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JP2005166572A - Electrochemical device, manufacturing method and driving method thereof - Google Patents

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JP2005166572A
JP2005166572A JP2003406879A JP2003406879A JP2005166572A JP 2005166572 A JP2005166572 A JP 2005166572A JP 2003406879 A JP2003406879 A JP 2003406879A JP 2003406879 A JP2003406879 A JP 2003406879A JP 2005166572 A JP2005166572 A JP 2005166572A
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JP
Japan
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electrode
liquid
electrochemical device
electrolyte layer
electrolyte
Prior art date
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Application number
JP2003406879A
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Japanese (ja)
Inventor
Hajime Sudo
業 須藤
Kenji Katori
健二 香取
Masahiko Tawara
雅彦 田原
Takeshi Kanai
剛 金井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

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Abstract

【課題】 デバイスの運転初期から高い出力を取り出すことができる電気化学デバイス、及びその製造方法と駆動方法を提供する。
【解決手段】 第1極6と、第2極8と、この電極間に挟持された電解質層1とからなる積層構造体3を有し、液体の存在下で駆動されるように構成した燃料電池等の電気化学デバイス2において、電解質層1と第1極6及び第2極8中の電解質とが前記液体によって前処理されていることを特徴とする、電気化学デバイス。上記の電気化学デバイスの製造方法において、電解質層1と第1極6及び第2極8中の電解質とを前記液体によって前処理することを特徴とする、電気化学デバイスの製造方法。上記の電気化学デバイスの駆動方法において、電解質層1と第1極6及び第2極8中の電解質とを前記液体によって前処理した後に、駆動を開始することを特徴とする、電気化学デバイスの駆動方法。
【選択図】図2
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrochemical device capable of taking out a high output from the initial operation of the device, and a manufacturing method and a driving method thereof.
SOLUTION: A fuel having a laminated structure 3 composed of a first electrode 6, a second electrode 8, and an electrolyte layer 1 sandwiched between the electrodes, and configured to be driven in the presence of a liquid. In the electrochemical device 2 such as a battery, the electrochemical layer 1 and the electrolyte in the first electrode 6 and the second electrode 8 are pretreated with the liquid. In the method for manufacturing an electrochemical device, the electrolyte layer 1 and the electrolyte in the first electrode 6 and the second electrode 8 are pretreated with the liquid. In the method for driving an electrochemical device, the driving is started after the electrolyte layer 1 and the electrolyte in the first electrode 6 and the second electrode 8 are pretreated with the liquid. Driving method.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、燃料電池等として好適な電気化学デバイス、及びその製造方法と駆動方法に関するものである。   The present invention relates to an electrochemical device suitable for a fuel cell or the like, and a manufacturing method and a driving method thereof.

アノード電極と、カソード電極と、固体高分子電解質によって形成された電解質層とからなるMEA(Membrane & Electrode Assembly)を有し、アルコール水溶液等を燃料とする電気化学装置では現在、パーフルオロスルホン酸樹脂(PFSI)(DuPont社製のナフィオン(登録商標)など)のような高いイオン伝導性を持つポリマーが、電解質層及び電極内バインダーとして用いられている(例えば、後記の特許文献1及び特許文献2参照。)。   Perfluorosulfonic acid resins are currently used in electrochemical devices that have an MEA (Membrane & Electrode Assembly) composed of an anode electrode, a cathode electrode, and an electrolyte layer formed of a solid polymer electrolyte, and use an alcohol aqueous solution as a fuel. A polymer having high ion conductivity such as (PFSI) (Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont) is used as the electrolyte layer and the binder in the electrode (for example, Patent Document 1 and Patent Document 2 described later). reference.).

一方、燃料としては、メタノール等のアルコール類が主に使用されている。また、他に水素ガス、ジメチルエーテル(DME)、ジエチルエーテル(DEE)等の有機物の研究例もある(例えば、後記の特許文献3参照。)   On the other hand, alcohols such as methanol are mainly used as fuel. In addition, there are research examples of organic substances such as hydrogen gas, dimethyl ether (DME), and diethyl ether (DEE) (see, for example, Patent Document 3 below).

これらの中でも、燃料としてのメタノールをアノード電極で直接反応させるダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)は、高エネルギー密度が実現されるため、小型携帯燃料電池等で次世代電源としての期待が高まっている。   Among these, a direct methanol fuel cell (DMFC) that directly reacts methanol as a fuel at an anode electrode has high expectation as a next-generation power source for small portable fuel cells and the like because high energy density is realized. .

特開昭61−67787号公報(第11欄16行目〜第15欄7行目)JP-A-61-67787 (Column 11, line 16 to column 15, line 7) 特開昭61−67788号公報(第12欄9行目〜第16欄2行目)JP-A-61-67788 (column 12, line 9 to column 16, line 2) 特公平3−208260号公報(第3頁右下欄1行目〜16行目、図1)Japanese Examined Patent Publication No. 3-208260 (page 3, lower right column, lines 1 to 16; FIG. 1)

上記したような従来例では、例えばパーフルオロスルホン酸樹脂からなる電解質層と、触媒層を有する電極とを接合するに際し、熱圧着する方法が一般的に採用されている。   In the conventional examples as described above, for example, a method of thermocompression bonding is generally employed when an electrolyte layer made of a perfluorosulfonic acid resin and an electrode having a catalyst layer are joined.

