JP5272314B2 - Membrane / electrode assembly for direct methanol fuel cell and direct methanol fuel cell using the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell having, between an electrode and a cation exchange membrane, a structure for preventing a liquid fuel from moving to a cathode through the cation exchange membrane. <P>SOLUTION: In this membrane-electrode assembly for a direct methanol fuel cell formed by sandwiching the cation exchange membrane between an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer, and structured to supply methanol to the anode catalyst layer, each of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer contains a carbon material, a cation exchange resin and a catalyst. The membrane-electrode assembly is characterized by satisfying at least one of conditions such as (a) including a methanol adsorbent in the cation exchange membrane, (b) providing a layer containing a cation exchange resin and a methanol adsorbent between the anode catalyst layer and the cation exchange membrane, and (c) providing a layer containing a cation exchange resin and a methanol adsorbent between the cathode catalyst layer and the cation exchange membrane. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体およびそれを用いた直接メタノール形燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a membrane / electrode assembly for a direct methanol fuel cell and a direct methanol fuel cell using the same.

近年、環境問題や資源問題への対策が重要になっており、その対策の一つとして直接形燃料電池の開発が活発におこなわれている。特に直接メタノール形燃料電池(以降「DMFC」と略す)は、固体高分子形燃料電池(以降「PEFC」と略す)と比較して、燃料を改質、ガス化することなく直接発電に利用することができるために、システム構造がシンプルになるので、小形、かつ軽量化が容易である。   In recent years, countermeasures to environmental problems and resource problems have become important, and direct fuel cells are being actively developed as one of the countermeasures. In particular, direct methanol fuel cells (hereinafter abbreviated as “DMFC”) are used for direct power generation without reforming or gasifying the fuel, compared with solid polymer fuel cells (hereinafter abbreviated as “PEFC”). Therefore, since the system structure is simple, it is easy to reduce the size and weight.

DMFCは、陽イオン交換膜と、その陽イオン交換膜を挟んで設けたアノード電極およびカソード電極と、そのアノード電極に液体燃料を、カソード電極に空気を供給排出する流路を備えたセパレータとによって構成される。   The DMFC includes a cation exchange membrane, an anode electrode and a cathode electrode provided between the cation exchange membranes, and a separator having a flow path for supplying and discharging liquid fuel to the anode electrode and air to the cathode electrode. Composed.

DMFCでは、アノードに燃料としてメタノール水溶液を、カソードに酸化剤として酸素を供給することによって、電力が得られる。そのアノードおよびカソードでは、次のような電気化学反応がそれぞれ進行する。   In DMFC, power is obtained by supplying a methanol aqueous solution as a fuel to an anode and oxygen as an oxidant to a cathode. The following electrochemical reactions proceed at the anode and cathode, respectively.

アノード:CHOH+HO→CO+6H+6e
カソード:3/2O+6H+6e→3H
全体:CHOH+3/2O→CO+2H
このようなDMFCでは、電解質として、Nafion(Dupont社の登録商標)に代表されるパーフルオロスルホン酸を主体とする陽イオン交換膜が用いられてきた。また、アノード触媒層には、アセチレンブラック等の高比表面積の炭素粉末上にナノサイズの白金とルテニウムとを担持させた電極触媒と、撥水性を付与するためのPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)と、プロトン伝導性を付与しかつ結着剤として作用するパーフルオロスルホン酸系の陽イオン交換樹脂とを混合したものが用いられている。
Anode: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e
Cathode: 3/2 O 2 + 6H + + 6e → 3H 2 O
Overall: CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
In such DMFC, a cation exchange membrane mainly composed of perfluorosulfonic acid represented by Nafion (registered trademark of Dupont) has been used as an electrolyte. The anode catalyst layer includes an electrode catalyst in which nano-sized platinum and ruthenium are supported on a carbon powder having a high specific surface area such as acetylene black, PTFE (polytetrafluoroethylene) for imparting water repellency, and A mixture of a perfluorosulfonic acid-based cation exchange resin that imparts proton conductivity and acts as a binder is used.

カソード触媒層も基本的にアノード触媒層と同じ構成であるが、カソード触媒層ではCO被毒が生じにくいために、電極触媒として、高比表面積の炭素粉末上に白金を担持したものを用いている。   The cathode catalyst layer has basically the same structure as the anode catalyst layer, but the cathode catalyst layer is less susceptible to CO poisoning. Therefore, an electrode catalyst having platinum supported on carbon powder having a high specific surface area is used. Yes.

アノード触媒層やカソード触媒層の外側には、PTFEにより撥水性を付与したカーボンペーパーやカーボンクロスを集電体兼用のガス拡散層として配置している。さらに、ガス拡散層の外側には、燃料であるメタノール水溶液や空気の流路を備えたセパレータを配置している。   On the outside of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer, carbon paper or carbon cloth imparted with water repellency by PTFE is disposed as a gas diffusion layer also serving as a current collector. Further, a separator having a methanol aqueous solution as a fuel and an air flow path is disposed outside the gas diffusion layer.

なお、本発明においては、アノード触媒層とアノードガス拡散層とを合わせて「アノード電極」とし、同様に、カソード触媒層とカソードガス拡散層とを合わせて「カソード電極」と呼ぶことにする。   In the present invention, the anode catalyst layer and the anode gas diffusion layer are collectively referred to as “anode electrode”, and similarly, the cathode catalyst layer and the cathode gas diffusion layer are collectively referred to as “cathode electrode”.

燃料にメタノールなどの液体燃料を用いる場合、陽イオン交換膜中に形成される水分子のクラスターをメタノールなどが透過するという現象であるクロスオーバーが発生する。このとき、未反応のメタノールがカソードに透過するだけでなく、メタノールが空気中の酸素によって直接酸化(燃焼)される。このために、カソードにおける電気化学的な反応の触媒サイトが減少するとともに、酸素が消費され、過電圧が大きくなり、十分な出力が得られなくなる。   When liquid fuel such as methanol is used as the fuel, a crossover, which is a phenomenon in which methanol or the like permeates clusters of water molecules formed in the cation exchange membrane, occurs. At this time, not only unreacted methanol permeates to the cathode but also methanol is directly oxidized (burned) by oxygen in the air. For this reason, the catalytic site of the electrochemical reaction at the cathode is reduced, oxygen is consumed, the overvoltage is increased, and a sufficient output cannot be obtained.

なお、陽イオン交換膜中に形成される水分子のクラスターは、非特許文献1および非特文献2で詳細に説明されている。   The cluster of water molecules formed in the cation exchange membrane is described in detail in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2.

従来の技術では、このクロスオーバーを抑制するために、例えば特許文献1〜3に開示されているように、パーフルオロスルホン酸を主体とする陽イオン交換膜に代わる陽イオン交換膜の開発が盛んにおこなわれている。また、特許文献4には、触媒層中に液体燃料不透過物質を含浸することによって、クロスオーバーを抑制している。   In the prior art, in order to suppress this crossover, for example, as disclosed in Patent Documents 1 to 3, development of a cation exchange membrane replacing a cation exchange membrane mainly composed of perfluorosulfonic acid is actively performed. Has been done. Moreover, in patent document 4, crossover is suppressed by impregnating a liquid fuel impermeability substance in a catalyst layer.

さらに、特許文献5には、アノードまたはカソードと陽イオン交換膜との間に、カーボンナノホーンを含むクロスオーバー制限透過層を備えることが開示されている。
特開2005−005134号公報 特開2005−032454号公報 特開2006−031970号公報 特開2005−251405号公報 特許第3780971号公報 T.D.Gierke and W.Y.Hsu Perfluo rinated Ionomer Membranes ed.by A.Eise nberg H.L.Yeager ACS Symposium serie s 180,American Chemical Society,Washin gtonD.C.,(1982)
Furthermore, Patent Document 5 discloses that a crossover limited transmission layer containing carbon nanohorns is provided between an anode or a cathode and a cation exchange membrane.
JP 2005-005134 A JP 2005-032454 A JP 2006-031970 A JP 2005-251405 A Japanese Patent No. 3780971 T. T. et al. D. Gierke and W. Y. Hsu Perfluorinated Ionomer Membranes ed. by A. Eise enberg H. L. Yeager ACS Symposium series 180, American Chemical Society, WashintonD. C. , (1982)

燃料電池の燃料にメタノールなどの液体燃料を用いて十分な出力を得るためには、クロスオーバーを抑制する必要がある。しかし、特許文献1〜3に開示された陽イオン交換膜を用いた場合、これらの陽イオン交換膜は、触媒層との接着性が劣るために、内部抵抗が上昇することによって、過電圧が大きくなり、十分な出力特性が得られないという問題があった。さらに、特許文献1〜3で開示された陽イオン交換膜は、その耐久性が低いという問題があった。   In order to obtain a sufficient output using a liquid fuel such as methanol as the fuel of the fuel cell, it is necessary to suppress crossover. However, when the cation exchange membranes disclosed in Patent Documents 1 to 3 are used, these cation exchange membranes have poor adhesion to the catalyst layer, so that the internal resistance increases, resulting in a large overvoltage. Therefore, there is a problem that sufficient output characteristics cannot be obtained. Furthermore, the cation exchange membrane disclosed in Patent Documents 1 to 3 has a problem that its durability is low.

また、特許文献4で開示された技術では、液体燃料が拡散する空孔に液体燃料不透過物質を含浸しているために、燃料の拡散性が低下することによって、過電圧が大きくなり、十分な出力が得られない可能性がある。   Further, in the technique disclosed in Patent Document 4, since the liquid fuel impervious substance is impregnated in the holes where the liquid fuel diffuses, the diffusibility of the fuel decreases, so that the overvoltage becomes large and sufficient. Output may not be obtained.

さらに、特許文献5で開示された技術では、カーボンナノホーンがきわめて高価であり、工業的には利用できないという問題があった。   Further, the technique disclosed in Patent Document 5 has a problem that carbon nanohorns are extremely expensive and cannot be used industrially.

DMFCの特性を向上させるためには、液体燃料のアノード電極中での拡散性が高く、かつ電極反応によって生じたプロトンの伝導性が高いことに加えて、燃料物質が陽イオン交換膜中をカソードに移動することを抑制することが必要不可欠である。   In order to improve the characteristics of the DMFC, in addition to the high diffusivity of the liquid fuel in the anode electrode and the high conductivity of the protons generated by the electrode reaction, the fuel material passes through the cation exchange membrane in the cathode. It is indispensable to suppress the movement.

そこで本発明の目的は、アノードにおける燃料の拡散性およびプロトン伝導性を損なうことなく、液体燃料が陽イオン交換膜を通してカソードへ移動することを抑制するための構造を電極と陽イオン交換膜との間に有するDMFC用膜/電極接合体(以下では「膜/電極接合体」を「MEA」と略す)およびそのMEAを用いたDMFCを提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to provide a structure for suppressing liquid fuel from moving to the cathode through the cation exchange membrane without impairing the diffusibility and proton conductivity of the fuel in the anode. An object of the present invention is to provide a DMFC membrane / electrode assembly (hereinafter, “membrane / electrode assembly” is abbreviated as “MEA”) and a DMFC using the MEA.

