2 H2O
このように、水はカソード側ではなくアノード側で生成するため、カソードにおける酸素還元反応に悪影響をもたらす恐れはない。また、アノードはもともと燃料溶液が供給される電極であり、生成水による電極濡れの進行が問題とはならない。
Anode: sugar + n OH - → oxide of sugar + n H 2 O + ne -
Cathode: n / 4 O 2 + n / 2 H 2 O + ne - → n OH -
Total reaction: Sugar + n / 4 O 2 → Sugar oxide + n / 2 H 2 O
Thus, since water is generated not on the cathode side but on the anode side, there is no possibility of adversely affecting the oxygen reduction reaction at the cathode. The anode is originally an electrode to which a fuel solution is supplied, and the progress of electrode wetting by generated water does not matter.

以上の通り、本発明の直接型燃料電池は、電解質膜として陰イオン交換膜を用い、且つ燃料として糖類を用いることを特徴とするものである。これにより、安全性の高い糖類を燃料とする高性能の燃料電池を得ることができ、フラッディングの問題も改善でき、更に、従来のDMFCにおいて問題とされていたクロスオーバー現象も防止できる。しかも、貴金属に限らず、卑金属も触媒として使用可能であることから、低コスト化と同時に、高活性触媒の開発が可能となる。   As described above, the direct fuel cell of the present invention is characterized by using an anion exchange membrane as an electrolyte membrane and using saccharides as a fuel. As a result, a high-performance fuel cell using saccharides with high safety as a fuel can be obtained, the problem of flooding can be improved, and the crossover phenomenon that has been a problem in conventional DMFCs can be prevented. Moreover, since not only precious metals but also base metals can be used as catalysts, it is possible to develop highly active catalysts at the same time as cost reduction.

この様に本発明の直接型燃料電池は、従来の固体高分子形燃料電池(PEFC)における各種の問題点を解消乃至軽減できるものであり、例えば、携帯用の小型電源(モバイル機器、IT機器、医療機器、ロボットの電源)、体内埋め込み式電源(人工臓器、体内センサー、マイクロマシンの電源)等の各種の用途において、非常に有用性の高い燃料電池である。   As described above, the direct fuel cell of the present invention can solve or alleviate various problems in the conventional polymer electrolyte fuel cell (PEFC). For example, a portable small power source (mobile device, IT device) , A power source for medical devices and robots), and a power cell that is very useful in various applications such as an in-vivo power source (artificial organ, in-vivo sensor, micro-machine power source).

以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

実施例1
アノード触媒として白金−ルテニウム黒を用い、カソード触媒として白金黒を用いた。それぞれの触媒を陰イオン交換樹脂溶液やエタノールと混合して触媒インクとし、薄膜化させて電極シートを作製した。陰イオン交換膜としては、四級アンモニウム塩基をイオン交換基とした膜厚27μm、イオン交換容量1.7 mmol/gの炭化水素膜を使用し、その両面に
アノード、カソードの電極シートをそれぞれホットプレスして膜−電極接合体を得た。得
られた膜−電極接合体における触媒金属担持量はアノード側、カソード側それぞれ3 mg/cm2、電極層中の陰イオン交換樹脂含有量は5重量%、電極層厚さは約1μmであった。
Example 1
Platinum-ruthenium black was used as the anode catalyst, and platinum black was used as the cathode catalyst. Each catalyst was mixed with an anion exchange resin solution or ethanol to form a catalyst ink, which was thinned to produce an electrode sheet. As the anion exchange membrane, a hydrocarbon membrane with an ion exchange group of quaternary ammonium base of 27 μm and ion exchange capacity of 1.7 mmol / g was used, and anode and cathode electrode sheets were hot pressed on both sides respectively. Thus, a membrane-electrode assembly was obtained. The amount of catalyst metal supported in the obtained membrane-electrode assembly was 3 mg / cm 2 on the anode side and the cathode side, the anion exchange resin content in the electrode layer was 5% by weight, and the electrode layer thickness was about 1 μm. It was.

得られた膜−電極接合体の両面をカーボンクロスで挟んで燃料電池セルを組み立て、アノードには0.5 M d-グルコースを含む0.5 M水酸化カリウムを4 ml/minで供給し、カソー
ドには加湿酸素を100 ml/minで供給して、室温で燃料電池の発電性能を評価した。
A fuel cell was assembled by sandwiching both sides of the obtained membrane-electrode assembly with carbon cloth, 0.5 M potassium hydroxide containing 0.5 M d-glucose was supplied to the anode at 4 ml / min, and the cathode was humidified Oxygen was supplied at 100 ml / min, and the power generation performance of the fuel cell was evaluated at room temperature.

