JP5229872B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、液体燃料を直接供給して作動させる直接液体燃料型燃料電池及び燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a direct liquid fuel type fuel cell and a fuel cell system which are operated by directly supplying liquid fuel.

固体高分子形燃料電池は、低温作動で高電流密度を得ることができ、小型化が可能であるなどの優れた特徴を有することから、電気自動車、宇宙航空機器などの輸送機器用の電源、携帯用の小型電源などとして研究開発が進められている。   Since the polymer electrolyte fuel cell has excellent features such as being able to obtain a high current density at low temperature operation and being able to be downsized, it is a power source for transportation equipment such as electric vehicles and aerospace equipment, Research and development is underway for portable power supplies.

固体高分子形燃料電池に供給される燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリンなどの改質により製造された水素ガスが用いられることが多いが、貯蔵、運搬などに際しての液体燃料としての利便性から、メタノールを燃料として直接供給する固体高分子形燃料電池(ダイレクトメタノール燃料電池)が近年注目を集めている。特に、携帯機器用の小型電源や充電器の用途では、メタノール燃料電池が主流となっている。また、メタノールの他に、エタノール( 非特許文献1)、グリコール(特許文献1)等を始めとする種々
のアルコール類を燃料とする直接型燃料電池やギ酸を燃料とする燃料電池(特許文献2及び特許文献3 )の研究も行われている。しかしながら、これらの燃料は安全性に問題が
あるほか、起電力が必ずしも高くなく、十分な性能を有するものということはできない。
As the fuel supplied to the polymer electrolyte fuel cell, hydrogen gas produced by reforming natural gas, methanol, gasoline, etc. is often used, but it is convenient as a liquid fuel for storage, transportation, etc. Therefore, a polymer electrolyte fuel cell (direct methanol fuel cell) that directly supplies methanol as fuel has recently attracted attention. In particular, methanol fuel cells are the mainstream for small power supplies and chargers for portable devices. In addition to methanol, ethanol (Non-patent Document 1), glycol (Patent Document 1), and other direct alcohol fuel cells using various alcohols such as fuel, and fuel cells using formic acid as fuel (Patent Document 2) And Patent Literature 3) have been studied. However, these fuels have safety problems and the electromotive force is not necessarily high, and it cannot be said that they have sufficient performance.

一方、NaBH4のようなテトラヒドロホウ酸塩のアルカリ性水溶液を燃料として用いる燃
料電池(非特許文献3〜6及び特許文献4〜6)の研究も行われているが、この燃料は強いアルカリ性を有するため、安全性やアルカリ濃度(pH値)の制御などの問題点がある。
On the other hand, research on fuel cells (non-patent documents 3 to 6 and patent documents 4 to 6) using an alkaline aqueous solution of tetrahydroborate such as NaBH 4 as a fuel has also been conducted, but this fuel has strong alkalinity. Therefore, there are problems such as safety and control of alkali concentration (pH value).

従って、安全性が高く取り扱い容易な燃料を直接供給することにより、高い起電力で作動することのできる燃料電池の実現が大きな課題となっている。   Therefore, the realization of a fuel cell that can operate with high electromotive force by directly supplying safe and easy-to-handle fuel has become a major issue.

アンモニアボランまたはその誘導体の水溶液は、安全性が高く取り扱いが容易であり、これを陽イオン交換膜を電解質膜とする公知の固体高分子形燃料電池の燃料極に供給することによって高い起電力で作動する燃料電池が得られることが見出されている(非特許文献7、特許文献7)。   An aqueous solution of ammonia borane or a derivative thereof is safe and easy to handle. By supplying it to a fuel electrode of a known polymer electrolyte fuel cell using a cation exchange membrane as an electrolyte membrane, a high electromotive force can be obtained. It has been found that a working fuel cell can be obtained (Non-patent Document 7, Patent Document 7).

アンモニアボランを燃料とする燃料電池では、負極及び正極において、下記の反応が進行すると考えられる。   In a fuel cell using ammonia borane as fuel, it is considered that the following reaction proceeds at the negative electrode and the positive electrode.