請求項1の発明は、陽イオン交換膜をアノード触媒層とカソード触媒層とで挟持し、前記アノード触媒層にメタノールが供給される直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体において、前記アノード触媒層および前記カソード触媒層は炭素材料と陽イオン交換樹脂と触媒とを含み、(b)前記アノード触媒層と前記陽イオン交換膜との間に陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤とを含む層、または(c)前記カソード触媒層と前記陽イオン交換膜との間に陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤とを含む層を備え、
アノード触媒層と陽イオン交換膜との間またはカソード触媒層と陽イオン交換膜との間に備えた、陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤とを含む層の厚さが30〜100μmの範囲にあり、かつ、前記(b)又は前記(c)は、炭素材料を含むことを特徴とする。
The invention according to claim 1 is a membrane / electrode assembly for a direct methanol fuel cell in which a cation exchange membrane is sandwiched between an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer, and methanol is supplied to the anode catalyst layer. And the cathode catalyst layer includes a carbon material, a cation exchange resin, and a catalyst, and (b) a layer that includes a cation exchange resin and a methanol adsorbent between the anode catalyst layer and the cation exchange membrane, Or (c) a layer containing a cation exchange resin and a methanol adsorbent between the cathode catalyst layer and the cation exchange membrane;
The thickness of the layer containing the cation exchange resin and the methanol adsorbent provided between the anode catalyst layer and the cation exchange membrane or between the cathode catalyst layer and the cation exchange membrane is in the range of 30 to 100 μm. And (b) or (c) includes a carbon material.

請求項2の発明は、陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤とを含む層に含まれるメタノール吸着剤の陽イオン交換樹脂に対する割合が、10質量%以上200質量%以下である。 In the invention of claim 2, the ratio of the methanol adsorbent contained in the layer containing the cation exchange resin and the methanol adsorbent to the cation exchange resin is from 10% by mass to 200% by mass.

請求項3の発明は、直接メタノール形燃料電池に、請求項1または2に記載の直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体を用いることを特徴とする。   The invention of claim 3 is characterized in that the membrane / electrode assembly for a direct methanol fuel cell according to claim 1 or 2 is used for a direct methanol fuel cell.

本発明のDMFC用MEAを用いたDMFCでは、アノード触媒層中の燃料の拡散性を維持したまま燃料のクロスオーバーを抑制できる。すなわち、(a)陽イオン交換膜中にメタノール吸着剤を含ませる、(b)アノード触媒層と陽イオン交換膜との間に陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤とを含む層を備える、(c)カソード触媒層と陽イオン交換膜との間に陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤とを含む層を備える、の少なくとも一つの条件を満たすことで、アノード触媒層を透過してきた未反応のメタノールがカソード側へ透過することを抑制することが可能となる。なお、以下では、メタノール吸着剤を含む(a)、(b)、(c)の各層を「メタノール透過抑制層」とする。   In the DMFC using the DMFC MEA of the present invention, fuel crossover can be suppressed while maintaining the diffusibility of the fuel in the anode catalyst layer. That is, (a) a methanol adsorbent is contained in the cation exchange membrane, (b) a layer containing a cation exchange resin and a methanol adsorbent is provided between the anode catalyst layer and the cation exchange membrane. ) By providing at least one condition of comprising a layer containing a cation exchange resin and a methanol adsorbent between the cathode catalyst layer and the cation exchange membrane, unreacted methanol that has permeated the anode catalyst layer Permeation to the cathode side can be suppressed. Hereinafter, the layers (a), (b), and (c) containing the methanol adsorbent are referred to as “methanol permeation suppression layers”.

加えて、メタノール透過抑制層中に含まれるメタノール吸着剤がその未反応メタノールを吸収するので、クロスオーバーをより抑制することが可能となる。   In addition, since the methanol adsorbent contained in the methanol permeation suppression layer absorbs the unreacted methanol, crossover can be further suppressed.

また、アノード触媒層と陽イオン交換膜との間またはカソード触媒層と陽イオン交換膜との間に備えるメタノール透過抑制層中は、陽イオン交換樹脂を含んでいるので、プロトン伝導性が低下しないので、DMFCの出力に影響をおよぼすことはほとんどない。さらに、アノード触媒層は、従来のままであるために、その触媒層中の燃料の拡散性は維持される。   In addition, the methanol permeation suppression layer provided between the anode catalyst layer and the cation exchange membrane or between the cathode catalyst layer and the cation exchange membrane contains a cation exchange resin, so that proton conductivity does not decrease. Therefore, it hardly affects the output of DMFC. Furthermore, since the anode catalyst layer remains the same, the diffusibility of the fuel in the catalyst layer is maintained.

このように、陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤とを含むメタノール透過抑制層を備えることによって、アノード触媒層中の燃料の拡散性、およびプロトン伝導性を低下させることなくクロスオーバーの抑制ができる。その結果、クロスオーバーが従来のDMFCにくらべて著しく抑制されたDMFCを提供することが可能となる。   Thus, by providing the methanol permeation suppression layer containing the cation exchange resin and the methanol adsorbent, crossover can be suppressed without reducing the diffusibility of the fuel in the anode catalyst layer and the proton conductivity. As a result, it is possible to provide a DMFC in which the crossover is significantly suppressed as compared with the conventional DMFC.

さらに、(b)アノード触媒層と陽イオン交換膜との間に陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤とを含む層を備える、(c)カソード触媒層と陽イオン交換膜との間に陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤とを含む層を備える、の少なくとも一つの条件を満たし、かつ、陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤とを含む層の厚さが30〜100μmの範囲とすることで、DMFCの特性を低下させることなく、アノード触媒層を透過してきた未反応のメタノールがカソード側へ透過することを抑制することが可能となり、また、アノード触媒層中の燃料の拡散性およびプロトン伝導性を低下させることなくクロスオーバーの抑制ができる。その結果、DMFCの特性を低下させることなくクロスオーバーが従来のDMFCにくらべて著しく抑制されたDMFCを提供することが可能となる。   And (b) a layer containing a cation exchange resin and a methanol adsorbent between the anode catalyst layer and the cation exchange membrane, and (c) a cation exchange between the cathode catalyst layer and the cation exchange membrane. By satisfying at least one of the conditions including a layer containing a resin and a methanol adsorbent, and the thickness of the layer containing the cation exchange resin and the methanol adsorbent within a range of 30 to 100 μm, It is possible to suppress the unreacted methanol that has permeated the anode catalyst layer from permeating to the cathode side without degrading the characteristics, and also reduce the diffusibility and proton conductivity of the fuel in the anode catalyst layer. Crossover can be suppressed without causing As a result, it is possible to provide a DMFC in which the crossover is significantly suppressed as compared with the conventional DMFC without degrading the characteristics of the DMFC.

以下、本発明の実施形態により本願発明について詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail according to embodiments of the present invention.

本発明は、陽イオン交換膜をアノード触媒層とカソード触媒層とで挟持し、前記アノード触媒層にメタノールが供給される直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体において、(a)前記陽イオン交換膜中にメタノール吸着剤を含ませる、(b)前記アノード触媒層と前記陽イオン交換膜との間に陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤とを含む層を備える、(c)前記カソード触媒層と前記陽イオン交換膜との間に陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤とを含む層を備える、の少なくとも一つの条件を満たすことを特徴とする。   The present invention provides a membrane / electrode assembly for a direct methanol fuel cell in which a cation exchange membrane is sandwiched between an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer, and methanol is supplied to the anode catalyst layer. (C) The cathode catalyst layer, comprising a layer containing a cation exchange resin and a methanol adsorbent between the anode catalyst layer and the cation exchange membrane. And a layer containing a cation exchange resin and a methanol adsorbent between the cation exchange membrane and the cation exchange membrane.

すなわち、本発明において、(a)は、陽イオン交換膜中にメタノール吸着剤を含ませて、陽イオン交換膜自体を「メタノール透過抑制層」とするものであり、(b)はアノード触媒層と前記陽イオン交換膜との間に「メタノール透過抑制層」を備えるものであり、(c)はカソード触媒層と前記陽イオン交換膜との間に「メタノール透過抑制層」を備えるものである。なお、本発明においては、(a)、(b)、(c)のいずれか一つを満たせばよいが、例えば(a)と(b)を同時に満たすなど、2つ以上の条件を満たしてもよい。   That is, in the present invention, (a) includes a methanol adsorbent in a cation exchange membrane, and the cation exchange membrane itself is used as a “methanol permeation suppression layer”, and (b) is an anode catalyst layer. And (c) is provided with a “methanol permeation suppression layer” between the cathode catalyst layer and the cation exchange membrane. . In the present invention, any one of (a), (b), and (c) may be satisfied, but two or more conditions are satisfied, for example, (a) and (b) are satisfied simultaneously. Also good.

ただし、その場合、(b)と(c)のメタノール透過抑制層の両方の合計厚さが30〜100μmの範囲とすることが好ましい。本発明のメタノール透過抑制層の厚さが30μmよりも薄い場合は、メタノールの透過抑制効果が小さく、特性が低下する。また、メタノール透過抑制層の厚さが100μmよりも厚い場合は、メタノールの透過抑制効果は大きくなるが、プロトン伝導経路が長くなるために、特性が低下する。   However, in that case, it is preferable that the total thickness of both the methanol permeation suppression layers (b) and (c) be in the range of 30 to 100 μm. When the thickness of the methanol permeation suppression layer of the present invention is less than 30 μm, the permeation suppression effect of methanol is small and the characteristics are degraded. Moreover, when the thickness of the methanol permeation suppression layer is thicker than 100 μm, the permeation suppression effect of methanol is increased, but the proton conduction path is lengthened, and the characteristics are deteriorated.

本発明の直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体を、図面に基づいて説明する。図1〜図7は、本発明の直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体の断面の模式図であり、図8は従来の直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体の断面の模式図である。なお、図1〜図8において、1は陽イオン交換膜、2はアノード触媒層、3はカソード触媒層、4はアノード側ガス拡散層、5はカソード側ガス拡散層、6はメタノール吸着剤、7はアノード触媒層と陽イオン交換膜との間に備えたメタノール透過抑制層、8はカソード触媒層と陽イオン交換膜との間に設けたメタノール透過抑制層である。   The membrane / electrode assembly for a direct methanol fuel cell of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 7 are schematic views of a cross section of a membrane / electrode assembly for a direct methanol fuel cell of the present invention, and FIG. 8 is a schematic view of a cross section of a conventional membrane / electrode assembly for a direct methanol fuel cell. It is. 1 to 8, 1 is a cation exchange membrane, 2 is an anode catalyst layer, 3 is a cathode catalyst layer, 4 is an anode side gas diffusion layer, 5 is a cathode side gas diffusion layer, 6 is a methanol adsorbent, 7 is a methanol permeation suppression layer provided between the anode catalyst layer and the cation exchange membrane, and 8 is a methanol permeation suppression layer provided between the cathode catalyst layer and the cation exchange membrane.