しかしながら、電解質層を構成する材料のガラス転移点(例えば約120℃)以上に温度を上げて熱圧着を行った場合、一度、ガラス転移点以上の熱履歴をもったパーフルオロスルホン酸樹脂などの電解質層は、液体含有率が低下してしまい、これに伴ってイオン伝導度も低下する。   However, when thermocompression bonding is performed at a temperature higher than the glass transition point (for example, about 120 ° C.) of the material constituting the electrolyte layer, a perfluorosulfonic acid resin having a thermal history higher than the glass transition point once. In the electrolyte layer, the liquid content decreases, and the ionic conductivity decreases accordingly.

これにより、従来例によるMEAを燃料電池として構成しただけでは、装置の運転初期から高出力を得ることができず、まず低負荷で起動し、電解質樹脂の液体含有率の回復に合わせて徐々に負荷を上昇させていた。このため、実際の装置はもとより、MEAの評価を行う際にも最大出力を見極めるためには繰り返し測定を行うことが必要であった。   As a result, simply configuring the MEA according to the conventional example as a fuel cell cannot obtain a high output from the initial operation of the apparatus, starts at a low load, and gradually increases with the recovery of the liquid content of the electrolyte resin. The load was increasing. For this reason, it was necessary to perform repeated measurements in order to determine the maximum output when evaluating MEAs as well as actual devices.

また、実際の装置では、MEAを複数積層して使用する場合がほとんどであるが、各MEAはその積層位置によって温度など暴露される条件が異なるため、各MEAの液体含有率の回復速度にはバラツキがあった。   In addition, in an actual apparatus, in most cases, a plurality of MEAs are stacked and used, but since each MEA is exposed to different conditions such as temperature depending on the stacking position, the recovery rate of the liquid content of each MEA is There was variation.

本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、デバイスの運転初期から高い出力を取り出すことができる電気化学デバイス、及びその製造方法と駆動方法を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an electrochemical device that can extract a high output from the initial operation of the device, and a method for manufacturing and driving the same. It is to provide.

即ち、本発明は、第1極と、第2極と、この電極間に挟持された電解質層とからなる積層構造体を有し、液体の存在下で駆動されるように構成した電気化学デバイスにおいて、少なくとも前記電解質層が前記液体によって前処理されていることを特徴とする、電気化学デバイスに係るものである。   That is, the present invention includes an electrochemical device configured to have a stacked structure including a first electrode, a second electrode, and an electrolyte layer sandwiched between the electrodes, and to be driven in the presence of a liquid. In the electrochemical device, at least the electrolyte layer is pretreated with the liquid.

また、第1極と、第2極と、この電極間に挟持された電解質層とからなる積層構造体を有し、液体の存在下で駆動されるように構成した電気化学デバイスの製造方法において、少なくとも前記電解質層を前記液体によって前処理することを特徴とする、電気化学デバイスの製造方法に係るものである。   In the method of manufacturing an electrochemical device having a laminated structure including a first electrode, a second electrode, and an electrolyte layer sandwiched between the electrodes, and configured to be driven in the presence of a liquid. In addition, the present invention relates to a method for manufacturing an electrochemical device, wherein at least the electrolyte layer is pretreated with the liquid.

さらに、第1極と、第2極と、この電極間に挟持された電解質層とからなる積層構造体を有し、液体の存在下で駆動されるように構成した電気化学デバイスの駆動方法において、少なくとも前記電解質層を前記液体によって前処理した後に、駆動を開始することを特徴とする、電気化学デバイスの駆動方法に係るものである。   Further, in a method for driving an electrochemical device having a laminated structure including a first electrode, a second electrode, and an electrolyte layer sandwiched between the electrodes, and configured to be driven in the presence of a liquid. In addition, the present invention relates to a method for driving an electrochemical device, wherein the driving is started after at least the electrolyte layer is pretreated with the liquid.

本発明によれば、前記液体の存在下で駆動されるように構成した燃料電池等の電気化学デバイスにおいて、少なくとも前記電解質層が前記液体によって前処理されているので、少なくとも前記電解質層の液体含有率を高めて、プロトン(H+)等のイオン伝導性を向上させることができる。また、前記前処理によって前記積層構造体内で特性を揃えることができる。従って、デバイスの運転初期から高い出力を取り出すことができる。なお、本発明において、上記の「デバイスの運転初期」とは、例えば実際の駆動(発電)開始後、100時間程度経過時を意味する。 According to the present invention, in an electrochemical device such as a fuel cell configured to be driven in the presence of the liquid, at least the electrolyte layer is pretreated with the liquid, so at least the electrolyte layer contains liquid. The rate can be increased and ion conductivity of protons (H + ) and the like can be improved. In addition, characteristics can be made uniform in the laminated structure by the pretreatment. Therefore, a high output can be taken out from the initial operation of the device. In the present invention, the above “initial operation of the device” means, for example, when about 100 hours have elapsed since the start of actual driving (power generation).

