JP7037696B1 - Manufacturing method of electrolyte membrane for direct methanol fuel cell and direct methanol fuel cell system - Google Patents
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Abstract
【課題】出力の低下を抑制可能な直接メタノール形燃料電池用電解質膜の製造方法及び直接メタノール形燃料電池システムを提供する。【解決手段】電解質膜33の製造方法は、成膜工程と吸着工程とを備える。成膜工程では、イオン伝導性を有するセラミック材料と、絶縁性を有する有機高分子材料とを含む電解質膜を成膜する。吸着工程では、電解質膜に含まれる親水基にメタノール及びエタノールの少なくとも一方を吸着させる。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing an electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell capable of suppressing a decrease in output and a direct methanol fuel cell system. A method for manufacturing an electrolyte membrane 33 includes a film forming step and an adsorption step. In the film forming step, an electrolyte film containing a ceramic material having ionic conductivity and an organic polymer material having insulating properties is formed. In the adsorption step, at least one of methanol and ethanol is adsorbed on the hydrophilic group contained in the electrolyte membrane. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、直接メタノール形燃料電池用電解質膜の製造方法及び直接メタノール形燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell and a direct methanol fuel cell system.
従来、燃料電池の一種として、メタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池(DMFC:Direct Methanol fuel cell)が知られている。 Conventionally, as a kind of fuel cell, a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol as a fuel is known.
従来、DMFC用の電解質として、パーフルオロスルホン酸系ポリマーであるナフィオン(デュポン社製、登録商標)からなる固体高分子電解質が広く用いられてきたが、燃料クロスオーバーが大きいだけでなく、乾湿サイクルにおける寸法変化が大きいという問題がある。 Conventionally, a solid polymer electrolyte composed of Nafion (DuPont, registered trademark), which is a perfluorosulfonic acid-based polymer, has been widely used as an electrolyte for a DMFC. There is a problem that the dimensional change is large in.
そこで、特許文献1では、炭化水素系高分子電解質とポリテトラフルオロエチレンからなる支持体とを複合化させた電解質膜が提案されている。しかしながら、特許文献1では、高分子電解質が用いられているため耐久性が低いという問題がある。
Therefore,
そこで、特許文献2では、イオン伝導性を有するセラミック材料と絶縁性材料によって構成される支持体とを複合化させた電解質膜が提案されている。 Therefore, Patent Document 2 proposes an electrolyte membrane in which a ceramic material having ionic conductivity and a support made of an insulating material are composited.
しかしながら、特許文献2に記載の電解質膜では、DMFCが出力低下しやすいという問題がある。本発明者等が鋭意検討した結果、出力低下の一要因は、電解質膜に含まれる親水基(例えば、セラミック材料などの表面に存在する水酸基(-OH)やカルボキシ基(-COOH)など)に吸着した水(H2O)を介して、燃料として供給されるメタノールが電解質膜を透過してしまうことにあるという知見を得た。 However, the electrolyte membrane described in Patent Document 2 has a problem that the output of the DMFC tends to decrease. As a result of diligent studies by the present inventors, one factor of the decrease in output is a hydrophilic group contained in the electrolyte membrane (for example, a hydroxyl group (-OH) or a carboxy group (-COOH) existing on the surface of a ceramic material or the like). It was found that the methanol supplied as a fuel permeates the electrolyte membrane through the adsorbed water ( H2O ).
本発明は、上述した新規な知見に基づいてなされたものであり、出力の低下を抑制可能な直接メタノール形燃料電池用電解質膜の製造方法及び直接メタノール形燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made based on the above-mentioned novel findings, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing an electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell and a direct methanol fuel cell system capable of suppressing a decrease in output. do.
本発明に係る直接メタノール形燃料電池用電解質膜の製造方法は、イオン伝導性を有するセラミック材料と、絶縁性を有する有機高分子材料とを含む電解質膜を成膜する成膜工程と、電解質膜に含まれる親水基にメタノール及びエタノールの少なくとも一方を吸着させる吸着工程とを備える。 The method for producing an electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell according to the present invention includes a film forming step of forming an electrolyte membrane containing a ceramic material having ionic conductivity and an organic polymer material having insulating properties, and an electrolyte membrane. It is provided with an adsorption step of adsorbing at least one of methanol and ethanol to the hydrophilic group contained in the above.
本発明によれば、出力の低下を抑制可能な直接メタノール形燃料電池用電解質膜の製造方法及び直接メタノール形燃料電池システムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing an electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell and a direct methanol fuel cell system capable of suppressing a decrease in output.
(直接メタノール形燃料電池システム1の構成)
図1は、直接メタノール形燃料電池システム(以下、「DMFCシステム」と略称する。)1の構成を示す模式図である。
(Configuration of direct methanol fuel cell system 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a direct methanol fuel cell system (hereinafter, abbreviated as “DMFC system”) 1.