図8は従来の直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体を示し、陽イオン交換膜1の両面にアノード触媒層2およびカソード触媒層3を接合し、アノード触媒層にはアノード側ガス拡散層4が設けられ、カソード触媒層3にはカソード側ガス拡散層5が設けられている。そして、陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤とを含むメタノール透過抑制層は備えられていない。   FIG. 8 shows a conventional membrane / electrode assembly for a direct methanol fuel cell, in which an anode catalyst layer 2 and a cathode catalyst layer 3 are joined to both surfaces of a cation exchange membrane 1, and an anode side gas diffusion layer is joined to the anode catalyst layer. 4 is provided, and the cathode catalyst layer 3 is provided with a cathode side gas diffusion layer 5. And the methanol permeation suppression layer containing a cation exchange resin and a methanol adsorbent is not provided.

図1は、陽イオン交換膜中にメタノール吸着剤を含ませて、陽イオン交換膜自体を「メタノール透過抑制層」とした、本発明の直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体を示したもので、陽イオン交換膜1の中にメタノール吸着剤6を含ませたもので、アノード触媒層と陽イオン交換膜との間およびカソード触媒層と陽イオン交換膜との間にはメタノール透過抑制層は備えていない。この例は、本発明の条件(a)を満たすものである。   FIG. 1 shows a membrane / electrode assembly for a direct methanol fuel cell according to the present invention in which a methanol adsorbent is contained in a cation exchange membrane and the cation exchange membrane itself is a “methanol permeation suppression layer”. The cation exchange membrane 1 contains a methanol adsorbent 6 and suppresses methanol permeation between the anode catalyst layer and the cation exchange membrane and between the cathode catalyst layer and the cation exchange membrane. There is no layer. This example satisfies the condition (a) of the present invention.

図2は、アノード触媒層と陽イオン交換膜との間に「メタノール透過抑制層」を備えた、本発明の直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体を示したもので、陽イオン交換膜1とアノード触媒層2との間に、陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤6とを含むメタノール透過抑制層7を設けたもので、陽イオン交換膜1の中にはメタノール吸着剤は含まず、また、陽イオン交換膜1とカソード触媒層3との間にはメタノール透過抑制層は備えていない。この例は、本発明の条件(b)を満たすものである。   FIG. 2 shows a membrane / electrode assembly for a direct methanol fuel cell according to the present invention having a “methanol permeation suppression layer” between an anode catalyst layer and a cation exchange membrane. 1 and the anode catalyst layer 2 are provided with a methanol permeation suppression layer 7 containing a cation exchange resin and a methanol adsorbent 6, and the cation exchange membrane 1 does not contain a methanol adsorbent, Further, no methanol permeation suppression layer is provided between the cation exchange membrane 1 and the cathode catalyst layer 3. This example satisfies the condition (b) of the present invention.

図3は、カソード触媒層と陽イオン交換膜との間に「メタノール透過抑制層」を備えた、本発明の直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体を示したもので、陽イオン交換膜1とカソード触媒層3との間に、陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤6とを含むメタノール透過抑制層8を設けたもので、陽イオン交換膜1の中にはメタノール吸着剤は含まず、また、陽イオン交換膜1とアノード触媒層2との間にはメタノール透過抑制層は備えていない。この例は、本発明の条件(c)を満たすものである。   FIG. 3 shows a membrane / electrode assembly for a direct methanol fuel cell according to the present invention having a “methanol permeation suppression layer” between a cathode catalyst layer and a cation exchange membrane. 1 and a cathode catalyst layer 3 are provided with a methanol permeation suppression layer 8 containing a cation exchange resin and a methanol adsorbent 6, and the cation exchange membrane 1 does not contain a methanol adsorbent, Further, no methanol permeation suppression layer is provided between the cation exchange membrane 1 and the anode catalyst layer 2. This example satisfies the condition (c) of the present invention.

図4は、アノード触媒層と陽イオン交換膜との間およびカソード触媒層と陽イオン交換膜との間に「メタノール透過抑制層」を備えた、本発明の直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体を示したもので、陽イオン交換膜1とアノード触媒層2との間に陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤6とを含むメタノール透過抑制層7を設け、さらに、陽イオン交換膜1とカソード触媒層3との間に陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤6とを含むメタノール透過抑制層8を設けたもので、陽イオン交換膜1の中にはメタノール吸着剤は含んでいない。この例は、本発明の条件(b)と(c)を満たすものである。   FIG. 4 shows a membrane / electrode for a direct methanol fuel cell according to the present invention having a “methanol permeation suppression layer” between the anode catalyst layer and the cation exchange membrane and between the cathode catalyst layer and the cation exchange membrane. A joined body is shown, and a methanol permeation suppression layer 7 including a cation exchange resin and a methanol adsorbent 6 is provided between the cation exchange membrane 1 and the anode catalyst layer 2, and the cation exchange membrane 1 A methanol permeation suppression layer 8 including a cation exchange resin and a methanol adsorbent 6 is provided between the cathode catalyst layer 3 and the cation exchange membrane 1 does not contain a methanol adsorbent. This example satisfies the conditions (b) and (c) of the present invention.

図5は、陽イオン交換膜中にメタノール吸着剤を含ませ、さらに、アノード触媒層と陽イオン交換膜との間に「メタノール透過抑制層」を備えた、本発明の直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体を示したもので、陽イオン交換膜1の中にメタノール吸着剤6を含ませ、陽イオン交換膜1とアノード触媒層2との間に、陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤6とを含むメタノール透過抑制層7を設けたもので、陽イオン交換膜1とカソード触媒層3との間にはメタノール透過抑制層は備えていない。この例は、本発明の条件(a)と(b)を満たすものである。   FIG. 5 shows a direct methanol fuel cell according to the present invention in which a methanol adsorbent is contained in a cation exchange membrane and a “methanol permeation suppression layer” is provided between the anode catalyst layer and the cation exchange membrane. 1 shows a membrane / electrode assembly, a cation exchange membrane 1 containing a methanol adsorbent 6, and a cation exchange resin and a methanol adsorbent between the cation exchange membrane 1 and the anode catalyst layer 2. 6 is provided with a methanol permeation suppression layer 7, and no methanol permeation suppression layer is provided between the cation exchange membrane 1 and the cathode catalyst layer 3. This example satisfies the conditions (a) and (b) of the present invention.

図6は、陽イオン交換膜中にメタノール吸着剤を含ませ、さらに、カソード触媒層と陽イオン交換膜との間に「メタノール透過抑制層」を備えた、本発明の直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体を示したもので、陽イオン交換膜1の中にメタノール吸着剤6を含ませ、陽イオン交換膜1とカソード触媒層3との間に、陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤6とを含むメタノール透過抑制層8を設けたもので、陽イオン交換膜1とアノード触媒層2との間にはメタノール透過抑制層は備えていない。この例は、本発明の条件(a)と(c)を満たすものである。   FIG. 6 shows a direct methanol fuel cell according to the present invention in which a methanol adsorbent is contained in a cation exchange membrane and a “methanol permeation suppression layer” is provided between the cathode catalyst layer and the cation exchange membrane. 1 shows a membrane / electrode assembly, a cation exchange membrane 1 containing a methanol adsorbent 6 and a cation exchange resin and a methanol adsorbent between the cation exchange membrane 1 and the cathode catalyst layer 3. 6 and a methanol permeation suppression layer 8 is provided, and no methanol permeation suppression layer is provided between the cation exchange membrane 1 and the anode catalyst layer 2. This example satisfies the conditions (a) and (c) of the present invention.

図7は、陽イオン交換膜中にメタノール吸着剤を含ませ、アノード触媒層と陽イオン交換膜との間およびカソード触媒層と陽イオン交換膜との間に「メタノール透過抑制層」を備えた、本発明の直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体を示したもので、陽イオン交換膜1の中にメタノール吸着剤6を含ませ、陽イオン交換膜1とアノード触媒層2との間に陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤6とを含むメタノール透過抑制層7を設け、陽イオン交換膜1とカソード触媒層3との間に陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤6とを含むメタノール透過抑制層8を設けたものである。この例は、本発明の条件(a)、(b)、(c)を満たすものである。   FIG. 7 shows that a methanol adsorbent was included in the cation exchange membrane, and a “methanol permeation suppression layer” was provided between the anode catalyst layer and the cation exchange membrane and between the cathode catalyst layer and the cation exchange membrane. 1 shows a membrane / electrode assembly for a direct methanol fuel cell according to the present invention, in which a methanol adsorbent 6 is contained in the cation exchange membrane 1 and the cation exchange membrane 1 and the anode catalyst layer 2 are Is provided with a methanol permeation suppression layer 7 containing a cation exchange resin and a methanol adsorbent 6, and methanol permeation suppression containing a cation exchange resin and a methanol adsorbent 6 between the cation exchange membrane 1 and the cathode catalyst layer 3. Layer 8 is provided. This example satisfies the conditions (a), (b), and (c) of the present invention.

本発明において、メタノール透過抑制層の厚さは30〜100μmとすることが好ましい。具体的には、図2および図5のアノード触媒層と陽イオン交換膜との間に備えたメタノール透過抑制層7の厚さがこの範囲にあり、図3および図6のカソード触媒層と陽イオン交換膜との間に備えたメタノール透過抑制層8の厚さがこの範囲にあり、図2および図5のアノード触媒層と陽イオン交換膜との間に備えたメタノール透過抑制層7の厚さがこの範囲にあり、図4および図7のアノード触媒層と陽イオン交換膜との間に備えたメタノール透過抑制層7の厚さとカソード触媒層と陽イオン交換膜との間に備えたメタノール透過抑制層8の厚さの合計がこの範囲にあることが好ましい。   In the present invention, the thickness of the methanol permeation suppression layer is preferably 30 to 100 μm. Specifically, the thickness of the methanol permeation suppression layer 7 provided between the anode catalyst layer and the cation exchange membrane in FIGS. 2 and 5 is in this range, and the cathode catalyst layer and the positive catalyst layer in FIGS. The thickness of the methanol permeation suppression layer 8 provided between the ion exchange membrane is in this range, and the thickness of the methanol permeation suppression layer 7 provided between the anode catalyst layer and the cation exchange membrane of FIGS. In this range, the thickness of the methanol permeation suppression layer 7 provided between the anode catalyst layer and the cation exchange membrane of FIGS. 4 and 7 and the methanol provided between the cathode catalyst layer and the cation exchange membrane. The total thickness of the permeation suppression layer 8 is preferably within this range.

ここで、メタノール吸着剤とは、メタノールを水素結合やファンデルワールス力などに代表される共有結合以外の比較的弱い相互作用によって結合するものである。また、この吸着剤は、メタノールとの接触反応によって容易に結合することができ、安定に吸着することができる。   Here, the methanol adsorbent binds methanol by a relatively weak interaction other than a covalent bond typified by hydrogen bond or van der Waals force. Moreover, this adsorbent can be easily combined by a catalytic reaction with methanol and can be adsorbed stably.