Figure 0005229872
Figure 0005229872

この様な電極反応を利用する公知の構造の固体高分子形燃料電池では、電解質膜におけるNH4 +イオンの移動度が低いために十分な性能を得ることができず、また、正極においてNH4 +イオンからNH3が放出され、これが燃料電池の性能に悪い影響を与える等の問題点が
ある。
C. Lamy, E. M. Belgsir,and J. -M. Legar, J. Appl. Electrochem., 31, 799 (2001). M. Weber, J.-T. Wang, S. Wasmus, and R. F. Savinell, J. Electrochem. Soc. 143, L158 (1996). S. C. Amendola, P. Onnerud, M. T. Kelly, P. J. Petillo, S. L. Sharp-Goldman, M. Binder, J. Power Source, 84, 130, (1999). B. H. Liu, Z. P. Li, S. Suda, J. Electrochem. Soc. 150, A398 (2003). Z. P. Li, B. H. Liu, K. Arai, S. Suda, J. Electrochem. Soc. 150, A868 (2003). Z. P. Li, B. H. Liu, K. Arai, S. Suda, J. Power Source, 126, 28, (2004). X.-B. Zhang, S. Han, J.-M. Yan, M. Chandra, H. Shioyama, K. Yasuda, N. Kuriyama, T. Kobayashi, Q. Xu, J. Power Sources, 168, 1671 (2007). 特開2002-151132号公報 特表平10−507572号公報 特開2001-219271号公報 米国特許5,804,329号 特開2003-132932号公報 特開2004-356084号公報 特開2006-286549号公報
The polymer electrolyte fuel cell of the known structure that utilizes such electrode reaction can not be the mobility of NH 4 + ions in the electrolyte membrane to obtain a sufficient performance for low, also, NH 4 in the positive electrode + NH 3 is released from the ions, and this has problems such as adversely affecting the performance of the fuel cell.
C. Lamy, EM Belgsir, and J. -M. Legar, J. Appl. Electrochem., 31, 799 (2001). M. Weber, J.-T.Wang, S. Wasmus, and RF Savinell, J. Electrochem. Soc. 143, L158 (1996). SC Amendola, P. Onnerud, MT Kelly, PJ Petillo, SL Sharp-Goldman, M. Binder, J. Power Source, 84, 130, (1999). BH Liu, ZP Li, S. Suda, J. Electrochem. Soc. 150, A398 (2003). ZP Li, BH Liu, K. Arai, S. Suda, J. Electrochem. Soc. 150, A868 (2003). ZP Li, BH Liu, K. Arai, S. Suda, J. Power Source, 126, 28, (2004). X.-B. Zhang, S. Han, J.-M. Yan, M. Chandra, H. Shioyama, K. Yasuda, N. Kuriyama, T. Kobayashi, Q. Xu, J. Power Sources, 168, 1671 (2007). JP 2002-151132 A Japanese National Patent Publication No. 10-507572 JP 2001-219271 A U.S. Patent 5,804,329 JP 2003-132932 A JP 2004-356084 A JP 2006-286549 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、安全性が高く取り扱いが容易であり、しかも優れた性能を有する新規な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 provide a novel fuel cell that is safe and easy to handle and has excellent performance. is there.

本発明者は、上記した目的を達成すべく鋭意研究を重ねてきた。その結果、固体高分子形燃料電池において、燃料としてアンモニアボランまたはその誘導体の水溶液を用い、電解質膜として陰イオン交換樹脂膜を用いることにより、上記した目的が達成されることを見出し、ここに本発明を完成するに至った。   The present inventor has intensively studied to achieve the above-described object. As a result, in the polymer electrolyte fuel cell, it has been found that the above-described object can be achieved by using an aqueous solution of ammonia borane or a derivative thereof as a fuel and an anion exchange resin membrane as an electrolyte membrane. The invention has been completed.

即ち、本発明は、下記の燃料電池及び燃料電池システムを提供するものである。
1. 正極、負極、および該正極と該負極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、
該負極には、化学式:RNH3−n2m+1 (式中、Rは一価の炭化水素基であり、nは0〜3の整数であり、mは1又は3である。但し、2個又は3個のRが相互に結合して、窒素原子と共に含窒素環状構造を形成しても良い。)で表されるアンモニアボラ
ン化合物の水溶液が燃料として供給される
直接液体燃料型燃料電池。
2. アンモニアボラン化合物が、アンモニアボラン、ジメチルアミンボラン、ジエチルアミンボラン、トリメチルアミンボラン、トリエチルアミンボラン、t-ブチルアミンボラン、アンモニアトリボラン、モルホリンボラン及びピリジンボランからなる群から選ばれた少なくとも一種の化合物である上記項1に記載の燃料電池。
3. 化学式:RNH3−n2m+1 (式中、Rは一価の炭化水素基であり、nは0〜3の整数であり、mは1又は3である。但し、2個又は3個のRが相互に結合して、窒素原子と共に含窒素環状構造を形成しても良い。)で表されるアンモニアボラン化合
物の水溶液を、陰イオン交換膜を電解質膜とする固体高分子形燃料電池の負極に供給することを特徴とする燃料電池システム。
4. 化学式:RNH3−n2m+1 (式中、Rは一価の炭化水素基であり、nは0〜3の整数であり、mは1又は3である。但し、2個又は3個のRが相互に結合して、窒素原子と共に含窒素環状構造を形成しても良い。)で表されるアンモニアボラン化合
物の水溶液からなる、陰イオン交換膜を電解質膜とする固体高分子形燃料電池の負極に供給される液体燃料。
That is, the present invention provides the following fuel cell and fuel cell system.
1. A polymer electrolyte fuel cell comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte membrane disposed between the positive electrode and the negative electrode,
The electrolyte membrane is an anion exchange membrane;
The negative electrode has a chemical formula: R n NH 3 -n B m H 2m + 1 (wherein R is a monovalent hydrocarbon group, n is an integer of 0 to 3, and m is 1 or 3. However, two or three Rs may be bonded to each other to form a nitrogen-containing cyclic structure together with nitrogen atoms.) A direct liquid fuel type in which an aqueous solution of an ammonia borane compound represented by Fuel cell.
2. The above item wherein the ammonia borane compound is at least one compound selected from the group consisting of ammonia borane, dimethylamine borane, diethylamine borane, trimethylamine borane, triethylamine borane, t-butylamine borane, ammonia triborane, morpholine borane and pyridine borane. 2. The fuel cell according to 1.
3. Chemical formula: R n NH 3 -n B m H 2m + 1 (wherein R is a monovalent hydrocarbon group, n is an integer of 0 to 3, and m is 1 or 3, provided that 2 or 3 R may be bonded to each other to form a nitrogen-containing cyclic structure together with a nitrogen atom.) An aqueous solution of an ammonia borane compound represented by the following formula: a solid polymer type having an anion exchange membrane as an electrolyte membrane A fuel cell system for supplying to a negative electrode of a fuel cell.
4). Chemical formula: R n NH 3 -n B m H 2m + 1 (wherein R is a monovalent hydrocarbon group, n is an integer of 0 to 3, and m is 1 or 3, provided that 2 or 3 R may be bonded to each other to form a nitrogen-containing cyclic structure together with a nitrogen atom.) A solid polymer having an anion exchange membrane as an electrolyte membrane, which is an aqueous solution of an ammonia borane compound represented by Liquid fuel supplied to the negative electrode of a fuel cell.