実施例1および下記比較例1で得られた燃料電池について測定した電流密度−電圧特性と電流密度−出力密度特性を示すグラフを図3に示す。   FIG. 3 shows a graph showing the current density-voltage characteristics and current density-output density characteristics measured for the fuel cells obtained in Example 1 and Comparative Example 1 below.

図3のグラフより、陰イオン交換膜を用いた実施例1の燃料電池は、比較例1に示す従来の陽イオン交換膜を用いた燃料電池と比較して、大幅に発電性能が向上した(最大出力密度で13倍)ことが明らかである。   From the graph of FIG. 3, the power generation performance of the fuel cell of Example 1 using the anion exchange membrane was significantly improved as compared with the fuel cell using the conventional cation exchange membrane shown in Comparative Example 1 ( It is clear that the maximum power density is 13 times.

実施例2
実施例1の燃料電池において、d-グルコースに代えて、d-マンノース、d-ガラクトース、d-キシロース、d-マルトース、d-ラクトース、d-セロビオース、d-フルクトース、d-ソルボース及びサッカロースをそれぞれ燃料として使用して、実施例1と同様の方法で発電性能を評価した。
Example 2
In the fuel cell of Example 1, in place of d-glucose, d-mannose, d-galactose, d-xylose, d-maltose, d-lactose, d-cellobiose, d-fructose, d-sorbose and saccharose were each used. Using as a fuel, the power generation performance was evaluated in the same manner as in Example 1.

図4は、これらの各糖類を燃料とする場合の電流密度−電圧特性を示すグラフである。図4から、本発明の燃料電池において、上記した単糖類及び二糖類を燃料として利用できることが明らかである。   FIG. 4 is a graph showing current density-voltage characteristics when these saccharides are used as fuels. From FIG. 4, it is clear that the above-described monosaccharide and disaccharide can be used as fuel in the fuel cell of the present invention.

実施例3
実施例1の燃料電池において、アノードには0.5 M d-グルコースを含む0.5 M水酸化カ
リウム水溶液を4 ml/minで供給し、カソードには加湿窒素を100 ml/minで供給して、膜を透過してカソード側に到達したd-グルコースの酸化電流(クロスオーバー電流)を測定した。
Example 3
In the fuel cell of Example 1, a 0.5 M aqueous potassium hydroxide solution containing 0.5 M d-glucose was supplied to the anode at 4 ml / min, and humidified nitrogen was supplied to the cathode at 100 ml / min to form a membrane. The oxidation current (crossover current) of d-glucose that permeated and reached the cathode side was measured.

図5に、実施例3におけるクロスオーバー電流の測定結果を、比較例2および比較例3で得られた結果と共に示す。電解質膜として陰イオン交換膜を用い、燃料としてグルコースを供給する実施例3の燃料電池は、電解質膜として陰イオン交換膜を用い、燃料としてメタノールを供給する燃料電池(比較例2)、及び電解質膜として陽イオン交換膜を用い、燃料としてメタノールを供給する燃料電池(比較例3)と比較すると、クロスオーバー電流が、1/7以下という非常に小さい値であり、実質的にクロスオーバーの影響を無視できることが明らかである。   FIG. 5 shows the measurement results of the crossover current in Example 3 together with the results obtained in Comparative Example 2 and Comparative Example 3. The fuel cell of Example 3 that uses an anion exchange membrane as an electrolyte membrane and supplies glucose as a fuel uses a fuel cell that uses an anion exchange membrane as an electrolyte membrane and supplies methanol as a fuel (Comparative Example 2), and an electrolyte Compared with a fuel cell using a cation exchange membrane as a membrane and supplying methanol as a fuel (Comparative Example 3), the crossover current is a very small value of 1/7 or less, and the influence of the crossover is substantially reduced. Is clearly negligible.

比較例1
アノード触媒として白金−ルテニウム黒を用い、カソード触媒としてポリテトラフルオロエチレンで撥水化処理した白金黒を用いた。それぞれの触媒を、パーフルオロスルホン酸系陽イオン交換樹脂であるNafion(商標名、DuPont社製)溶液と混合して触媒インクとし、薄膜化させて電極シートを作製した後、パーフルオロスルホン酸系陽イオン交換膜のNafion-117膜(商標名、DuPont社製)の両面にホットプレスして膜−電極接合体を得た。
Comparative Example 1
Platinum-ruthenium black was used as the anode catalyst, and platinum black water-repellently treated with polytetrafluoroethylene was used as the cathode catalyst. Each catalyst was mixed with a Nafion (trade name, manufactured by DuPont) solution, which is a perfluorosulfonic acid cation exchange resin, to form a catalyst ink. After forming a thin electrode sheet, the perfluorosulfonic acid A membrane-electrode assembly was obtained by hot pressing on both surfaces of a Nafion-117 membrane (trade name, manufactured by DuPont) of a cation exchange membrane.