本発明に使用できるメタノール吸着剤としては、1、1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1、1、2、2−テトラキス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、1、1、2、2−テトラキス(4−ヒドロキシフェニル)エチレンのようなフェノール系ホスト化合物、ジフェン酸ビス(ジシクロヘキシルアミド)、フマル酸ビスジシクロヘキシルアミドのようなアミド系ホスト化合物、2−(m−シアノフェニル)フェナントロ[9、10−d]イミダゾールのようなイミダゾール系ホスト化合物が包接能力の面で優れており、特に、1、1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンのようなフェノール系ホスト化合物が工業的に使用しやすい点で好ましい。   The methanol adsorbent that can be used in the present invention is 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane, 1,1,2,2-tetrakis (4-hydroxyphenyl) ethane, 1,1,2,2-tetrakis. Phenolic host compounds such as (4-hydroxyphenyl) ethylene, amide based host compounds such as diphenic acid bis (dicyclohexylamide) and fumaric acid bisdicyclohexylamide, 2- (m-cyanophenyl) phenanthro [9,10- d] An imidazole host compound such as imidazole is excellent in terms of inclusion ability, and in particular, a phenol host compound such as 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane is industrially easy to use. Is preferable.

上述のメタノール吸着剤は、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。また、上述のメタノール吸着剤に含有できるメタノールの量は、特に制限はないが、通常の場合、吸着剤に対して10〜80質量%程度である。   The above-mentioned methanol adsorbents may be used alone or in combination of two or more. Further, the amount of methanol that can be contained in the above methanol adsorbent is not particularly limited, but is usually about 10 to 80% by mass with respect to the adsorbent.

本発明の、陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤とを含むメタノール透過抑制層において、陽イオン交換樹脂の重量に対するメタノール吸着剤の重量の割合(以下では「メタノール吸着剤/陽イオン交換樹脂割合」とする)は、10質量%以上、200質量%以下とすることが好ましい。メタノール吸着剤/陽イオン交換樹脂割合が10質量%よりも小さくなると、メタノール透過抑制層中に含まれるメタノール吸着剤の量が少なくなるために、メタノール透過抑制効果が低下する。また、メタノール吸着剤/陽イオン交換樹脂割合が200質量%よりも大きくなると、絶縁体であるメタノール吸着剤の量が多くなりすぎるために、メタノール透過抑制層のプロトン伝導性が低下するので、出力が低下する。   In the methanol permeation suppression layer of the present invention containing a cation exchange resin and a methanol adsorbent, the ratio of the weight of the methanol adsorbent to the weight of the cation exchange resin (hereinafter referred to as “methanol adsorbent / cation exchange resin ratio”) Is preferably 10% by mass or more and 200% by mass or less. When the ratio of the methanol adsorbent / cation exchange resin is smaller than 10% by mass, the amount of methanol adsorbent contained in the methanol permeation suppression layer is reduced, so that the methanol permeation suppression effect is reduced. Also, if the methanol adsorbent / cation exchange resin ratio is greater than 200% by mass, the amount of methanol adsorbent that is an insulator will increase so much that the proton conductivity of the methanol permeation suppression layer will decrease. Decreases.

本発明のDMFC用MEAのアノード触媒層およびカソード触媒層に使用できる炭素材料は、電子伝導性が高いものが好ましく、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック以外に、気相成長炭素、活性炭や黒鉛などが使用できる。   The carbon material that can be used for the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer of the DMFC MEA of the present invention is preferably one having high electron conductivity. In addition to carbon black such as furnace black, channel black, and acetylene black, vapor grown carbon, Activated carbon or graphite can be used.

また、本発明のメタノール透過抑制層には、その層の厚さを制御するために、炭素材料などを添加することができる。炭素材料としては、アノード触媒層やカソード触媒層に使用するのと同じ炭素材料を使用することができる。   In addition, a carbon material or the like can be added to the methanol permeation suppression layer of the present invention in order to control the thickness of the layer. As the carbon material, the same carbon material as that used for the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer can be used.

また、本発明のメタノール透過抑制層には、必要に応じてPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)やFEP(フルオロエチレンプロピレン)など撥水材料や結着剤を使用するとこともできる。撥水材料を使用することによって、アノードからカソードへの水の透過を低減されるために、カソードにおけるフラッディングを抑制することができる。   In addition, a water repellent material such as PTFE (polytetrafluoroethylene) or FEP (fluoroethylenepropylene) or a binder may be used in the methanol permeation suppression layer of the present invention as necessary. By using the water repellent material, the water permeation from the anode to the cathode is reduced, so that flooding at the cathode can be suppressed.

本発明のDMFC用MEAのアノード触媒層およびカソード触媒層に使用することができる陽イオン交換樹脂および陽イオン交換膜としては、パーフルオロカーボンスルホン酸形、スチレン−ジビニルベンゼン系のスルホン酸形陽イオン交換樹脂、またはイオン交換基としてカルボン酸基、ホスホン酸基およびリン酸基を備えた陽イオン交換樹脂が好ましい。   Examples of the cation exchange resin and cation exchange membrane that can be used in the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer of the MEA for DMFC of the present invention include perfluorocarbon sulfonic acid type and styrene-divinylbenzene sulfonic acid type cation exchange. A resin or a cation exchange resin having a carboxylic acid group, a phosphonic acid group and a phosphoric acid group as ion exchange groups is preferred.

本発明のDMFC用MEAのアノード触媒層およびカソード触媒層に使用できるアノードおよびカソードの触媒金属としては、メタノールの酸化反応および酸素の還元反応に触媒作用を有するものが好ましく、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウムなどの白金族金属、またはそれらの合金から選択することができる。   The anode and cathode catalyst metals that can be used in the anode catalyst layer and cathode catalyst layer of the MEA for DMFC of the present invention are preferably those having a catalytic action in the oxidation reaction of methanol and the reduction reaction of oxygen, such as platinum, ruthenium, iridium, It can be selected from platinum group metals such as rhodium, palladium, osmium, or alloys thereof.

DMFCのアノード電極には燃料としてメタノールが供給されるが、メタノールが分解してHとCOが生成する際、同時に微量のCOが生成し、このCOはPt触媒の表面を被毒するので、触媒活性が大幅に低下する。そこで、アノード電極の触媒層には、Pt触媒に代えて、CO被毒による水素の酸化反応に対する活性の低下を抑制できるPt−Ru合金を用いることが好ましい。 Methanol is supplied to the anode electrode of the DMFC as fuel, but when methanol decomposes to produce H 2 and CO 2 , a small amount of CO is produced at the same time, and this CO poisons the surface of the Pt catalyst. The catalytic activity is greatly reduced. Therefore, it is preferable to use a Pt—Ru alloy that can suppress a decrease in activity against the oxidation reaction of hydrogen due to CO poisoning, instead of the Pt catalyst, for the catalyst layer of the anode electrode.

本発明のDMFC用MEAの触媒層は、触媒金属材料、陽イオン交換樹脂、炭素材料などから構成されるものであり、必要に応じてPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)やFEP(フルオロエチレンプロピレン)など撥水材料や結着剤を使用するとこともできる。陽イオン交換樹脂を触媒層内に分散させる方法としては、上記触媒層の構成材料を混合、成形する方法やあらかじめ陽イオン交換樹脂以外の構成材料を混合、成形したのちに、陽イオン交換樹脂を含浸する方法などが挙げられる。   The catalyst layer of the MEA for DMFC of the present invention is composed of a catalytic metal material, a cation exchange resin, a carbon material, and the like, and if necessary, PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (fluoroethylenepropylene), etc. It is also possible to use a water repellent material or a binder. As a method of dispersing the cation exchange resin in the catalyst layer, a method of mixing and forming the constituent materials of the catalyst layer or a method of mixing and forming the constituent materials other than the cation exchange resin in advance, The method of impregnation etc. is mentioned.

本発明で得られたDMFC用MEAをDMFCで使用する場合には、MEAのアノードおよびカソードの外側にカーボンペーパーやカーボンクロスのような導電性多孔質基材からなるガス拡散層を配置することが好ましい。MEAのカソードおよびアノードには、それぞれ、メタノール水溶液および酸素を含むガスが供給される。具体的には、水溶液やガスの流路となる溝が形成されたセパレータをMEAの両電極の外側に配置して、流路に水溶液やガスを流すことによって、MEAに燃料となるガスや水溶液を供給する。   When the DMFC MEA obtained in the present invention is used in a DMFC, a gas diffusion layer made of a conductive porous substrate such as carbon paper or carbon cloth may be disposed outside the anode and cathode of the MEA. preferable. A gas containing an aqueous methanol solution and oxygen is supplied to the cathode and anode of the MEA, respectively. Specifically, a gas or aqueous solution serving as a fuel is supplied to the MEA by disposing a separator formed with a groove to be a flow path for the aqueous solution or gas outside the both electrodes of the MEA and flowing the aqueous solution or gas through the flow channel. Supply.

以下、好適な実施例を用いて、本発明を説明する。   Hereinafter, the present invention will be described using preferred embodiments.

[実施例1〜12および比較例1、2]
[実施例1]
アノードの触媒層は、以下の手順で製作した。白金−ルテニウム触媒担持カーボン(田中貴金属工業社製、白金30.5質量%、ルテニウム23.5質量%)1.0gとスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換樹脂(Aldrich社製、5質量%溶液)6.7gと撥水剤(三井・デュポンフロロケミカル社製、PTFE、60質量%分散液)0.5gと精製水8.0gとを秤量したのちに攪拌棒で混合し、さらに、遊星ボールミルを用いて混練することによって、アノード触媒層用スラリーを調製した。
[Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 and 2]
[Example 1]
The anode catalyst layer was prepared by the following procedure. Cation exchange resin (manufactured by Aldrich) consisting of 1.0 g of platinum-ruthenium catalyst-supported carbon (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., 30.5 mass% platinum, 23.5 mass% ruthenium) and a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group. 6.7 g of a 5% by mass solution), 0.5 g of a water repellent (Mitsui / DuPont Fluorochemicals, PTFE, 60% by mass dispersion) and 8.0 g of purified water were weighed and mixed with a stir bar. Furthermore, an anode catalyst layer slurry was prepared by kneading using a planetary ball mill.

つぎに、一辺5cmの正方形に切り出したカーボンペーパー(東レ社製、厚さ300μm)を撥水剤(三井・デュポンフロロケミカル社製、PTFE、5質量%分散液)に含浸し、乾燥したのちに、360℃で焼成することによって、撥水性を施したカーボンペーパーを得た。このカーボンペーパーをガス拡散層として用いた。   Next, after impregnating carbon paper (made by Toray Industries, Inc., 300 μm thick) cut into a square with a side of 5 cm in a water repellent (Mitsui / DuPont Fluoro Chemical Co., PTFE, 5 mass% dispersion) and drying it. By baking at 360 ° C., carbon paper with water repellency was obtained. This carbon paper was used as a gas diffusion layer.