本発明は、前記電解質層と前記第1極及び前記第2極中の電解質とに前記液体を浸漬等により接触させることによって、前記前処理が行われていることが望ましい。   In the present invention, it is preferable that the pretreatment is performed by bringing the liquid into contact with the electrolyte layer and the electrolyte in the first electrode and the second electrode by dipping or the like.

また、前記電解質層と前記第1極及び前記第2極中の電解質とにおける前記駆動時の液体濃度よりも高い濃度で、前記前処理が行われていることが好ましく、また前記前処理において、少なくとも前記液体の濃度及び/又は処理温度を制御することが好ましい。   In addition, it is preferable that the pretreatment is performed at a concentration higher than the liquid concentration at the time of driving in the electrolyte layer and the electrolyte in the first electrode and the second electrode, and in the pretreatment, It is preferable to control at least the concentration of the liquid and / or the processing temperature.

前記前処理用の液体としては、水、メタノール、エタノール、イソプロパノール等のアルコール又はこれらの混合液を用いることが好ましい。   As the pretreatment liquid, it is preferable to use water, alcohol such as methanol, ethanol, isopropanol or a mixture thereof.

なお、前記積層構造体を有するデバイス構造の状態で、前記液体を供給して前記電解質層と前記第1極及び前記第2極中の電解質とに前記液体を接触させることによって、前記前処理を行うことが好ましい。前記デバイス構造の状態で前記前処理を行うのは、前記積層構造体が薄膜であるためにハンドリングし難かったり、前記前処理において皺が生じたりするのを効果的に防ぐためである。   In the state of the device structure having the multilayer structure, the pretreatment is performed by supplying the liquid and bringing the liquid into contact with the electrolyte layer and the electrolyte in the first electrode and the second electrode. Preferably it is done. The reason why the pretreatment is performed in the state of the device structure is to effectively prevent the laminated structure from being difficult to handle because of the thin film, and to causing wrinkles in the pretreatment.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第1の実施の形態
図1は、本発明に基づく電気化学デバイスの製造方法の一例を工程順に示すフロー図である。
First Embodiment FIG. 1 is a flowchart showing an example of a method for producing an electrochemical device according to the present invention in the order of steps.

図1に示すように、まず、第1極と、第2極と、この電極間に挟持された電解質層とからなる積層構造体(MEA(Membrane & Electrode Assembly))を作製する。前記第1極及び前記第2極はそれぞれ、触媒層を有している。また、前記電解質層としては特に限定されないが、例えばパーフルオロスルホン酸樹脂(PFSI)によって形成することができる。   As shown in FIG. 1, first, a laminated structure (MEA (Membrane & Electrode Assembly)) composed of a first electrode, a second electrode, and an electrolyte layer sandwiched between the electrodes is manufactured. Each of the first electrode and the second electrode has a catalyst layer. The electrolyte layer is not particularly limited, but can be formed of, for example, perfluorosulfonic acid resin (PFSI).

具体的には、前記第1極と前記第2極の間に前記電解質層を挟持させた状態で、前記電解質層と前記第1極及び前記第2極中にバインダーとして含まれるイオン伝導性材料とのガラス転移点(例えばPFSIでは約120℃)以上に温度を上げて熱圧着を行うことにより、前記第1極と、前記第2極と、前記電解質層とを接合し、前記積層構造体を作製することができる。   Specifically, an ion conductive material contained as a binder in the electrolyte layer, the first electrode, and the second electrode in a state where the electrolyte layer is sandwiched between the first electrode and the second electrode. The first electrode, the second electrode, and the electrolyte layer are joined to each other by raising the temperature to a glass transition point (for example, about 120 ° C. in PFSI) or higher and performing thermocompression bonding. Can be produced.

このとき、一度、ガラス転移点以上の熱履歴をもったパーフルオロスルホン酸樹脂などからなる前記電解質層と前記第1極及び前記第2極中の電解質との液体含有率は低下し、これに伴ってイオン伝導度も低下する。   At this time, once the liquid content of the electrolyte layer made of perfluorosulfonic acid resin having a thermal history higher than the glass transition point and the electrolyte in the first electrode and the second electrode decreases, Along with this, the ionic conductivity also decreases.

次に、上記のようにして作製した前記積層構造体を用いて、後述する燃料電池等に好適であり、液体の存在下で駆動されるように構成した本発明に基づく電気化学デバイスを作製する。   Next, using the laminated structure produced as described above, an electrochemical device based on the present invention, which is suitable for a fuel cell and the like described later and configured to be driven in the presence of a liquid, is produced. .

次に、前記積層構造体を有するデバイス構造の状態で、前記液体を供給して前記電解質層と前記第1極及び前記第2極中の電解質とに前記液体を接触させることによって、前記電解質層と前記第1極及び前記第2極中の電解質との前記前処理を行う。前記デバイス構造の状態で前記前処理を行うのは、前記積層構造体が薄膜であるためにハンドリングし難かったり、前記前処理において皺が生じたりするのを効果的に防ぐためである。   Next, in the state of the device structure having the laminated structure, the electrolyte layer is supplied by supplying the liquid and bringing the liquid into contact with the electrolyte layer and the electrolyte in the first electrode and the second electrode. And the pretreatment of the electrolyte in the first electrode and the second electrode. The reason why the pretreatment is performed in the state of the device structure is to effectively prevent the laminated structure from being difficult to handle because of the thin film, and to causing wrinkles in the pretreatment.