本発明の燃料電池は、正極、負極、および該正極と該負極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、電解質膜として陰イオン交換膜を用い、燃料としてアンモニアボラン化合物の水溶液を用いることを特徴とするものである。   A fuel cell according to the present invention is a solid polymer fuel cell including a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte membrane disposed between the positive electrode and the negative electrode, using an anion exchange membrane as the electrolyte membrane, An aqueous solution of an ammonia borane compound is used.

この様な構造を有する燃料電池では、燃料として用いるアミンボラン化合物は、安全性が高く取り扱いが容易であり、しかも負極反応によって高い起電力を発生することができ、液体燃料として優れた性能を有するものである。   In the fuel cell having such a structure, the amine borane compound used as the fuel is safe and easy to handle, and can generate a high electromotive force by the negative electrode reaction, and has excellent performance as a liquid fuel. It is.

更に、本発明の燃料電池では、アミンボラン化合物の水溶液を燃料とすることに加えて、電解質膜として陰イオン交換膜を用いることが必要である。前述したように、燃料電池の正極に酸素又は水素を供給することによって、正極反応によってOH-イオンが生じるが
、本発明の燃料電池では、電解質膜として陰イオン交換膜を用いることによって、正極で発生したOH-イオンを電解質膜における伝導イオンとすることができる。従来の陽イオン
交換膜を電解質膜とする燃料電池では、移動度の低いNH4 +イオンが伝導イオンとなるためにアミンボラン化合物を燃料として高性能の燃料電池することは難しかったが、本発明の燃料電池によれば、陰イオン交換膜を電解質膜とすることによって、移動度の高いOH-
オンが伝導イオンとなり、高電流、高電圧の高性能の燃料電池とすることができる。しかも、陰イオン交換膜を用いることによって、NH4 +イオンの正極への移動がなく、正極におけるNHの放出の問題を回避できる。
Furthermore, in the fuel cell of the present invention, it is necessary to use an anion exchange membrane as an electrolyte membrane in addition to using an aqueous solution of an amine borane compound as a fuel. As described above, by supplying oxygen or hydrogen to the positive electrode of the fuel cell, OH 2 ions are generated by the positive electrode reaction. However, in the fuel cell of the present invention, by using an anion exchange membrane as the electrolyte membrane, The generated OH - ions can be used as conductive ions in the electrolyte membrane. In conventional fuel cells using cation exchange membranes as electrolyte membranes, NH 4 + ions with low mobility become conductive ions, so it was difficult to produce high-performance fuel cells using amine borane compounds as fuel. According to the fuel cell, by using an anion exchange membrane as an electrolyte membrane, OH - ions with high mobility become conductive ions, and a high-performance fuel cell with high current and high voltage can be obtained. In addition, by using an anion exchange membrane, NH 4 + ions do not move to the positive electrode, and the problem of NH 3 emission at the positive electrode can be avoided.