このカーボンペーパーの片面に上記アノード触媒層用スラリーをスプレー塗工機で塗布・乾燥することによって、アノード触媒層を形成した。このアノード触媒層の触媒担持量は、3.0mg(Pt−Ru)/cmであった。このようにして得た、カーボンペーパーの片面にアノード触媒層を形成したものをアノード電極とした。 The anode catalyst layer slurry was applied to one side of the carbon paper by a spray coater and dried to form an anode catalyst layer. The amount of catalyst supported on the anode catalyst layer was 3.0 mg (Pt—Ru) / cm 2 . A carbon paper having an anode catalyst layer formed on one side was obtained as an anode electrode.

メタノール透過抑制層は、以下の手順で製作した。陽イオン交換樹脂(Aldrich社製、5質量%溶液)20.0gとメタノール吸着剤(栗田工業社製、1、1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン)0.5gとを秤量したのちに攪拌棒で混合し、さらに、遊星ボールミルを用いて混練することによって、メタノール透過抑制層用スラリーを調整した。このスラリーには、陽イオン交換樹脂が1.0g含まれている。   The methanol permeation suppression layer was manufactured by the following procedure. Stir after weighing 20.0 g of cation exchange resin (manufactured by Aldrich, 5 mass% solution) and 0.5 g of methanol adsorbent (manufactured by Kurita Kogyo Co., Ltd., 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane). The slurry for methanol permeation suppression layer was adjusted by mixing with a stick and further kneading using a planetary ball mill. This slurry contains 1.0 g of cation exchange resin.

つぎに、カーボンペーパーの片面に形成したアノード触媒層の上に上記のメタノール透過抑制層用スラリーをスプレー塗工機で塗布・乾燥することによって、メタノール透過抑制層を形成した。得られたメタノール透過抑制層におけるメタノール吸着剤/陽イオン交換樹脂割合は50質量%であり、厚みは50μmであった。   Next, the methanol permeation suppression layer was formed on the anode catalyst layer formed on one side of the carbon paper by applying and drying the slurry for methanol permeation suppression layer with a spray coating machine. The methanol adsorbent / cation exchange resin ratio in the obtained methanol permeation suppression layer was 50% by mass, and the thickness was 50 μm.

カソードの触媒層は、以下の手順で製作した。白金触媒担持カーボン(田中貴金属工業社製、白金50質量%)1.0gと陽イオン交換樹脂(Aldrich社製、5質量%溶液)7.2gと撥水剤(三井・デュポンフロロケミカル社製、PTFE、60質量%分散液)0.5gと精製水12.0gとを秤量したのちに攪拌棒で混合し、さらに、遊星ボールミルを用いて混練することによって、カソード触媒層用スラリーを調製した。   The cathode catalyst layer was prepared by the following procedure. Platinum catalyst-supported carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., platinum 50 mass%) 1.0 g, cation exchange resin (Aldrich 5 mass% solution) 7.2 g and water repellent (Mitsui / DuPont Fluoro Chemical Co., Ltd.) PTFE, 60 mass% dispersion) 0.5 g and purified water 12.0 g were weighed, mixed with a stir bar, and further kneaded using a planetary ball mill to prepare a cathode catalyst layer slurry.

つぎに、アノードで用いたのと同じ撥水性を施したカーボンペーパーの片面に、カソード触媒層用スラリーをスプレー塗工機で塗布・乾燥することによって、カソード触媒層を形成した。このカソード触媒層の触媒担持量は、2.0mg(Pt)/cmであった。このようにして得た、カーボンペーパーの片面にカソード触媒層を形成したものをカソード電極とした。 Next, the cathode catalyst layer was formed on one side of the carbon paper subjected to the same water repellency as that used for the anode by applying and drying the slurry for the cathode catalyst layer with a spray coating machine. The amount of catalyst supported on this cathode catalyst layer was 2.0 mg (Pt) / cm 2 . A cathode electrode obtained by forming a cathode catalyst layer on one surface of carbon paper was used as a cathode electrode.

DMFC用MEAは、以下の手順で製作した。スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜(Dupont社製、厚さ125μm)の片面に、アノード触媒層と陽イオン交換膜とが接するようにアノード電極を配し、陽イオン交換膜の他方の面にカソード触媒層と陽イオン交換膜とが接するようにカソード電極を配しのちに、10MPa、150℃の条件でホットプレスすることによって、MEAを得た。このMEAは、本発明の条件(b)を満たすものである。   The DMFC MEA was manufactured by the following procedure. Cation exchange is performed by placing an anode electrode on one side of a cation exchange membrane (made by Dupont, thickness 125 μm) made of a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group so that the anode catalyst layer and the cation exchange membrane are in contact with each other. An MEA was obtained by hot pressing under conditions of 10 MPa and 150 ° C. after arranging the cathode electrode so that the cathode catalyst layer and the cation exchange membrane were in contact with the other surface of the membrane. This MEA satisfies the condition (b) of the present invention.

最後に、このMEAを一対の導電性フロープレートで挟持し、さらに、一対の集電板で挟持することによってDMFCを製作した。これを実施例1のDMFCとした。   Finally, this MEA was sandwiched between a pair of conductive flow plates, and further sandwiched between a pair of current collector plates to produce a DMFC. This was designated as DMFC of Example 1.

[実施例2]
メタノール吸着剤の重量を0.05gとしたこと以外は、実施例1と同様の手順でMEAを製作した。このMEAを用いて実施例2のDMFCを作製した。
[Example 2]
An MEA was produced in the same procedure as in Example 1 except that the weight of the methanol adsorbent was 0.05 g. A DMFC of Example 2 was produced using this MEA.

[実施例3]
メタノール吸着剤の重量を0.1gとしたこと以外は、実施例1と同様の手順でMEAを製作した。このMEAを用いて実施例3のDMFCを作製した。
[Example 3]
An MEA was produced in the same procedure as in Example 1 except that the weight of the methanol adsorbent was 0.1 g. A DMFC of Example 3 was produced using this MEA.

[実施例4]
メタノール吸着剤の重量を1.0gとしたこと以外は、実施例1と同様の手順でMEAを製作した。このMEAを用いて実施例4のDMFCを作製した。
[Example 4]
An MEA was produced in the same procedure as in Example 1 except that the weight of the methanol adsorbent was 1.0 g. A DMFC of Example 4 was produced using this MEA.

[実施例5]
メタノール吸着剤の重量を2.0gとしたこと以外は、実施例1と同様の手順でMEAを製作した。このMEAを用いて実施例5のDMFCを作製した。
[Example 5]
An MEA was produced in the same procedure as in Example 1 except that the weight of the methanol adsorbent was 2.0 g. A DMFC of Example 5 was produced using this MEA.

[実施例6]
メタノール吸着剤の重量を2.5gとしたこと以外は、実施例1と同様の手順でMEAを製作した。このMEAを用いて実施例6のDMFCを作製した。
[Example 6]
An MEA was produced in the same procedure as in Example 1 except that the weight of the methanol adsorbent was 2.5 g. A DMFC of Example 6 was produced using this MEA.

[実施例7]
アノード触媒層にはメタノール透過抑制層を形成せず、カーボンペーパーの片面に形成したカソード触媒層の上にメタノール透過抑制層用スラリーをスプレー塗工機で塗布・乾燥したこと以外は、実施例1と同様の手順でMEAを製作した。このMEAは、本発明の条件(c)を満たすものである。このMEAを用いて実施例7のDMFCを作製した。
[Example 7]
Example 1 except that the methanol permeation suppression layer was not formed on the anode catalyst layer, and the slurry for methanol permeation suppression layer was applied and dried with a spray coating machine on the cathode catalyst layer formed on one side of the carbon paper. The MEA was manufactured in the same procedure as above. This MEA satisfies the condition (c) of the present invention. The DMFC of Example 7 was produced using this MEA.

[実施例8]
実施例1と同様にしてアノード触媒層にメタノール透過抑制層を形成し、実施例7と同様にしてカソード触媒層にメタノール透過抑制層を形成したこと以外は実施例1と同様の手順でMEAを製作した。このMEAは、本発明の条件(b)と(c)を満たすものである。このMEAを用いて実施例8のDMFCを作製した。
[Example 8]
In the same manner as in Example 1, a methanol permeation suppression layer was formed on the anode catalyst layer, and in the same manner as in Example 7, a methanol permeation suppression layer was formed on the cathode catalyst layer. Produced. This MEA satisfies the conditions (b) and (c) of the present invention. The DMFC of Example 8 was produced using this MEA.

参考例9]
スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体80質量%中にメタノール吸着剤(栗田工業社製、1、1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン)20質量%を分散させた陽イオン交換膜(厚さ125μm)を用い、アノード触媒層と陽イオン交換膜との間にメタノール透過抑制層を設けなかったこと以外は、実施例1と同様の手順でMEAを製作した。このMEAは、本発明の条件(a)を満たすものである。このMEAを用いて参考例9のDMFCを作製した。
[ Reference Example 9]
Cation exchange membrane (thickness) in which 20% by mass of a methanol adsorbent (manufactured by Kurita Kogyo Co., Ltd., 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane) is dispersed in 80% by mass of a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group. The MEA was manufactured in the same procedure as in Example 1 except that the methanol permeation suppression layer was not provided between the anode catalyst layer and the cation exchange membrane. This MEA satisfies the condition (a) of the present invention. A DMFC of Reference Example 9 was produced using this MEA.

[実施例10]
参考例9で用いたのと同じ陽イオン交換膜を用いたこと以外は実施例1と同様の手順でMEAを製作した。このMEAは、本発明の条件(a)と(b)を満たすものである。このMEAを用いて実施例10のDMFCを作製した。
[Example 10]
An MEA was produced in the same procedure as in Example 1 except that the same cation exchange membrane as that used in Reference Example 9 was used. This MEA satisfies the conditions (a) and (b) of the present invention. The DMFC of Example 10 was produced using this MEA.

[実施例11]
参考例9で用いたのと同じ陽イオン交換膜を用いたこと以外は実施例7と同様の手順でMEAを製作した。このMEAは、本発明の条件(a)と(c)を満たすものである。このMEAを用いて実施例11のDMFCを作製した。
[Example 11]
An MEA was produced in the same procedure as in Example 7 except that the same cation exchange membrane as that used in Reference Example 9 was used. This MEA satisfies the conditions (a) and (c) of the present invention. A DMFC of Example 11 was produced using this MEA.

[実施例12]
参考例9で用いたのと同じ陽イオン交換膜を用いたこと以外は実施例8と同様の手順でMEAを製作した。このMEAは、本発明の条件(a)、(b)、(c)を満たすものである。このMEAを用いて実施例12のDMFCを作製した。
[Example 12]
An MEA was produced in the same procedure as in Example 8 except that the same cation exchange membrane as that used in Reference Example 9 was used. This MEA satisfies the conditions (a), (b), and (c) of the present invention. A DMFC of Example 12 was produced using this MEA.