前記液体としては、水、アルコール又はこれらの混合液を用いることが好ましい。前記アルコールとしては、メタノール、エタノール、イソプロパノール等を挙げることができる。   As the liquid, it is preferable to use water, alcohol or a mixture thereof. Examples of the alcohol include methanol, ethanol, isopropanol and the like.

ここで、前記電解質層と前記第1極及び前記第2極中の電解質とにおける前記駆動時の液体濃度よりも高い濃度で、前記前処理を行うことが好ましく、また、前記前処理において、少なくとも前記液体の濃度及び/又は処理温度を制御することが好ましい。前記液体の濃度及び/又は前記処理温度を制御することにより、前記前処理の処理時間を適宜選択することができる。   Here, it is preferable to perform the pretreatment at a concentration higher than the liquid concentration at the time of driving in the electrolyte layer and the electrolyte in the first electrode and the second electrode, and in the pretreatment, It is preferable to control the concentration of the liquid and / or the processing temperature. By controlling the concentration of the liquid and / or the treatment temperature, the treatment time of the pretreatment can be appropriately selected.

具体的には、前記電気化学デバイスを駆動させるために用いる前記液体の濃度、例えば0.4〜3mol/lよりも高い濃度、例えば2〜6mol/lを有するメタノール水溶液等の前記液体に、例えば室温〜80℃の処理温度下、前記積層構造体を有するデバイス構造の状態で、例えば1〜24時間浸漬させることにより、前記前処理を行うことができる。   Specifically, the concentration of the liquid used to drive the electrochemical device, for example, the liquid such as a methanol aqueous solution having a concentration higher than 0.4 to 3 mol / l, for example, 2 to 6 mol / l, for example, The pretreatment can be performed by immersing in the state of the device structure having the laminated structure at a treatment temperature of room temperature to 80 ° C., for example, for 1 to 24 hours.

また、前記電気化学デバイスを駆動させるために用いる前記液体の濃度、例えば0.4〜3mol/lと同じ濃度又はそれよりも低い濃度、例えば0〜2mol/lを有するメタノール水溶液等の前記液体に、例えば室温〜80℃の処理温度下、前記積層構造体を有するデバイス構造の状態で長時間、例えば1〜100時間浸漬させることにより、前記前処理を行ってもよい。   Further, the liquid used for driving the electrochemical device, for example, a liquid such as a methanol aqueous solution having the same concentration as 0.4 to 3 mol / l or a lower concentration, for example 0 to 2 mol / l. For example, the pretreatment may be performed by immersing in a device structure having the laminated structure at a treatment temperature of room temperature to 80 ° C. for a long time, for example, 1 to 100 hours.

さらに、前記電気化学デバイスを駆動させるために用いる前記液体の濃度、例えば0.4〜3mol/lと同じ濃度又はそれよりも低い濃度、例えば0〜2mol/lを有するメタノール水溶液等の前記液体に、高温下、例えば60〜100℃の処理温度下、前記積層構造体を有するデバイス構造の状態で、例えば1〜24時間浸漬させることにより、前記前処理を行ってもよい。   Furthermore, the concentration of the liquid used for driving the electrochemical device, for example, a liquid such as a methanol aqueous solution having a concentration equal to or lower than 0.4 to 3 mol / l, for example, 0 to 2 mol / l. The pretreatment may be performed by immersing in a state of a device structure having the laminated structure at a high temperature, for example, at a processing temperature of 60 to 100 ° C., for example for 1 to 24 hours.

これにより、本発明に基づく電気化学デバイスにおける前記電解質層と前記第1極及び前記第2極中の電解質との液体含有率を、前記積層構造体の作製直後では例えばメタノール濃度1mol/lにおいて27〜29重量%であったのに対し、例えば32〜35重量%と向上することができる。   Thereby, the liquid content of the electrolyte layer and the electrolyte in the first electrode and the second electrode in the electrochemical device according to the present invention is 27 immediately after the production of the laminated structure, for example, at a methanol concentration of 1 mol / l. It can be improved, for example, to 32 to 35% by weight, compared to ˜29% by weight.

前記前処理を行った後、本発明に基づく電気化学デバイスの駆動を開始する。   After the pretreatment, driving of the electrochemical device according to the present invention is started.

本実施の形態によれば、前記積層構造体を有する前記デバイス構造の状態で、前記電解質層と前記第1極及び前記第2極中の電解質とを前記液体によって前記前処理するので、前記電解質層と前記第1極及び前記第2極中の電解質との液体含有率を高めて、プロトン(H+)等のイオン伝導性の向上を図ることができる。また、前記前処理によって前記積層構造体内で特性を揃えることができる。従って、デバイスの運転初期から高い出力を取り出すことができる。 According to the present embodiment, since the electrolyte layer and the electrolyte in the first electrode and the second electrode are pretreated with the liquid in the state of the device structure having the laminated structure, the electrolyte By increasing the liquid content of the layer and the electrolyte in the first electrode and the second electrode, it is possible to improve the ion conductivity of protons (H + ) and the like. In addition, characteristics can be made uniform in the laminated structure by the pretreatment. Therefore, a high output can be taken out from the initial operation of the device.