DMFCシステム1は、ハウジング2及び直接メタノール形燃料電池(以下、「DMFC」と略称する。)3を備える。
The DMFC
(ハウジング2)
ハウジング2は、DMFC3を内部に収容する。
(Housing 2)
The housing 2 houses the DMFC 3 inside.
ハウジング2は、酸化剤供給部21及び燃料供給部22を内部に有する。酸化剤供給部21及び燃料供給部22の間には、DMFC3が配置される。
The housing 2 has an
酸化剤供給部21は、後述するカソード31に酸素(O2)を含む酸化剤を供給する。酸化剤としては、空気を用いるのが好ましく、空気は加湿されていることがより好ましい。酸化剤供給部21は、供給管21a、供給空間21b及び排出管21cを有する。供給管21aから導入される酸化剤は、供給空間21bにおいてカソード31に供給される。カソード31において消費されなかった酸化剤は、排出管21cから外部に排出される。
The
燃料供給部22は、DMFC3の作動中、メタノール(CH3OH)を含む燃料を後述するアノード32に気相供給する。燃料としてのメタノールは、その一部のみが気相状態であってもよいが、その全部が気相状態であることが好ましい。燃料供給部22は、供給管22a、供給空間22b及び排出管22cを有する。供給管22aから導入される燃料は、供給空間22bにおいてアノード32に供給される。アノード32において消費されなかった燃料とアノード32において発生する二酸化炭素及び水(H2O)は、排出管22cから外部に排出される。
During the operation of
(DMFC3)
DMFC3は、直接メタノール形燃料電池の一例である。DMFC3は、水酸化物イオンをキャリアとするアルカリ形燃料電池(AFC:Alkaline Fuel Cel)の一種である。DMFC3は、カソード31、アノード32、及び電解質膜33(直接メタノール形燃料電池用電解質膜の一例)を備える。
(DMFC3)
The DMFC3 is an example of a direct methanol fuel cell. DMFC3 is a kind of alkaline fuel cell (AFC: Alkaline Fuel Cell) having a hydroxide ion as a carrier. The DMFC 3 includes a
DMFC3は、下記の電気化学反応式に基づいて、比較的低温(例えば、50℃~250℃)で発電することが好ましい。 DMFC3 preferably generates electricity at a relatively low temperature (for example, 50 ° C. to 250 ° C.) based on the following electrochemical reaction formula.
・カソード31: 3/2O2+3H2O+6e-→6OH-
・アノード32: CH3OH+6OH-→6e-+CO2+5H2O
・ 全体 : CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O
1.カソード31
カソード31は、一般に空気極と呼ばれる陽極である。DMFC3の発電中、カソード31には、酸素(O2)を含む酸化剤が酸化剤供給部21から供給される。カソード31は、内部に酸化剤を拡散可能な多孔質体である。カソード31の気孔率は特に制限されない。カソード31の厚みは特に制限されないが、例えば10~200μmとすることができる。
・ Cathode 31: 3 / 2O 2 + 3H 2 O + 6e - → 6OH -
・ Anode 32: CH 3 OH + 6OH- → 6e- + CO 2 + 5H 2 O
・ Overall: CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
1. 1. Cathode 31
The
カソード31は、アルカリ形燃料電池に使用される公知の空気極触媒を含むものであればよく、特に限定されない。カソード31の触媒の例としては、白金族元素(Ru、Rh、Pd、Ir、Pt)、鉄族元素(Fe、Co、Ni)等の第8~10族元素(IUPAC形式での周期表において第8~10族に属する元素)、Cu、Ag、Au等の第11族元素(IUPAC形式での周期表において第11族に属する元素)、ロジウムフタロシアニン、テトラフェニルポルフィリン、Coサレン、Niサレン(サレン=N,N’-ビス(サリチリデン)エチレンジアミン)、銀硝酸塩、及びこれらの任意の組み合わせが挙げられる。カソード31における触媒の担持量は特に限定されないが、好ましくは0.05~10mg/cm2、より好ましくは、0.05~5mg/cm2である。触媒はカーボンに担持させるのが好ましい。カソード31の好ましい例としては、白金担持カーボン(Pt/C)、白金コバルト担持カーボン(PtCo/C)、パラジウム担持カーボン(Pd/C)、ロジウム担持カーボン(Rh/C)、ニッケル担持カーボン(Ni/C)、銅担持カーボン(Cu/C)、及び銀担持カーボン(Ag/C)が挙げられる。
The
カソード31の作製方法は特に限定されないが、例えば、空気極触媒及び所望により担体をバインダーと混合してペースト状にし、このペースト状混合物を電解質膜33の一方の面に塗布することにより形成することができる。
The method for producing the
2.アノード32
アノード32は、一般に燃料極と呼ばれる陰極である。DMFC3の発電中、アノード32には、メタノールを含む燃料が燃料供給部22から供給される。アノード32は、内部にメタノールを拡散可能な多孔質体である。アノード32の気孔率は特に制限されない。アノード32の厚みは特に制限されないが、例えば10~500μmとすることができる。
2. 2.