[比較例1]
メタノール吸着剤を使用せずに、陽イオン交換樹脂溶液をカーボンペーパーの片面に形成したアノード触媒層の上にスプレー塗工機で直接塗布・乾燥する以外は、実施例1と同様の手順でMEAを製作した。このMEAを用いて比較例1のDMFCを作製した。
[Comparative Example 1]
The MEA was carried out in the same procedure as in Example 1 except that the cation exchange resin solution was applied directly on the anode catalyst layer formed on one side of the carbon paper and dried with a spray coater without using a methanol adsorbent. Was made. A DMFC of Comparative Example 1 was produced using this MEA.

[比較例2]
メタノール透過抑制層を形成しなかったこと以外は、実施例1と同様の手順でMEAを製作した。このMEAを用いて比較例2のDMFCを作製した。
[Comparative Example 2]
An MEA was produced in the same procedure as in Example 1 except that the methanol permeation suppression layer was not formed. A DMFC of Comparative Example 2 was produced using this MEA.

実施例1〜8、実施例10〜12、参考例9および比較例1、2のDMFC用MEAの内容を表1にまとめた。 Table 1 summarizes the contents of the DMFC MEAs of Examples 1 to 8, Examples 10 to 12 , Reference Example 9, and Comparative Examples 1 and 2.

[DMFCの特性測定]
実施例1〜8、実施例10〜12、参考例9および比較例1、2のDMFCを、セル温度が70℃、アノード燃料1mol/lメタノール水溶液、アノード燃料流量が4ml/min、カソードガスが空気、カソードガス流量が500ml/minの条件下で、アノードに燃料とカソードに空気を流してから、無負荷の状態で5分後のカソードの入口および出口の酸素濃度を測定した。
[Measurement of DMFC characteristics]
The DMFCs of Examples 1 to 8, Examples 10 to 12 , Reference Example 9 and Comparative Examples 1 and 2 were prepared using a cell temperature of 70 ° C., an anode fuel 1 mol / l methanol aqueous solution, an anode fuel flow rate of 4 ml / min, and a cathode gas Under the condition that the flow rate of air and cathode gas was 500 ml / min, the oxygen concentration at the inlet and outlet of the cathode was measured after 5 minutes in a no-load condition after flowing fuel and air to the anode.

アノードからカソードへとクロスオーバーしたメタノールは、カソードに供給される空気中の酸素と反応するために、カソードの入口と出口の酸素濃度に差が生じる。この差が、メタノールを消費するために使用された酸素であり、この酸素量を電気量(アノードで電気化学的に酸化される際に流れる電流密度)に換算した値を表1に示す。   Since the methanol crossed over from the anode to the cathode reacts with oxygen in the air supplied to the cathode, there is a difference in the oxygen concentration between the inlet and the outlet of the cathode. This difference is oxygen used for consuming methanol, and Table 1 shows values obtained by converting this amount of oxygen into an amount of electricity (current density flowing when electrochemically oxidized at the anode).

また、実施例1〜8、実施例10〜12、参考例9および比較例1、2のDMFCを、セル温度が70℃、アノード燃料1mol/lメタノール水溶液、アノード燃料流量が4ml/min、カソードガスが空気、カソードガス流量が500ml/minの条件下で、30mA/cm2の電流密度で運転した際に、電流を印加してから、1分後のセル電圧を測定した。さらに、アノードに燃料とカソードに空気を流してから、5分後の開回路電圧も測定した。それらの結果を表2に示す。 Further, the DMFCs of Examples 1 to 8, Examples 10 to 12 , Reference Example 9 and Comparative Examples 1 and 2 were prepared using a cell temperature of 70 ° C., an anode fuel 1 mol / l aqueous methanol solution, an anode fuel flow rate of 4 ml / min, and a cathode. When operating at a current density of 30 mA / cm 2 under conditions where the gas was air and the cathode gas flow rate was 500 ml / min, the cell voltage one minute after applying the current was measured. In addition, the open circuit voltage was measured 5 minutes after flowing fuel to the anode and air to the cathode. The results are shown in Table 2.

表2から明らかなように、実施例1〜8、実施例10〜12、参考例9の本発明のDMFCは、比較例1、2のDMFCにくらべて、メタノールクロスオーバー量が少なくなっていることがわかった。実施例1〜6のメタノールクロスオーバー量を比較した場合、メタノール透過抑制層に含まれるメタノール吸着剤の割合の増加にともなって、クロスオーバー量は減少していることがわかった。特に、メタノール透過抑制層中のメタノール吸着剤の割合が10質量%以上の時に、クロスオーバー量がより抑制されていることがわかった。この結果から、メタノール透過抑制層の効果が明らかとなった。さらに、その層に含まれるメタノール吸着剤の割合が10質量%以上の場合がより好適であることがわかった。 As is clear from Table 2, the DMFCs of the present inventions of Examples 1 to 8, Examples 10 to 12 , and Reference Example 9 have a smaller amount of methanol crossover than the DMFCs of Comparative Examples 1 and 2. I understood it. When the methanol crossover amounts of Examples 1 to 6 were compared, it was found that the crossover amount decreased with an increase in the proportion of the methanol adsorbent contained in the methanol permeation suppression layer. In particular, it was found that when the ratio of the methanol adsorbent in the methanol permeation suppression layer was 10% by mass or more, the crossover amount was further suppressed. From this result, the effect of the methanol permeation suppression layer became clear. Furthermore, it turned out that the case where the ratio of the methanol adsorbent contained in the layer is 10% by mass or more is more suitable.

この理由は、陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤とからなるメタノール透過抑制層を備えることによって、アノード触媒層を透過してきた未反応のメタノールがカソード側へ透過することを抑制され、さらに、メタノール透過抑制層中に含まれるメタノール吸着剤がその未反応メタノールを吸収するので、クロスオーバーがより抑制されたものと考えられる。メタノール吸着剤の割合が10質量%未満の場合は、メタノール透過抑制層中に含まれる吸着剤の量が少なすぎるために、クロスオーバー抑制効果が小さくなったものと考えられる。   The reason for this is that by providing a methanol permeation suppression layer comprising a cation exchange resin and a methanol adsorbent, unreacted methanol that has permeated the anode catalyst layer is prevented from permeating to the cathode side, and further methanol permeation is suppressed. Since the methanol adsorbent contained in the suppression layer absorbs the unreacted methanol, it is considered that the crossover is further suppressed. When the ratio of the methanol adsorbent is less than 10% by mass, the amount of adsorbent contained in the methanol permeation suppression layer is too small, and thus the crossover suppression effect is considered to be small.

さらに、実施例1、実施例7〜8、実施例10〜12、参考例9の本発明のDMFCでは、いずれもクロスオーバー量が少なかったことから、MEAが本発明の条件(a)、(b)、(c)の少なくとも一つを満たすことにより、クロスオーバーを抑制する効果が得られることがわかった。 Furthermore, in all of the DMFCs of the present invention of Example 1, Examples 7 to 8, Examples 10 to 12 , and Reference Example 9 , since the amount of crossover was small, the MEA satisfies the conditions (a), ( It was found that the effect of suppressing crossover can be obtained by satisfying at least one of b) and (c).

また、表1から明らかなように、実施例1〜8、実施例10〜12、参考例9の本発明のDMFCは、比較例1、2のDMFCにくらべて、開回路電圧が高いことがわかった。また、開回路電圧は、クロスオーバー量の関係と似ていることもわかった。クロスオーバー量が多くなると、カソードの電位が下がるために、開回路電圧も低下する。この結果からも、メタノール透過抑制層の効果が明らかとなり、さらに、その層に含まれるメタノール吸着剤の割合が10質量%以上の場合がより好適であることがわかった。 Further, as is clear from Table 1, the DMFCs of the present inventions of Examples 1 to 8, Examples 10 to 12 , and Reference Example 9 have higher open circuit voltages than those of Comparative Examples 1 and 2. all right. It was also found that the open circuit voltage was similar to the crossover amount relationship. As the crossover amount increases, the open circuit voltage also decreases because the cathode potential decreases. Also from this result, the effect of the methanol permeation suppression layer was clarified, and further, it was found that the case where the ratio of the methanol adsorbent contained in the layer was 10% by mass or more was more preferable.

さらに、表1から明らかなように、実施例1〜5、7〜8、実施例10〜12、参考例9の本発明のDMFCは、比較例1、2のDMFCにくらべて、30mA/cm2の電流密度におけるセル電圧が高いことがわかる。メタノールクロスオーバー量は、電流密度の増大にともなって、アノードでのメタノール消費量が増えるために減少する。そのために、電流密度の低いところでは、セル電圧はメタノールクロスオーバー量の影響を受けることから、セル電圧が高いほど、クロスオーバー量が少ないといえる。 Furthermore, as is clear from Table 1, the DMFCs of the present invention of Examples 1 to 5, 7 to 8, Examples 10 to 12 , and Reference Example 9 are 30 mA / cm 2 as compared with those of Comparative Examples 1 and 2. It can be seen that the cell voltage at the current density is high. The amount of methanol crossover decreases due to an increase in methanol consumption at the anode with increasing current density. For this reason, at a low current density, the cell voltage is affected by the amount of methanol crossover. Therefore, it can be said that the higher the cell voltage, the smaller the crossover amount.

なお、実施例6のDMFCにおけるセル電圧の低下は、プロトン伝導性のないメタノール吸着剤の量が多すぎるために、プロトン伝導が阻害されたことに起因するものと考えられる。この結果からも、メタノール透過抑制層の効果が明らかとなった。さらに、メタノール透過抑制層に含まれるメタノール吸着剤の割合が200質量%以下の場合がより好適であることがわかった。   Note that the decrease in the cell voltage in the DMFC of Example 6 is considered to be due to the fact that proton conduction was inhibited because the amount of methanol adsorbent without proton conductivity was too large. This result also revealed the effect of the methanol permeation suppression layer. Furthermore, it turned out that the case where the ratio of the methanol adsorbent contained in the methanol permeation suppression layer is 200% by mass or less is more suitable.

[実施例13〜15]
[実施例13]
メタノール吸着剤として、1、1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンに代えて、1、1、2、2−テトラキス(4−ヒドロキシフェニル)エタンを用いたこと以外は実施例1と同様の手順でMEAを製作した。このMEAを用いて実施例13のDMFCを作製した。
[Examples 13 to 15]
[Example 13]
A procedure similar to that in Example 1 except that 1,1,2,2-tetrakis (4-hydroxyphenyl) ethane was used in place of 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane as the methanol adsorbent. I made an MEA. The DMFC of Example 13 was produced using this MEA.

[実施例14]
メタノール吸着剤として、1、1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンに代えて、1、1、2、2−テトラキス(4−ヒドロキシフェニル)エチレンを用いたこと以外は実施例1と同様の手順でMEAを製作した。このMEAを用いて実施例14のDMFCを作製した。
[Example 14]
The same procedure as in Example 1 except that 1,1,2,2-tetrakis (4-hydroxyphenyl) ethylene was used as the methanol adsorbent instead of 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane. I made an MEA. The DMFC of Example 14 was produced using this MEA.