第2の実施の形態
次に、本発明に基づく電気化学デバイスを、前記第1極に燃料が供給されかつ前記第2極に酸素が供給されてなる燃料電池に適用した例について説明する。
Second Embodiment Next, an example in which the electrochemical device according to the present invention is applied to a fuel cell in which fuel is supplied to the first electrode and oxygen is supplied to the second electrode will be described.

図2は、燃料電池として構成された本発明に基づく電気化学デバイスの一例の概略断面図である。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an example of an electrochemical device according to the present invention configured as a fuel cell.

この燃料電池2は、互いに対向する、端子5付きの負極(燃料極)6と、端子7付きの正極(酸素極)8と、これらの両極間に挟持された電解質層1とからなる積層構造体(MEA)3を有する。また、負極6及び正極8はそれぞれ、触媒層9を有している。   This fuel cell 2 has a laminated structure comprising a negative electrode (fuel electrode) 6 with a terminal 5, a positive electrode (oxygen electrode) 8 with a terminal 7, and an electrolyte layer 1 sandwiched between the two electrodes. It has a body (MEA) 3. Further, each of the negative electrode 6 and the positive electrode 8 has a catalyst layer 9.

また、電解質層1と負極6及び正極8中の前記電解質とは、上記した第1の実施の形態と同様にして、前記液体によって前記前処理されている。   The electrolyte layer 1 and the electrolyte in the negative electrode 6 and the positive electrode 8 are pretreated with the liquid in the same manner as in the first embodiment.

この燃料電池2のメカニズムは、使用時には、負極6側ではメタノール水溶液流路12中にメタノール水溶液が通される。燃料(メタノール)が流路12を通過する間に負極6で水素イオンが発生し、この水素イオンが電解質層1を通過して正極8側へ移動する。一方、イオン化するときに放出した電子は外部回路を通過して正極8側へ移動する。正極8において水素イオンと電子はO2流路13を通る酸素(空気)と反応し、これにより所望の起電力が取り出される。 In the mechanism of the fuel cell 2, the methanol aqueous solution is passed through the methanol aqueous solution flow path 12 on the negative electrode 6 side during use. While the fuel (methanol) passes through the flow path 12, hydrogen ions are generated at the negative electrode 6, and the hydrogen ions pass through the electrolyte layer 1 and move to the positive electrode 8 side. On the other hand, electrons released when ionizing pass through the external circuit and move to the positive electrode 8 side. In the positive electrode 8, hydrogen ions and electrons react with oxygen (air) passing through the O 2 flow path 13, thereby taking out a desired electromotive force.

ここで、触媒層9付きの負極6、電解質層1及び触媒層9付きの正極8からなる積層構造体(MEA)3が複数個積層されて一体構造に形成されていてもよく、この場合は、より高い起電力を容易に得られるという効果がある。また、燃料としてメタノール水溶液を用いる例を説明したが、その他の燃料を用いることも勿論可能である。   Here, a plurality of laminated structures (MEA) 3 composed of the negative electrode 6 with the catalyst layer 9, the electrolyte layer 1, and the positive electrode 8 with the catalyst layer 9 may be laminated to form an integral structure. There is an effect that a higher electromotive force can be easily obtained. Moreover, although the example using methanol aqueous solution was demonstrated as a fuel, of course, it is also possible to use another fuel.

かかる燃料電池2は、電解質層1と負極6及び正極8中の前記電解質とが前記液体によって前記前処理されているので、電解質層1と負極6及び正極8中の前記電解質との液体含有率を高めて、プロトン(H+)等のイオン伝導性を向上させることができる。従って、デバイスの運転初期から高い出力を取り出すことができる。 In the fuel cell 2, the electrolyte layer 1, the negative electrode 6, and the electrolyte in the positive electrode 8 are pretreated with the liquid, and therefore the liquid content of the electrolyte layer 1, the negative electrode 6, and the electrolyte in the positive electrode 8. And ion conductivity of protons (H + ) and the like can be improved. Therefore, a high output can be taken out from the initial operation of the device.

以下、本発明に基づく実施例について説明する。   Examples according to the present invention will be described below.

実施例1
パーフルオロスルホン酸樹脂(PFSI)からなる電解質層と、白金担持カーボン及びPFSIからなる触媒層とを120℃以上、20kg/cm2以上、5〜30分間の条件下で熱圧着し、前記積層構造体(MEA)を作製した。そして、得られたMEAを用いて図2に示すような電気化学デバイスを作製した。ここで、電気化学デバイスにおける電解質層の液体含有率(メタノール濃度)を測定したところ、27重量%であった。なお、上記の「重量%」は以下の式(1)によって算出した(以下、同様)。
Example 1
The laminated structure is formed by thermocompression bonding of an electrolyte layer made of perfluorosulfonic acid resin (PFSI) and a catalyst layer made of platinum-supporting carbon and PFSI under conditions of 120 ° C. or higher, 20 kg / cm 2 or higher, and 5 to 30 minutes. A body (MEA) was prepared. And the electrochemical device as shown in FIG. 2 was produced using obtained MEA. Here, when the liquid content (methanol concentration) of the electrolyte layer in the electrochemical device was measured, it was 27% by weight. In addition, said "weight%" was computed by the following formula | equation (1) (hereinafter the same).