得られた膜−電極接合体の両面をカーボンクロスで挟んで燃料電池セルを組み立て、アノードには0.5 M d-グルコース水溶液を4 ml/minで供給し、カソードには加湿酸素を100 ml/minで供給して、室温で燃料電池の発電性能を評価した。   The fuel cell was assembled by sandwiching both sides of the obtained membrane-electrode assembly with carbon cloth, 0.5 M d-glucose aqueous solution was supplied to the anode at 4 ml / min, and humidified oxygen was supplied to the cathode at 100 ml / min. The power generation performance of the fuel cell was evaluated at room temperature.

比較例2
実施例1の燃料電池において、アノードには0.5 M メタノールを含む0.5 M水酸化カリ
ウム水溶液を4 ml/minで供給し、カソードには加湿窒素を100 ml/minで供給して、膜を透過してカソード側に到達したメタノールの酸化電流(クロスオーバー電流)を評価した。
Comparative Example 2
In the fuel cell of Example 1, a 0.5 M aqueous solution of potassium hydroxide containing 0.5 M methanol was supplied to the anode at 4 ml / min, and humidified nitrogen was supplied to the cathode at 100 ml / min to permeate the membrane. Then, the oxidation current (crossover current) of methanol reaching the cathode side was evaluated.

比較例3
比較例1の燃料電池において、アノードには0.5 M メタノール水溶液を4 ml/minで供給し、カソードには加湿窒素を100 ml/minで供給して、膜を透過してカソード側に到達したメタノールの酸化電流(クロスオーバー電流)を評価した。
Comparative Example 3
In the fuel cell of Comparative Example 1, 0.5 M methanol aqueous solution was supplied to the anode at 4 ml / min, humidified nitrogen was supplied to the cathode at 100 ml / min, and the methanol passed through the membrane and reached the cathode side. The oxidation current (crossover current) of was evaluated.

本発明の直接型燃料電池の一実施態様を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing one embodiment of a direct fuel cell of the present invention. 白金電極を作用極として、0.1 Mグルコースを含む0.1 M水酸化カリウムまたは0.1 M硫酸中で測定したサイクリックボルタモグラムである。It is a cyclic voltammogram measured in 0.1 M potassium hydroxide or 0.1 M sulfuric acid containing 0.1 M glucose using a platinum electrode as a working electrode. 実施例1と比較例1における燃料電池の電流密度―電圧特性および電流密度―出力密度特性を示すグラフである。4 is a graph showing current density-voltage characteristics and current density-output density characteristics of fuel cells in Example 1 and Comparative Example 1. FIG. 実施例2における燃料電池の電流密度―電圧特性を示すグラフである。6 is a graph showing current density-voltage characteristics of a fuel cell in Example 2. 実施例3と比較例2、比較例3における燃料電池のクロスオーバー電流を示すグラフである。6 is a graph showing crossover currents of fuel cells in Example 3, Comparative Example 2, and Comparative Example 3.

Claims (2)

カソード、アノード、および該アノードと該カソードとの間に配置された電解質膜を含む固体高分子形燃料電池であって、
該電解質膜が陰イオン交換膜であり、
該アノードには、糖類及びアルカリ成分を含む溶液が燃料として供給され
該陰イオン交換膜が、四級アンモニウム基、ピリジニウム基、イミダゾリウム基、ホスホニウム基及びスルホニウム基からなる群から選ばれた少なくとも一種の陰イオン交換基を有する固体高分子膜であり、
燃料として供給する該糖類が、単糖類、二糖類及び多糖類からなる群から選ばれた少なくとも一種であ
直接型燃料電池。
A polymer electrolyte fuel cell comprising a cathode, an anode, and an electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode,
The electrolyte membrane is an anion exchange membrane;
The anode is supplied with a solution containing a saccharide and an alkali component as fuel ,
The anion exchange membrane is a solid polymer membrane having at least one anion exchange group selected from the group consisting of a quaternary ammonium group, a pyridinium group, an imidazolium group, a phosphonium group and a sulfonium group;
Saccharide supplied as fuel, monosaccharides, disaccharides, and at least one Der Ru direct methanol fuel cell selected from the group consisting of polysaccharides.
燃料として供給する糖類が、単糖類である請求項1に記載の直接型燃料電池。 The direct fuel cell according to claim 1, wherein the saccharide supplied as fuel is a monosaccharide.
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