以下、本発明の燃料電池について詳細に説明する。
(1)燃料
本発明の燃料電池は、化学式:RNH3−n2m+1 (式中、Rは一価の炭化水素基であり、nは0〜3の整数であり、mは1又は3である。但し、2個又は3個のRが相互に結合して、窒素原子と共に含窒素環状構造を形成しても良い。)で表されるアン
モニアボラン化合物の水溶液を燃料として用いるものである。
Hereinafter, the fuel cell of the present invention will be described in detail.
(1) Fuel The fuel cell of the present invention has a chemical formula: R n NH 3 -n B m H 2m + 1 (wherein R is a monovalent hydrocarbon group, n is an integer of 0 to 3, and m is 1 or 3. However, an aqueous solution of an ammonia borane compound represented by (2 or 3 R may be bonded to each other to form a nitrogen-containing cyclic structure together with a nitrogen atom) is used as a fuel. Is.

上記化学式において、一価の炭化水素基としては、低級アルキル基を例示できる。この様な低級アルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、t−ブチル基、ペンチル基等の炭素数1〜5程度の直鎖状又は分枝鎖状のアルキル基を挙げることができる。上記化学式において、Rが二個以上含まれる場合には、Rは全て同一であって良く、或いは、一部又は全部が相互に異なっていても良い。   In the above chemical formula, examples of the monovalent hydrocarbon group include a lower alkyl group. Specific examples of such a lower alkyl group include linear groups having about 1 to 5 carbon atoms such as methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, t-butyl group, and pentyl group. Or a branched alkyl group can be mentioned. In the above chemical formula, when two or more Rs are contained, all the Rs may be the same, or some or all of them may be different from each other.

また、2個又は3個のRが相互に結合して窒素原子と共に含窒素環状構造を形成する場合には、形成される環状構造は、飽和及び不飽和のいずれでもよく、その他の窒素原子、酸素原子、硫黄原子などが含まれていても良い。   When two or three Rs are bonded to each other to form a nitrogen-containing cyclic structure together with a nitrogen atom, the formed cyclic structure may be either saturated or unsaturated, and other nitrogen atoms, An oxygen atom, a sulfur atom, etc. may be contained.

上記化学式で表されるアンモニアボラン化合物は、公知化合物であり、固体の状態で軽量・安全に運搬・貯蔵することができ、燃料電池に供給する前に水に溶解するという簡単な方法で燃料電池用の液体燃料とすることができる。また、該アンモニアボラン化合物は、水に可溶であるが、水に溶解しても水と容易に反応することなく比較的安定に存在し、その取り扱いは容易、且つ安全であり、液体燃料としての利便性を有するものである。   The ammonia borane compound represented by the above chemical formula is a known compound, and can be transported and stored in a solid state in a lightweight and safe manner, and can be easily dissolved in water before being supplied to the fuel cell. Liquid fuel. In addition, the ammonia borane compound is soluble in water, but exists relatively stably without being easily reacted with water even when dissolved in water, and its handling is easy and safe. It has the convenience of.

上記化学式で表されるアンモニアボラン化合物の内で、mが1である化合物の具体例と
しては、NHBHで表されるアンモニアボラン、(CHNHBHで表されるジメチルアミンボラン、(CHCH2)NHBHで表されるジエチルアミンボラン、
(CH3NBHで表されるトリメチルアミンボラン、(CHCHNBH
で表されるトリエチルアミンボラン、(CHCNH2BHで表されるt-ブチルア
ミンボラン等を挙げることができる。また、mが3である化合物の具体例としては、NHで表されるアンモニアトリボランを挙げることができる。
Among the ammonia borane compounds represented by the above chemical formula, specific examples of the compound in which m is 1 include ammonia borane represented by NH 3 BH 3 and dimethylamine borane represented by (CH 3 ) 2 NHBH 3. , Diethylamineborane represented by (CH 3 CH 2 ) 2 NHBH 3 ,
Trimethylamine borane represented by (CH 3 ) 3 NBH 3 , (CH 3 CH 2 ) 3 NBH 3
And t-butylamine borane represented by (CH 3 ) 3 CNH 2 BH 3 . A specific example of the compound in which m is 3 is ammonia triborane represented by NH 3 B 3 H 7 .

また、含窒素環状構造を含む化合物の具体例としては、   Moreover, as a specific example of the compound containing a nitrogen-containing cyclic structure,

Figure 0005229872
Figure 0005229872

で表されるモルホリンボラン、 Morpholine borane represented by

Figure 0005229872
Figure 0005229872

で表されるピリジンボラン等を挙げることができる。 And pyridine borane represented by the formula:

本発明では、上記化学式で表されるアンモニアボラン化合物は、一種単独又は二種以上混合して用いることができる。   In the present invention, the ammonia borane compounds represented by the above chemical formulas can be used singly or in combination of two or more.