重量%=水溶液重量÷樹脂の乾燥重量×100…(1)     % By weight = weight of aqueous solution / dry weight of resin × 100 (1)

上記のようにして作製した電気化学デバイスの特性を評価した。なお、測定は、アノード側に1mol/lのメタノール水溶液を供給し、カソード側に空気を供給して80℃で行い、このときの電流密度と内部抵抗の関係、電流密度と電圧の関係、及び電流密度と出力密度の関係をそれぞれ測定した。結果を図3に示す。   The characteristics of the electrochemical device produced as described above were evaluated. The measurement is performed by supplying 1 mol / l aqueous methanol solution to the anode side and supplying air to the cathode side at 80 ° C. The relationship between the current density and the internal resistance, the relationship between the current density and the voltage, and The relationship between current density and power density was measured. The results are shown in FIG.

次に、上記の積層構造体を有するデバイス構造の状態で、0.6mol/lのメタノール水溶液に室温で100時間浸漬した。浸漬時は上記の積層構造体を有するデバイス構造の状態で発電をせず、液体循環のみを行った。デバイス構造の状態で浸漬を行うことにより、電解質層の含水率の上昇によって発生する皺などでシール性が低下することを防止することができる。その後、電解質層の液体含有率(メタノール濃度)を測定したところ、32重量%であった。また、この電気化学デバイスについて、上記と同様にして測定を行った。結果を図3に併せて示す。   Next, in the state of the device structure having the above laminated structure, it was immersed in a 0.6 mol / l aqueous methanol solution at room temperature for 100 hours. At the time of immersion, power was not generated in the state of the device structure having the above laminated structure, and only liquid circulation was performed. By dipping in the state of the device structure, it is possible to prevent the sealing performance from being lowered due to wrinkles generated by the increase in the moisture content of the electrolyte layer. Thereafter, the liquid content (methanol concentration) of the electrolyte layer was measured and found to be 32% by weight. The electrochemical device was measured in the same manner as described above. The results are also shown in FIG.

図3より明らかなように、0.6mol/lのメタノール水溶液に浸漬する前の電気化学デバイスは、電解質層の液体含有率は27重量%と低かったので、デバイスを駆動し始めてから180分間におよぶ繰り返し測定の期間において、内部抵抗が大きく、また電圧及び最大出力が低かった。これに対し、0.6mol/lのメタノール水溶液に100時間浸漬することによって、前記電解質層と前記第1極及び前記第2極中の電解質とが前記前処理されてなる電気化学デバイスは、電解質層の液体含有率が32重量%と上昇したので、デバイスを駆動し始めてから3分間の初期から、電圧及び最大出力が大幅に向上し、また内部抵抗も低下した。また、前記前処理によって、使用前に予め前記積層構造体内の特性を揃えることができ、ピークが出る時間が同程度であった。   As is clear from FIG. 3, the electrochemical device before being immersed in the 0.6 mol / l aqueous methanol solution had a low liquid content of 27% by weight in the electrolyte layer. During the repeated measurement period, the internal resistance was high, and the voltage and maximum output were low. In contrast, an electrochemical device in which the electrolyte layer and the electrolyte in the first electrode and the second electrode are pretreated by immersing in a 0.6 mol / l aqueous methanol solution for 100 hours is an electrolyte. Since the liquid content of the layer increased to 32% by weight, the voltage and maximum output were greatly improved and the internal resistance was reduced from the beginning of 3 minutes after starting to drive the device. In addition, the pretreatment made it possible to align the characteristics in the laminated structure in advance before use, and the time for peaking was about the same.

実施例2
図2に示すような電気化学デバイスを作製し、流路12及び13中に6mol/lのメタノール水溶液を80℃で3時間循環させたこと以外は、実施例1と同様にして、処理前及び処理後のデバイス特性をそれぞれ測定した。結果を図4に併せて示す。なお、電解質層の液体含有率を測定したところ、メタノール1mol/l水溶液による処理前は28重量%であったのに対し、処理後では33重量%にまで上昇した。
Example 2
An electrochemical device as shown in FIG. 2 was prepared, and a 6 mol / l methanol aqueous solution was circulated in the flow channels 12 and 13 at 80 ° C. for 3 hours, in the same manner as in Example 1, before the treatment and The device characteristics after the treatment were measured. The results are also shown in FIG. When the liquid content of the electrolyte layer was measured, it was 28% by weight before the treatment with the 1 mol / l aqueous methanol solution, but increased to 33% by weight after the treatment.