[実施例15]
メタノール吸着剤として、1、1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンに代えて、ジフェン酸ビス(ジシクロヘキシルアミド)を用いたこと以外は実施例1と同様の手順でMEAを製作した。このMEAを用いて実施例15のDMFCを作製した。
[Example 15]
An MEA was produced in the same procedure as in Example 1 except that diphenic acid bis (dicyclohexylamide) was used in place of 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane as the methanol adsorbent. The DMFC of Example 15 was produced using this MEA.

実施例13〜実施例15のDMFCについて、実施例1と同じ条件で、メタノールクロスオーバー量、開回路電圧および電流密度30mA/cmで作動した場合のセル電圧を測定した。測定結果を表3に示した。 For the DMFCs of Examples 13 to 15, the cell voltage was measured under the same conditions as in Example 1 when operated with a methanol crossover amount, an open circuit voltage, and a current density of 30 mA / cm 2 . The measurement results are shown in Table 3.

表3の結果から、メタノール吸着剤の種類が異なる場合でも、DMFCのメタノールクロスオーバー量を抑制できることがわかった。   From the results in Table 3, it was found that the methanol crossover amount of DMFC can be suppressed even when the type of methanol adsorbent is different.

[実施例16〜23および比較例3〜8]
[実施例16]
メタノール透過抑制層の厚さを30μmとしたこと以外は実施例1と同様の手順でMEAを製作した。このMEAを用いて実施例2のDMFCを作製した。
[Examples 16 to 23 and Comparative Examples 3 to 8]
[Example 16]
An MEA was produced in the same procedure as in Example 1 except that the thickness of the methanol permeation suppression layer was 30 μm. A DMFC of Example 2 was produced using this MEA.

[実施例17]
メタノール透過抑制層の厚さを100μmとしたこと以外は実施例1と同様の手順でMEAを製作した。このMEAを用いて実施例17のDMFCを作製した。
[Example 17]
An MEA was produced in the same procedure as in Example 1 except that the thickness of the methanol permeation suppression layer was 100 μm. The DMFC of Example 17 was produced using this MEA.

[実施例18]
メタノール透過抑制層の厚さを30μmとしたこと以外は実施例7と同様の手順でMEAを製作した。このMEAを用いて実施例18のDMFCを作製した。
[Example 18]
An MEA was produced in the same procedure as in Example 7 except that the thickness of the methanol permeation suppression layer was 30 μm. The DMFC of Example 18 was produced using this MEA.

[実施例19]
メタノール透過抑制層の厚さを100μmとしたこと以外は実施例7と同様の手順でMEAを製作した。このMEAを用いて実施例19のDMFCを作製した。
[Example 19]
An MEA was produced in the same procedure as in Example 7 except that the thickness of the methanol permeation suppression layer was 100 μm. The DMFC of Example 19 was produced using this MEA.

[実施例20]
アノード触媒層およびカソード触媒層の両方において、カーボンペーパーの片面に形成した触媒層の上にメタノール透過抑制層用スラリーをスプレー塗工機で塗布・乾燥し、それぞれのメタノール透過抑制層の厚さを15μm(合計で30μm)としたこと以外は実施例8と同様の手順でMEAを製作した。このMEAは本発明の条件(b)および(c)を満たすものである。このMEAを用いて実施例20のDMFCを作製した。
[Example 20]
In both the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer, the slurry for methanol permeation suppression layer was applied and dried with a spray coating machine on the catalyst layer formed on one side of the carbon paper, and the thickness of each methanol permeation suppression layer was adjusted. An MEA was produced in the same procedure as in Example 8 except that the thickness was 15 μm (total 30 μm). This MEA satisfies the conditions (b) and (c) of the present invention. A DMFC of Example 20 was produced using this MEA.

[実施例21]
アノード触媒層およびカソード触媒層の両方において、カーボンペーパーの片面に形成した触媒層の上にメタノール透過抑制層用スラリーをスプレー塗工機で塗布・乾燥し、それぞれのメタノール透過抑制層の厚さを25μm(合計で50μm)としたこと以外は実施例20と同様の手順でMEAを製作した。このMEAを用いて実施例21のDMFCを作製した。
[Example 21]
In both the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer, the slurry for methanol permeation suppression layer was applied and dried with a spray coating machine on the catalyst layer formed on one side of the carbon paper, and the thickness of each methanol permeation suppression layer was adjusted. An MEA was produced in the same procedure as in Example 20 except that the thickness was 25 μm (50 μm in total). A DMFC of Example 21 was produced using this MEA.

[実施例22]
アノード触媒層およびカソード触媒層の両方において、カーボンペーパーの片面に形成した触媒層の上にメタノール透過抑制層用スラリーをスプレー塗工機で塗布・乾燥し、それぞれのメタノール透過抑制層の厚さを50μm(合計で100μm)としたこと以外は実施例20と同様の手順でMEAを製作した。このMEAを用いて実施例22のDMFCを作製した。
[Example 22]
In both the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer, the slurry for methanol permeation suppression layer was applied and dried with a spray coating machine on the catalyst layer formed on one side of the carbon paper, and the thickness of each methanol permeation suppression layer was adjusted. An MEA was produced in the same procedure as in Example 20 except that the thickness was 50 μm (100 μm in total). The DMFC of Example 22 was produced using this MEA.

[実施例23]
メタノール透過抑制層用スラリーにカーボンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製、ケッチェンブラックEC)を0.3g加えたこと以外は実施例17と同様の手順でMEAを製作した。このMEAを用いて実施例23のDMFCを作製した。
[Example 23]
An MEA was produced in the same procedure as in Example 17 except that 0.3 g of carbon black (Ketjen Black International, Ketjen Black EC) was added to the methanol permeation suppression layer slurry. The DMFC of Example 23 was produced using this MEA.

[比較例3]
メタノール透過抑制層の厚さを25μmとしたこと以外は実施例1と同様の手順でMEAを製作した。このMEAを用いて比較例3のDMFCを作製した。
[Comparative Example 3]
An MEA was produced in the same procedure as in Example 1 except that the thickness of the methanol permeation suppression layer was 25 μm. A DMFC of Comparative Example 3 was produced using this MEA.

[比較例4]
メタノール透過抑制層の厚さを105μmとしたこと以外は実施例1と同様の手順でMEAを製作した。このMEAを用いて比較例4のDMFCを作製した。
[Comparative Example 4]
An MEA was produced in the same procedure as in Example 1 except that the thickness of the methanol permeation suppression layer was 105 μm. A DMFC of Comparative Example 4 was produced using this MEA.

[比較例5]
メタノール透過抑制層の厚さを25μmとしたこと以外は実施例7と同様の手順でMEAを製作した。このMEAを用いて比較例5のDMFCを作製した。
[Comparative Example 5]
An MEA was produced in the same procedure as in Example 7 except that the thickness of the methanol permeation suppression layer was 25 μm. A DMFC of Comparative Example 5 was produced using this MEA.

[比較例6]
メタノール透過抑制層の厚さを105μmとしたこと以外は実施例7と同様の手順でMEAを製作した。このMEAを用いて比較例6のDMFCを作製した。
[Comparative Example 6]
An MEA was produced in the same procedure as in Example 7 except that the thickness of the methanol permeation suppression layer was 105 μm. A DMFC of Comparative Example 6 was produced using this MEA.

[比較例7]
アノード触媒層およびカソード触媒層の両方において、カーボンペーパーの片面に形成した触媒層の上にメタノール透過抑制層用スラリーをスプレー塗工機で塗布・乾燥し、アノード側のメタノール透過抑制層の厚さを15μm、カソード側のメタノール透過抑制層の厚さを10μm(合計で25μm)としたこと以外は実施例20と同様の手順でMEAを製作した。このMEAを用いて比較例7のDMFCを作製した。
[Comparative Example 7]
In both the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer, the methanol permeation suppression layer slurry was applied and dried on the catalyst layer formed on one side of the carbon paper with a spray coater, and the thickness of the anode side methanol permeation suppression layer The MEA was manufactured in the same procedure as in Example 20 except that the thickness of the methanol permeation suppression layer on the cathode side was 10 μm (total 25 μm). A DMFC of Comparative Example 7 was produced using this MEA.

[比較例8]
アノード触媒層およびカソード触媒層の両方において、カーボンペーパーの片面に形成した触媒層の上にメタノール透過抑制層用スラリーをスプレー塗工機で塗布・乾燥し、アノード側のメタノール透過抑制層の厚さを55μm、カソード側のメタノール透過抑制層の厚さを50μm(合計で105μm)としたこと以外は実施例20と同様の手順でMEAを製作した。このMEAを用いて比較例8のDMFCを作製した。
[Comparative Example 8]
In both the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer, the methanol permeation suppression layer slurry was applied and dried on the catalyst layer formed on one side of the carbon paper with a spray coater, and the thickness of the anode side methanol permeation suppression layer The MEA was manufactured in the same procedure as in Example 20 except that the thickness of the methanol permeation suppression layer on the cathode side was 50 μm (total of 105 μm). A DMFC of Comparative Example 8 was produced using this MEA.

実施例16〜23および比較例3〜8のDMFC用MEAの内容を表4にまとめた。なお、表54には、比較のため、実施例1および実施例7のMEAの内容も示した。   The contents of the DMFC MEAs in Examples 16 to 23 and Comparative Examples 3 to 8 are summarized in Table 4. In Table 54, the contents of the MEAs of Example 1 and Example 7 are also shown for comparison.

[DMFCの特性測定]
実施例16〜23および比較例3〜8のDMFCについて、実施例1と同じ条件で、無負荷の状態で5分後のカソードの入口および出口の酸素濃度を測定した。そして、実施例1の場合と同様に、メタノールを消費するために使用された酸素量を電気量(アノードで電気化学的に酸化される際に流れる電流密度)に換算した値を求めた。
[Measurement of DMFC characteristics]
For the DMFCs of Examples 16 to 23 and Comparative Examples 3 to 8, the oxygen concentrations at the cathode inlet and outlet after 5 minutes were measured under the same conditions as in Example 1 under no load. In the same manner as in Example 1, the value obtained by converting the amount of oxygen used to consume methanol into the amount of electricity (current density flowing when electrochemically oxidized at the anode) was obtained.

また、実施例1と同じ条件下で、30mA/cmおよび300mA/cmの電流密度で運転した際の、電流を印加してから1分後のセル電圧を測定した。さらに、アノードに燃料とカソードに空気を流してから5分後の開回路電圧も測定した。これらの測定結果を表5にまとめた。なお、表5には、比較のため、実施例1および実施例7の測定結果も示した。 Further, under the same conditions as in Example 1, when the plant is operated at a current density of 30 mA / cm 2 and 300 mA / cm 2, the cell voltage was measured for 1 minute after the application of a current. Furthermore, the open circuit voltage was measured 5 minutes after flowing fuel to the anode and air to the cathode. These measurement results are summarized in Table 5. In Table 5, the measurement results of Example 1 and Example 7 are also shown for comparison.