本発明の燃料電池では、上記したアンモニアボラン化合物を水溶液の状態で燃料として用いる。水溶液中におけるアンモニアボラン化合物の濃度は、特に限定的ではないが、例えば、10−4mol/L〜8mol/L程度の濃度範囲とすることができ、10−3mol/L〜2mol/L程度の濃度範囲とすることが好ましい。この様な濃度範囲において、要求される起電力などに応じて、具体的な濃度を決めればよい。この水溶液には、有効成分であるアンモニアボラン化合物が含まれていればよく、燃料電池の燃料として悪影響の無い限りその他の成分が同時に含まれていても良い。
(2)電解質膜
本発明の燃料電池では、電解質膜として陰イオン交換膜を用いることが必要である。陰イオン交換膜を電解質膜とすることによって、上記した負極反応によって発生するOH-
オンが伝導イオンとなり、高電流、高電圧の優れた性能の燃料電池とすることができる。
In the fuel cell of the present invention, the above-described ammonia borane compound is used as a fuel in the form of an aqueous solution. The concentration of the ammonia borane compound in the aqueous solution is not particularly limited, but can be, for example, a concentration range of about 10 −4 mol / L to 8 mol / L, and about 10 −3 mol / L to 2 mol / L. It is preferable to set the concentration range. In such a concentration range, a specific concentration may be determined according to the required electromotive force. This aqueous solution only needs to contain an ammonia borane compound which is an active ingredient, and may contain other ingredients at the same time as long as there is no adverse effect as fuel for the fuel cell.
(2) Electrolyte membrane In the fuel cell of the present invention, it is necessary to use an anion exchange membrane as the electrolyte membrane. By using an anion exchange membrane as the electrolyte membrane, the OH - ions generated by the negative electrode reaction described above become conductive ions, and a fuel cell with high performance at high current and high voltage can be obtained.

陰イオン交換膜としては、特に限定的ではなく、陰イオンを伝導させることができる各種の高分子化合物を用いることができる。例えば、四級アンモニウム基、ピリジニウム基等の陰イオン交換基を有する各種の高分子化合物を用いることができる。この様な陰イオン交換基を有する高分子化合物は、低温で作動し、装置の小型化が可能である。陰イオン交換膜における樹脂骨格の種類については特に限定的ではなく、例えば、フッ素系樹脂、炭化水素系樹脂など各種の材質の樹脂を使用できる。   The anion exchange membrane is not particularly limited, and various polymer compounds capable of conducting anions can be used. For example, various polymer compounds having an anion exchange group such as a quaternary ammonium group and a pyridinium group can be used. Such a polymer compound having an anion exchange group operates at a low temperature, and the apparatus can be miniaturized. The type of the resin skeleton in the anion exchange membrane is not particularly limited. For example, resins of various materials such as a fluorine resin and a hydrocarbon resin can be used.

陰イオン交換膜の厚さについては、通常、膜としての強度、電気抵抗等を考慮して決めればよい。膜強度の観点からは、通常5μm程度以上の厚さであることが好ましく、燃料電池作製時の取り扱いやすさを考えると10μm程度以上がより好ましい。また、膜厚が厚くなるほど電池の内部抵抗が大きくなるため、200μm程度以下の膜厚であることが好ましい。
(3)燃料電池の構造
本発明の燃料電池の構造は、電解質膜として陰イオン交換膜を用いること以外は、公知の固体高分子形燃料電池と同様とすればよい。
The thickness of the anion exchange membrane may be usually determined in consideration of the strength of the membrane, electrical resistance, and the like. From the viewpoint of the film strength, the thickness is usually preferably about 5 μm or more, and more preferably about 10 μm or more in view of ease of handling at the time of manufacturing the fuel cell. Further, since the internal resistance of the battery increases as the film thickness increases, the film thickness is preferably about 200 μm or less.
(3) Structure of fuel cell The structure of the fuel cell of the present invention may be the same as that of a known solid polymer fuel cell except that an anion exchange membrane is used as the electrolyte membrane.

即ち、電解質膜として陰イオン交換膜を用い、電極触媒、膜−電極接合体、セル構造などについては、公知の固体高分子形燃料電池と同様とすればよい。   That is, an anion exchange membrane is used as the electrolyte membrane, and the electrode catalyst, membrane-electrode assembly, cell structure, and the like may be the same as those of known solid polymer fuel cells.

負極(燃料極)および正極(酸素極)の各電極としては、反応物を供給でき、かつ生成物を排出できるような構造とすればよく、更に、性能を上げるために、電極表面積を大きくすることが好ましい。また、酸化還元を促進させるために、電極中に触媒を担持させることが好ましい。   Each electrode of the negative electrode (fuel electrode) and the positive electrode (oxygen electrode) may have a structure that can supply reactants and discharge products, and further increase the electrode surface area in order to improve performance. It is preferable. Moreover, in order to promote oxidation-reduction, it is preferable to carry | support a catalyst in an electrode.