図4より明らかなように、6mol/lのメタノール水溶液による処理前の電気化学デバイスは、電解質層の液体含有率は28重量%と低かったので、デバイスを駆動し始めてから180分間におよぶ繰り返し測定の期間において、内部抵抗が大きく、また電圧及び最大出力が低かった。これに対し、6mol/lのメタノール水溶液に80℃で3時間処理を行った後の電気化学デバイスは、電解質層の液体含有率が33重量%にまで上昇したので、デバイスを駆動し始めてから3分間の初期から、電圧及び最大出力が大幅に向上し、また内部抵抗も低下した。また、前記前処理によって、使用前に予め前記積層構造体内の特性を揃えることができ、ピークが出る時間が同程度であった。   As is clear from FIG. 4, the electrochemical device before treatment with the 6 mol / l methanol aqueous solution had a low liquid content of 28% by weight of the electrolyte layer. Therefore, repeated measurement over 180 minutes after starting to drive the device. During this period, the internal resistance was large, and the voltage and maximum output were low. On the other hand, in the electrochemical device after the 6 mol / l methanol aqueous solution was treated at 80 ° C. for 3 hours, the liquid content of the electrolyte layer was increased to 33% by weight. From the beginning of the minute, the voltage and maximum output improved significantly, and the internal resistance also decreased. In addition, the pretreatment made it possible to align the characteristics in the laminated structure in advance before use, and the time for peaking was about the same.

以上より明らかなように、本発明によれば、メタノール水溶液等の前記液体の存在下で駆動されるように構成した電気化学デバイスにおいて、前記電解質層と前記第1極及び前記第2極中の前記電解質とが前記液体によって前処理されているので、前記電解質層と前記第1極及び前記第2極中の前記電解質との液体含有率を高めて、プロトン(H+)等のイオン伝導性を向上させることができた。従って、デバイスの運転初期から高い出力を取り出すことができた。 As is clear from the above, according to the present invention, in the electrochemical device configured to be driven in the presence of the liquid such as an aqueous methanol solution, the electrolyte layer, the first electrode, and the second electrode Since the electrolyte is pretreated with the liquid, the liquid content of the electrolyte layer and the electrolyte in the first electrode and the second electrode is increased, and ion conductivity such as proton (H + ) is increased. Was able to improve. Therefore, a high output could be extracted from the initial operation of the device.

また、実施例1と実施例2とを比較してみると、前記前処理に用いたメタノール水溶液の濃度が高く、また処理温度が高いほうが、処理時間が短かったものの、より良好な特性が得られることが分かった。   Further, when Example 1 and Example 2 are compared with each other, the concentration of the aqueous methanol solution used for the pretreatment is higher and the treatment temperature is higher, but the treatment time is shorter, but better characteristics are obtained. I found out that

以上、本発明を実施の形態及び実施例について説明したが、上述の例は、本発明の技術的思想に基づき種々に変形が可能である。   While the present invention has been described with reference to the embodiments and examples, the above examples can be variously modified based on the technical idea of the present invention.

例えば、燃料電池等として好適な本発明に基づく電気化学デバイスにおいて、その形状、構成、材質等は本発明を逸脱しない限り、適宜選択可能である。   For example, in an electrochemical device based on the present invention suitable for a fuel cell or the like, the shape, configuration, material, and the like can be appropriately selected without departing from the present invention.

本発明の実施の形態における、本発明に基づく電気化学デバイスの製造方法の一例を工程順に示すフロー図である。It is a flowchart which shows an example of the manufacturing method of the electrochemical device based on this invention in embodiment of this invention in process order. 同、燃料電池として構成された本発明に基づく電気化学デバイスの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the electrochemical device based on this invention comprised as a fuel cell equally. 本発明の実施例における、本発明に基づく製造方法によって作製されたデバイスの特性を比較して示すグラフである。It is a graph which compares and shows the characteristic of the device produced by the manufacturing method based on this invention in the Example of this invention. 同、本発明に基づく製造方法によって作製されたデバイスの特性を比較して示すグラフである。2 is a graph showing a comparison of the characteristics of devices manufactured by the manufacturing method according to the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…電解質層、2…燃料電池、3…積層構造体(MEA)、5、7…端子、6…負極、8…正極、9…触媒層、12…メタノール流路、13…O2流路 1 ... electrolyte layer, 2 ... fuel cell, 3 ... multilayer structure (MEA), 5, 7 ... terminal, 6 ... anode, 8 ... positive electrode, 9 ... catalyst layer, 12 ... methanol passage, 13 ... O 2 passage

Claims (17)