表5から明らかなように、実施例1、7、16〜23の本発明のDMFCは、比較例3、5および7のDMFCに比べて、メタノールクロスオーバー量が少なくなっていることがわかった。実施例1、7、16〜23のメタノールクロスオーバー量を比較した場合、メタノール透過抑制層の厚さの増加に伴ってクロスオーバー量は減少していることがわかった。また、比較例4、6および8のDMFCは、実施例1、7、16〜23の本発明のDMFCに比べて、メタノールクロスオーバー量が少なくなった。これらの結果から、メタノール透過抑制層の厚さが30μm以上の場合が好適であることがわかった。   As is clear from Table 5, the DMFCs of the present invention of Examples 1, 7, and 16 to 23 were found to have less methanol crossover than the DMFCs of Comparative Examples 3, 5, and 7. . When the methanol crossover amounts of Examples 1, 7, and 16 to 23 were compared, it was found that the crossover amount decreased with an increase in the thickness of the methanol permeation suppression layer. Further, the DMFCs of Comparative Examples 4, 6, and 8 had a smaller amount of methanol crossover than the DMFCs of Examples 1, 7, and 16 to 23 of the present invention. From these results, it was found that the thickness of the methanol permeation suppression layer is preferably 30 μm or more.

この理由は、陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤とからなるメタノール透過抑制層を30μmとすることによって、アノード触媒層を透過してきた未反応のメタノールがカソード側へ透過することを抑制され、さらに、メタノール透過抑制層中に含まれるメタノール吸着剤がその未反応メタノールを吸収するので、クロスオーバーがより抑制されたものと考えられる。メタノール透過抑制層の厚さが30μm未満の場合はメタノール透過抑制層の厚さが薄すぎるため、クロスオーバー抑制効果が小さくなったものと考えられる。   The reason for this is that by setting the methanol permeation suppression layer composed of the cation exchange resin and the methanol adsorbent to 30 μm, the unreacted methanol that has permeated the anode catalyst layer is suppressed from permeating to the cathode side, Since the methanol adsorbent contained in the methanol permeation suppression layer absorbs the unreacted methanol, it is considered that crossover is further suppressed. When the thickness of the methanol permeation suppression layer is less than 30 μm, the thickness of the methanol permeation suppression layer is too thin, and it is considered that the crossover suppression effect is reduced.

また、表5から明らかなように、実施例1、7、16〜23の本発明のDMFCは、比較例3、5および7のDMFCに比べて、開回路電圧が高いこと、比較例4、6および8のDMFCは、実施例1、7、16〜23の本発明のDMFCに比べて、開回路電圧が高いことがわかった。また、開回路電圧は、クロスオーバー量の関係と似ていることもわかった。クロスオーバー量が多くなるとカソードの電位が下がるため、開回路電圧も低下する。これら結果からも、メタノール透過抑制層の厚さが30μm以上の場合が好適であることがわかった。   Further, as is clear from Table 5, the DMFCs of Examples 1, 7, and 16 to 23 of the present invention have higher open circuit voltages than those of Comparative Examples 3, 5, and 7, Comparative Example 4, It was found that the DMFCs 6 and 8 had a higher open circuit voltage than the DMFCs of the present invention of Examples 1, 7, and 16-23. It was also found that the open circuit voltage was similar to the crossover amount relationship. As the crossover amount increases, the cathode potential decreases and the open circuit voltage also decreases. From these results, it was found that the thickness of the methanol permeation suppression layer is preferably 30 μm or more.

さらに、表5から明らかなように、実施例1、7、16〜23の本発明のDMFCは、比較例3〜8のDMFCに比べて、30mA/cmおよび300mA/cmの電流密度におけるセル電圧が高いことがわかった。メタノールクロスオーバー量は、電流密度の増大にともなってアノードでのメタノール消費量が増えるために減少する。そのために、電流密度の低いところではセル電圧はメタノールクロスオーバー量の影響を受けることから、セル電圧が高いほどクロスオーバー量が少ないといえる。 Furthermore, as is clear from Table 5, DMFC of the present invention of Example 1,7,16~23, compared to DMFC of Comparative Example 3-8, at a current density of 30 mA / cm 2 and 300 mA / cm 2 It was found that the cell voltage was high. The amount of methanol crossover decreases because the amount of methanol consumed at the anode increases with increasing current density. For this reason, since the cell voltage is affected by the amount of methanol crossover at a low current density, it can be said that the higher the cell voltage, the smaller the crossover amount.

また、比較例4、6および8のDMFCは、30mA/cmでは高いセル電圧を示したものの、300mA/cmの電流密度におけるセル電圧が著しく低下していることがわかった。これは、メタノール透過抑制層の厚さが厚くなったことによってメタノールクロスオーバー量は減少したが、プロトン伝導経路が長くなるために特性が低下したものと考えられる。これらの結果から、メタノール透過抑制層の厚さが100μm以下の場合が好適であることがわかった。 Further, DMFC of Comparative Examples 4, 6 and 8, but exhibited a 30 mA / in cm 2 higher cell voltage, it was found that the cell voltage is significantly reduced at a current density of 300 mA / cm 2. This is considered to be due to the fact that although the methanol crossover amount decreased as the thickness of the methanol permeation suppression layer increased, the characteristics deteriorated due to the longer proton conduction path. From these results, it was found that the thickness of the methanol permeation suppression layer was preferably 100 μm or less.

さらに、実施例1、7、16〜23の本発明のDMFCではいずれも特性が高く、かつクロスオーバー量が少なかったことから、MEAが本発明の条件(b)、(c)の少なくとも一つを満たすことにより、DMFCの特性を低下させることなくクロスオーバーを抑制する効果が得られることがわかった。   Further, since the DMFCs of Examples 1, 7, and 16 to 23 of the present invention all have high characteristics and a small amount of crossover, the MEA is at least one of the conditions (b) and (c) of the present invention. By satisfying the above, it has been found that the effect of suppressing the crossover can be obtained without degrading the characteristics of the DMFC.

以上のことから、アノード触媒層と陽イオン交換膜との間およびカソード触媒層と陽イオン交換膜との間の少なくとも一方にメタノール透過抑制層を備えることによって、アノード触媒層中の燃料の拡散性、およびプロトン伝導性を低下させることなくDMFCのメタノールクロスオーバー量を著しく抑制できることが明らかとなった。   From the above, by providing a methanol permeation suppression layer between at least one of the anode catalyst layer and the cation exchange membrane and between the cathode catalyst layer and the cation exchange membrane, the diffusibility of fuel in the anode catalyst layer It was revealed that the methanol crossover amount of DMFC can be remarkably suppressed without lowering proton conductivity.

参考例の、条件(a)を満たす直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体の断面の模式図。The schematic diagram of the cross section of the membrane / electrode assembly for direct methanol type fuel cells which satisfy | fills condition (a) of a reference example . 本発明の、条件(b)を満たす直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体の断面の模式図。The schematic diagram of the cross section of the membrane / electrode assembly for direct methanol fuel cells which satisfy | fills the conditions (b) of this invention. 本発明の、条件(c)を満たす直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体の断面の模式図。The schematic diagram of the cross section of the membrane / electrode assembly for direct methanol fuel cells which satisfy | fills conditions (c) of this invention. 本発明の、条件(b)と(c)を満たす直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体の断面の模式図。The schematic diagram of the cross section of the membrane / electrode assembly for direct methanol fuel cells which satisfy | fills conditions (b) and (c) of this invention. 本発明の、条件(a)と(b)を満たす直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体の断面の模式図。The schematic diagram of the cross section of the membrane / electrode assembly for direct methanol fuel cells which satisfy | fills conditions (a) and (b) of this invention. 本発明の、条件(a)と(c)を満たす直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体の断面の模式図。The schematic diagram of the cross section of the membrane / electrode assembly for direct methanol fuel cells which satisfy | fills conditions (a) and (c) of this invention. 本発明の、条件(a)、(b)、(c)を満たす直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体の断面の模式図。The schematic diagram of the cross section of the membrane / electrode assembly for direct methanol fuel cells which satisfy | fills conditions (a), (b), (c) of this invention. 従来の直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体の断面の模式図。The schematic diagram of the cross section of the conventional membrane / electrode assembly for direct methanol fuel cells.

符号の説明Explanation of symbols

1 陽イオン交換膜
2 アノード触媒層
3 カソード触媒層
4 アノード側ガス拡散層
5 カソード側ガス拡散層
6 メタノール吸着剤
7 アノード触媒層と陽イオン交換膜との間に備えたメタノール透過抑制層
8 カソード触媒層と陽イオン交換膜との間に設けたメタノール透過抑制層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cation exchange membrane 2 Anode catalyst layer 3 Cathode catalyst layer 4 Anode side gas diffusion layer 5 Cathode side gas diffusion layer 6 Methanol adsorbent 7 Methanol permeation suppression layer provided between anode catalyst layer and cation exchange membrane 8 Cathode Methanol permeation suppression layer provided between catalyst layer and cation exchange membrane

Claims (3)

陽イオン交換膜をアノード触媒層とカソード触媒層とで挟持し、前記アノード触媒層にメタノールが供給される直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体において、前記アノード触媒層および前記カソード触媒層は炭素材料と陽イオン交換樹脂と触媒とを含み、(b)前記アノード触媒層と前記陽イオン交換膜との間に陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤とを含む層、または(c)前記カソード触媒層と前記陽イオン交換膜との間に陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤とを含む層を備え、
アノード触媒層と陽イオン交換膜との間またはカソード触媒層と陽イオン交換膜との間に備えた、陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤とを含む層の厚さが30〜100μmの範囲にあり、かつ、前記(b)又は前記(c)は、炭素材料を含む、直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体。
In a direct methanol fuel cell membrane / electrode assembly in which a cation exchange membrane is sandwiched between an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer, and methanol is supplied to the anode catalyst layer, the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer include: A carbon material, a cation exchange resin, and a catalyst, and (b) a layer containing a cation exchange resin and a methanol adsorbent between the anode catalyst layer and the cation exchange membrane, or (c) the cathode catalyst. A layer comprising a cation exchange resin and a methanol adsorbent between the layer and the cation exchange membrane;
The thickness of the layer containing the cation exchange resin and the methanol adsorbent provided between the anode catalyst layer and the cation exchange membrane or between the cathode catalyst layer and the cation exchange membrane is in the range of 30 to 100 μm. And (b) or (c) is a membrane / electrode assembly for a direct methanol fuel cell containing a carbon material .
前記陽イオン交換樹脂とメタノール吸着剤とを含む層に含まれるメタノール吸着剤の陽イオン交換樹脂に対する割合が、10質量%以上200質量%以下である請求項1に記載の直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体。   2. The direct methanol fuel cell according to claim 1, wherein the ratio of the methanol adsorbent contained in the layer containing the cation exchange resin and the methanol adsorbent to the cation exchange resin is 10% by mass or more and 200% by mass or less. Membrane / electrode assembly. 請求項1または2に記載の直接メタノール形燃料電池用膜/電極接合体を用いることを特徴とする直接メタノール形燃料電池。 A direct methanol fuel cell comprising the membrane / electrode assembly for a direct methanol fuel cell according to claim 1 or 2.
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