例えば、電子、イオン、外部から供給される液体燃料及び気体等について、それぞれの反応界面への経路を確保し、かつ電極(および触媒)の表面積を大きくするために、メッシュ状金属、カーボン紙、カーボン布等の多孔性(網目状構造または細孔を持つ構造)の電子伝導物質を支持体として用い、該支持体に電解質を含む層を形成又は接合した構造の電極とすることができる。電極に触媒を含ませる場合には、上記多孔性の電子伝導物質よりなる支持体に触媒を直接担持させるか、他の電子伝導物質に担持させ、これを該支持体に接合すればよい。触媒金属としては、従来から知られている種々の金属、金属合金などを使用することができる。具体例としては、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、白金−ルテニウムをはじめとする各種金属触媒が挙げられる。   For example, in order to secure the path to each reaction interface and increase the surface area of the electrode (and catalyst) for electrons, ions, liquid fuel and gas supplied from the outside, etc., mesh metal, carbon paper, An electrode having a structure in which a porous (network structure or structure having pores) electron conductive material such as a carbon cloth is used as a support, and a layer containing an electrolyte is formed on or bonded to the support. When the electrode includes a catalyst, the catalyst may be directly supported on the support made of the porous electron conductive material or may be supported on another electron conductive material and bonded to the support. As the catalyst metal, conventionally known various metals, metal alloys and the like can be used. Specific examples include various metal catalysts including platinum, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, and platinum-ruthenium.

陰イオン交換膜と電極との接合体は、公知の方法により作製することができる。例えば、触媒粉末と電解質溶液とを混合して作製した触媒インクを薄膜化させた後、陰イオン交換膜上にホットプレスする方法、あるいは陰イオン交換膜上に、塗布・乾燥する方法などが適用される。その他にも、吸着還元法、無電解めっき法やスパッタ、CVDなどの方法で陰イオン交換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よい。   The joined body of the anion exchange membrane and the electrode can be produced by a known method. For example, after thinning the catalyst ink prepared by mixing catalyst powder and electrolyte solution, hot pressing on the anion exchange membrane, or applying and drying on the anion exchange membrane, etc. are applied Is done. In addition, the catalyst can be directly attached to the anion exchange membrane by an adsorption reduction method, an electroless plating method, 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、カーボンクロスなどの集電体で挟んでセルに組み込むことによって、燃料電池セルを作製することができる。   A fuel battery cell can be produced by sandwiching both surfaces of the obtained membrane-electrode assembly between current collectors such as carbon paper and carbon cloth and incorporating them into the cell.

本発明の燃料電池では、上記したアンモニアボラン化合物の水溶液を燃料として、負極に供給し、正極側には、空気又は酸素を供給又は自然拡散させればよい。   In the fuel cell of the present invention, the above-described aqueous solution of ammonia borane compound may be supplied as fuel to the negative electrode, and air or oxygen may be supplied or naturally diffused to the positive electrode side.

本発明の燃料電池の作動温度は、使用する電解質膜によって異なるが、通常0℃〜100℃ 程度であり、好ましくは10℃〜80℃ 程度である。   The operating temperature of the fuel cell of the present invention varies depending on the electrolyte membrane to be used, but is usually about 0 ° C to 100 ° C, preferably about 10 ° C to 80 ° C.

以上の通り、本発明の燃料電池において燃料として用いるアンモニアボラン化合物は、固体状態で軽量・安全に運搬・貯蔵することができ、燃料電池に供給する前に水に溶解するという簡単な方法で燃料電池用の液体燃料とすることができる。   As described above, the ammonia borane compound used as a fuel in the fuel cell of the present invention can be transported and stored in a solid state in a lightweight and safe manner and can be dissolved in water before being supplied to the fuel cell. It can be a liquid fuel for batteries.

また、本発明の燃料電池では、陰イオン交換膜を電解質膜として用いることにより、OH
-イオンを伝導イオンとすることができ、固体電解質におけるイオンの伝導が促進され、
しかも正極におけるNH3の放出という問題点を回避することができる。
Further, in the fuel cell of the present invention, by using an anion exchange membrane as an electrolyte membrane, OH
- ions can be a conducting ions, ion conductivity in the solid electrolyte is accelerated,
Moreover, the problem of NH 3 emission at the positive electrode can be avoided.

従って、本発明の燃料電池は、安全性が高く非常に利便性の良い燃料電池であって、高い起電力で作動する高性能の燃料電池である。   Therefore, the fuel cell of the present invention is a fuel cell that is highly safe and very convenient, and is a high-performance fuel cell that operates with high electromotive force.

以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。   The present invention will be described more specifically with reference to the following examples.

実施例1
主鎖が炭化水素系重合体からなり側鎖末端に四級アンモニウム基を含む陰イオン交換型高分子電解質をテトラヒドロフランと1-プロパノールからなる混合溶媒に溶解した溶液中に、負極触媒としての白金を加えて混合して、負極用の触媒インクを得た。この触媒インクを薄膜化させて負極用の電極シートを作製した。
Example 1
Platinum as an anode catalyst is added to a solution in which an anion exchange polymer electrolyte containing a quaternary ammonium group at the end of the side chain consisting of a hydrocarbon polymer in a mixed solvent of tetrahydrofuran and 1-propanol. In addition, mixing was performed to obtain a catalyst ink for a negative electrode. The catalyst ink was thinned to produce an electrode sheet for the negative electrode.