第1極と、第2極と、この電極間に挟持された電解質層とからなる積層構造体を有し、液体の存在下で駆動されるように構成した電気化学デバイスにおいて、少なくとも前記電解質層が前記液体によって前処理されていることを特徴とする、電気化学デバイス。   In an electrochemical device having a laminated structure including a first electrode, a second electrode, and an electrolyte layer sandwiched between the electrodes, and configured to be driven in the presence of a liquid, at least the electrolyte layer An electrochemical device characterized in that is pretreated with the liquid. 前記電解質層と前記第1極及び前記第2極中の電解質とに前記液体を接触させることによって、前記前処理が行われている、請求項1に記載した電気化学デバイス。   The electrochemical device according to claim 1, wherein the pretreatment is performed by bringing the liquid into contact with the electrolyte layer and the electrolyte in the first electrode and the second electrode. 前記電解質層と前記第1極及び前記第2極中の電解質とにおける前記駆動時の液体濃度よりも高い濃度で、前記前処理が行われている、請求項2に記載した電気化学デバイス。   The electrochemical device according to claim 2, wherein the pretreatment is performed at a concentration higher than a liquid concentration at the time of driving in the electrolyte layer and the electrolyte in the first electrode and the second electrode. 前記前処理用の液体が、水、アルコール又はこれらの混合液である、請求項1に記載した電気化学デバイス。   The electrochemical device according to claim 1, wherein the pretreatment liquid is water, alcohol, or a mixture thereof. 燃料電池として構成された、請求項1に記載した電気化学デバイス。   The electrochemical device according to claim 1 configured as a fuel cell. 第1極と、第2極と、この電極間に挟持された電解質層とからなる積層構造体を有し、液体の存在下で駆動されるように構成した電気化学デバイスの製造方法において、少なくとも前記電解質層を前記液体によって前処理することを特徴とする、電気化学デバイスの製造方法。   In the method for manufacturing an electrochemical device having a laminated structure including a first electrode, a second electrode, and an electrolyte layer sandwiched between the electrodes, and configured to be driven in the presence of a liquid, A method for producing an electrochemical device, wherein the electrolyte layer is pretreated with the liquid. 前記積層構造体を有するデバイス構造の状態で、前記液体を供給して前記電解質層と前記第1極及び前記第2極中の電解質とに前記液体を接触させることによって、前記前処理を行う、請求項6に記載した電気化学デバイスの製造方法。   The pretreatment is performed by supplying the liquid and bringing the liquid into contact with the electrolyte layer and the electrolyte in the first electrode and the second electrode in the state of the device structure having the laminated structure. The method for producing an electrochemical device according to claim 6. 前記電解質層と前記第1極及び前記第2極中の電解質とにおける前記駆動時の液体濃度よりも高い濃度で、前記前処理を行う、請求項7に記載した電気化学デバイスの製造方法。   The method for manufacturing an electrochemical device according to claim 7, wherein the pretreatment is performed at a concentration higher than the liquid concentration at the time of driving in the electrolyte layer and the electrolyte in the first electrode and the second electrode. 前記前処理において、少なくとも前記液体の濃度及び/又は処理温度を制御する、請求項8に記載した電気化学デバイスの製造方法。   The method for producing an electrochemical device according to claim 8, wherein in the pretreatment, at least a concentration of the liquid and / or a treatment temperature is controlled. 前記前処理用の液体として、水、アルコール又はこれらの混合液を用いる、請求項6に記載した電気化学デバイスの製造方法。   The method for producing an electrochemical device according to claim 6, wherein water, alcohol, or a mixture thereof is used as the pretreatment liquid. 燃料電池を製造する、請求項6に記載した電気化学デバイスの製造方法。   The method for producing an electrochemical device according to claim 6, wherein a fuel cell is produced. 第1極と、第2極と、この電極間に挟持された電解質層とからなる積層構造体を有し、液体の存在下で駆動されるように構成した電気化学デバイスの駆動方法において、少なくとも前記電解質層を前記液体によって前処理した後に、駆動を開始することを特徴とする、電気化学デバイスの駆動方法。   In the method of driving an electrochemical device having a laminated structure composed of a first electrode, a second electrode, and an electrolyte layer sandwiched between the electrodes, and configured to be driven in the presence of a liquid, at least A driving method of an electrochemical device, wherein driving is started after the electrolyte layer is pretreated with the liquid. 前記積層構造体を有するデバイス構造の状態で、前記液体を供給して前記電解質層と前記第1極及び前記第2極中の電解質とに前記液体を接触させることによって、前記前処理を行う、請求項12に記載した電気化学デバイスの駆動方法。   The pretreatment is performed by supplying the liquid and bringing the liquid into contact with the electrolyte layer and the electrolyte in the first electrode and the second electrode in the state of the device structure having the laminated structure. The method for driving an electrochemical device according to claim 12. 前記電解質層と前記第1極及び前記第2極中の電解質とにおける前記駆動時の液体濃度よりも高い濃度で、前記前処理を行う、請求項13に記載した電気化学デバイスの駆動方法。   The method for driving an electrochemical device according to claim 13, wherein the pretreatment is performed at a concentration higher than the liquid concentration at the time of driving in the electrolyte layer and the electrolyte in the first electrode and the second electrode. 前記前処理において、少なくとも前記液体の濃度及び/又は処理温度を制御する、請求項14に記載した電気化学デバイスの駆動方法。   The method for driving an electrochemical device according to claim 14, wherein at least the concentration of the liquid and / or the processing temperature is controlled in the pretreatment. 前記前処理用の液体として、水、アルコール又はこれらの混合液を用いる、請求項12に記載した電気化学デバイスの駆動方法。   The method for driving an electrochemical device according to claim 12, wherein water, alcohol or a mixture thereof is used as the pretreatment liquid. 燃料電池を駆動する、請求項12に記載した電気化学デバイスの駆動方法。   The method for driving an electrochemical device according to claim 12, wherein the fuel cell is driven.
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