電解質膜として、主鎖が炭化水素系重合体からなり側鎖末端に四級アンモニウム基を有する陰イオン交換型高分子電解質膜(膜厚28μm、イオン交換容量は1.8 meq/g)を用い、該高分子電解膜の片面に上記方法で得た電極シートをホットプレスして、膜−電極接合体を得た。   As the electrolyte membrane, an anion exchange type polymer electrolyte membrane having a main chain made of a hydrocarbon polymer and having a quaternary ammonium group at the end of the side chain (film thickness 28 μm, ion exchange capacity 1.8 meq / g) is used. The electrode sheet obtained by the above method was hot pressed on one side of the polymer electrolyte membrane to obtain a membrane-electrode assembly.

また、主鎖が炭化水素系重合体からなり側鎖末端に四級アンモニウム基を含む陰イオン型高分子電解質をテトラヒドロフランと1-プロパノールからなる混合溶媒に溶解した溶液中に、正極触媒としての白金を加えて混合して、正極用の触媒インクを得た。この触媒インクを薄膜化させて正極用の電極シートを作製した後、上記した高分子電解質膜のもう一方の面にホットプレスして、膜−電極接合体を得た。この膜−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た。   In addition, platinum as a positive electrode catalyst was added to a solution in which an anionic polymer electrolyte containing a quaternary ammonium group at the end of the side chain consisting of a hydrocarbon polymer in a mixed solvent consisting of tetrahydrofuran and 1-propanol. Were added and mixed to obtain a catalyst ink for positive electrode. The catalyst ink was thinned to produce a positive electrode sheet, and then hot-pressed on the other surface of the polymer electrolyte membrane to obtain a membrane-electrode assembly. A fuel cell was assembled by sandwiching both surfaces of the membrane-electrode assembly with carbon cloth.

上記した方法で得た燃料電池セルの負極に、0.1 mol/Lのアンモニアボラン(NH3BH3)水溶液を供給し、正極に酸素を供給し、室温で燃料電池の発電性能を評価した。電流−電圧特性を図1に曲線(c)として示す。 A 0.1 mol / L ammonia borane (NH 3 BH 3 ) aqueous solution was supplied to the negative electrode of the fuel cell obtained by the above method, oxygen was supplied to the positive electrode, and the power generation performance of the fuel cell was evaluated at room temperature. The current-voltage characteristic is shown as a curve (c) in FIG.

実施例2
実施例1で作製した燃料電池セルの負極側に、0.5 mol/Lのアンモニアボラン(NH3BH3
)水溶液を供給し、正極に酸素を供給し、室温で燃料電池の発電性能を評価した。電流−電圧特性を図1に曲線(d)として示す。
Example 2
On the negative electrode side of the fuel cell produced in Example 1, 0.5 mol / L ammonia borane (NH 3 BH 3
) An aqueous solution was supplied, oxygen was supplied to the positive electrode, and the power generation performance of the fuel cell was evaluated at room temperature. The current-voltage characteristic is shown as a curve (d) in FIG.

比較例1
負極触媒として白金を用いて、陽イオン型高分子電解質の溶液(“ Nafion溶液”、ア
ルドリッチ社製)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、陽イオン交換型高分子電解質膜(“Nafion-117”、デュポン社製)の片面にホットプレスして、膜−電極接合体を得た。正極触媒として白金を用いて、陽イオン型高分子電解質の溶液と混合して触媒インクとし、薄膜化させて電極シートを作製した後、高分子電解質膜のもう一方の面にホットプレスして、膜−電極接合体を得た。この膜−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た。
Comparative Example 1
Platinum is used as the negative electrode catalyst, mixed with a cation polymer electrolyte solution (“Nafion solution”, manufactured by Aldrich) to form a catalyst ink, which is made into a thin film to produce an electrode sheet. A membrane-electrode assembly was obtained by hot pressing one side of a molecular electrolyte membrane (“Nafion-117”, manufactured by DuPont). Using platinum as the positive electrode catalyst, mixed with a solution of a cation type polymer electrolyte to form a catalyst ink, and after making the electrode sheet thin, hot press on the other surface of the polymer electrolyte membrane, A membrane-electrode assembly was obtained. A fuel cell was assembled by sandwiching both surfaces of the membrane-electrode assembly with carbon cloth.

上記した方法で得た燃料電池セルの負極に、0.1mol/Lのアンモニアボラン(NH3BH3)水溶液を供給し、正極に酸素を供給し、室温で燃料電池の発電性能を評価した。電流−電圧特性を図1に曲線(a)として示す。 A 0.1 mol / L aqueous solution of ammonia borane (NH 3 BH 3 ) was supplied to the negative electrode of the fuel cell obtained by the above method, oxygen was supplied to the positive electrode, and the power generation performance of the fuel cell was evaluated at room temperature. The current-voltage characteristics are shown as curve (a) in FIG.

比較例2
比較例1で作製した燃料電池セルの負極側に、0.5mol/Lのアンモニアボラン(NH3BH3)水溶液を供給し、正極に酸素を供給し、室温で燃料電池の発電性能を評価した。電流−電圧特性を図1に曲線(b)として示す。
Comparative Example 2
A 0.5 mol / L aqueous solution of ammonia borane (NH 3 BH 3 ) was supplied to the negative electrode side of the fuel cell produced in Comparative Example 1, oxygen was supplied to the positive electrode, and the power generation performance of the fuel cell was evaluated at room temperature. The current-voltage characteristic is shown as a curve (b) in FIG.

図1に示す電流−電圧曲線から明らかなように、電解質膜として陰イオン交換膜を用いた燃料電池に、アンモニアボランNH3BH3の水溶液を直接供給した場合(曲線(c)及び(d))には、陽イオン交換膜を電解質膜として用いた燃料電池にアンモニアボラン水溶液を供給した場合(曲線(a)及び(b))と比較すると高い性能を示すことが判る。 As is clear from the current-voltage curve shown in FIG. 1, when an aqueous solution of ammonia borane NH 3 BH 3 is directly supplied to a fuel cell using an anion exchange membrane as an electrolyte membrane (curves (c) and (d) ) Shows that the fuel cell using the cation exchange membrane as the electrolyte membrane exhibits higher performance than when the aqueous ammonia borane solution is supplied (curves (a) and (b)).

実施例1〜2及び比較例1〜2で得られた各固体高分子形燃料電池の電流−電圧特性を示すグラフ。The graph which shows the current-voltage characteristic of each polymer electrolyte fuel cell obtained in Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2.

Claims (4)

正極、負極、および該正極と該負極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、
該負極には、化学式:RNH3−n2m+1 (式中、Rは一価の炭化水素基であり、nは0〜3の整数であり、mは1又は3である。但し、2個又は3個のRが相互に結合して、窒素原子と共に含窒素環状構造を形成しても良い。)で表されるアンモニアボラ
ン化合物の水溶液が燃料として供給される
直接液体燃料型燃料電池。
A polymer electrolyte fuel cell comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte membrane disposed between the positive electrode and the negative electrode,
The electrolyte membrane is an anion exchange membrane;
The negative electrode has a chemical formula: R n NH 3 -n B m H 2m + 1 (wherein R is a monovalent hydrocarbon group, n is an integer of 0 to 3, and m is 1 or 3. However, two or three Rs may be bonded to each other to form a nitrogen-containing cyclic structure together with nitrogen atoms.) A direct liquid fuel type in which an aqueous solution of an ammonia borane compound represented by Fuel cell.
アンモニアボラン化合物が、アンモニアボラン、ジメチルアミンボラン、ジエチルアミンボラン、トリメチルアミンボラン、トリエチルアミンボラン、t-ブチルアミンボラン、アンモニアトリボラン、モルホリンボラン及びピリジンボランからなる群から選ばれた少なくとも一種の化合物である請求項1に記載の燃料電池。   The ammonia borane compound is at least one compound selected from the group consisting of ammonia borane, dimethylamine borane, diethylamine borane, trimethylamine borane, triethylamine borane, t-butylamine borane, ammonia triborane, morpholine borane and pyridine borane. 2. The fuel cell according to 1. 化学式:RNH3−n2m+1 (式中、Rは一価の炭化水素基であり、nは0〜3の整数であり、mは1又は3である。但し、2個又は3個のRが相互に結合して、窒素原子と共に含窒素環状構造を形成しても良い。)で表されるアンモニアボラン化合物の水
溶液を、陰イオン交換膜を電解質膜とする固体高分子形燃料電池の負極に供給することを特徴とする燃料電池システム。
Chemical formula: R n NH 3 -n B m H 2m + 1 (wherein R is a monovalent hydrocarbon group, n is an integer of 0 to 3, and m is 1 or 3, provided that 2 or 3 R may be bonded to each other to form a nitrogen-containing cyclic structure together with a nitrogen atom.) An aqueous solution of an ammonia borane compound represented by the following formula: a solid polymer type having an anion exchange membrane as an electrolyte membrane A fuel cell system for supplying to a negative electrode of a fuel cell.
化学式:RNH3−n2m+1 (式中、Rは一価の炭化水素基であり、nは0〜3の整数であり、mは1又は3である。但し、2個又は3個のRが相互に結合して、窒素原子と共に含窒素環状構造を形成しても良い。)で表されるアンモニアボラン化合物の水
溶液からなる、陰イオン交換膜を電解質膜とする固体高分子形燃料電池の負極に供給される液体燃料。
Chemical formula: R n NH 3 -n B m H 2m + 1 (wherein R is a monovalent hydrocarbon group, n is an integer of 0 to 3, and m is 1 or 3, provided that 2 or 3 R may be bonded to each other to form a nitrogen-containing cyclic structure together with a nitrogen atom.) A solid polymer having an anion exchange membrane as an electrolyte membrane, which is an aqueous solution of an ammonia borane compound represented by Liquid fuel supplied to the negative electrode of a fuel cell.
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