The
アノード32は、アルカリ形燃料電池に使用される公知のアノード触媒を含むものであればよく、特に限定されない。アノード32の触媒の例としては、Pt、Ni、Co、Fe、Ru、Sn、及びPd等の金属触媒が挙げられる。金属触媒は、カーボン等の担体に担持されるのが好ましいが、金属触媒の金属原子を中心金属とする有機金属錯体の形態としてもよく、この有機金属錯体を担体として担持されていてもよい。また、触媒の表面には多孔質材料等で構成された拡散層を配置してもよい。アノード32の好ましい例としては、ニッケル、コバルト、銀、白金担持カーボン(Pt/C)、白金ルテニウム担持カーボン(PtRu/C)、パラジウム担持カーボン(Pd/C)、ロジウム担持カーボン(Rh/C)、ニッケル担持カーボン(Ni/C)、銅担持カーボン(Cu/C)、及び銀担持カーボン(Ag/C)が挙げられる。
The
アノード32の作製方法は特に限定されないが、例えば、アノード触媒及び所望により担体をバインダーと混合してペースト状にし、このペースト状混合物を電解質膜33の他方の面に塗布することにより形成することができる。
The method for producing the
3.電解質膜33
電解質膜33は、カソード31及びアノード32の間に配置される。電解質膜33は、膜状、層状、或いは、シート状に形成される。電解質膜33の厚みは特に制限されないが、例えば5~100μmとすることができる。
3. 3.
The
電解質膜33は、水酸化物イオン伝導性を有するセラミック材料と、絶縁性を有する有機高分子材料とを含む。電解質膜33におけるセラミック材料の含有量は、30~70vol%とすることができ、イオン伝導性を考慮すると50~70vol%が好ましい。電解質膜33は、所望により添加剤(分散剤など)を含んでいてもよい。
The
電解質膜33は、親水基を含んでいる。親水基とは、セラミック材料、有機高分子材料、或いは、添加剤などの表面に存在する水酸基(-OH)やカルボキシ基(-COOH)のような親水性の官能基である。
The
本実施形態において、電解質膜33に含まれる親水基の少なくとも一部には、メタノール及びエタノールの少なくとも一方(以下、「メタノール等」と総称する。)が吸着している。
In the present embodiment, at least one of methanol and ethanol (hereinafter collectively referred to as "methanol and the like") is adsorbed on at least a part of the hydrophilic groups contained in the
このように、電解質膜33に含まれる親水基にメタノール等が予め吸着されていることによって、DMFC3の作動開始後、アノード32において生成される水(H2O)が親水基に吸着することを抑制できる。そのため、燃料に含まれるメタノールが、親水基に吸着した水を介して電解質膜33を透過してしまうことを抑制できる。その結果、DMFC3の出力低下を抑制できる。メタノール等を親水基に予め吸着させる方法については後述する。
As described above, since methanol or the like is previously adsorbed on the hydrophilic group contained in the
セラミック材料は、有機高分子材料中に分散されている。セラミック材料は、有機高分子材料によって支持される。 The ceramic material is dispersed in the organic polymer material. Ceramic materials are supported by organic polymer materials.
セラミック材料としては、水酸化物イオン伝導性を有する周知のセラミック材料を用いることができる。このようなセラミック材料としては、例えば、以下に説明する層状複水酸化物(LDH:Layered Double Hydroxide)が挙げられる。 As the ceramic material, a well-known ceramic material having hydroxide ion conductivity can be used. Examples of such a ceramic material include layered double hydroxides (LDH) described below.
LDHは、M2+ 1-xM3+ x(OH)2An-x/n・mH2O(式中、M2+は2価の陽イオン、M3+は3価の陽イオンであり、An-はn価の陰イオン、nは1以上の整数、xは0.1~0.4、mは水のモル数を意味する任意の整数である)の一般式で示される基本組成を有する。M2+の例としてはMg2+、Ca2+、Sr2+、Ni2+、Co2+、Fe2+、Mn2+、及びZn2+が挙げられ、M3+の例としては、Al3+、Fe3+、Ti3+、Y3+、Ce3+、Mo3+、及びCr3+が挙げられ、An-の例としてはCO3 2-及びOH-が挙げられる。M2+及びM3+としては、それぞれ1種単独で又は2種以上を組み合わせて用いることもできる。 LDH is M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n- x / n · mH 2 O (in the formula, M 2+ is a divalent cation, M 3+ is a trivalent cation, and A n- is an n-valent anion, n is an integer of 1 or more, x is 0.1 to 0.4, and m is an arbitrary integer meaning the number of moles of water). Have. Examples of M 2+ include Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , and Zn 2+ , and examples of M 3+ include Al 3+ , Fe 3+ , Ti 3+ , Examples include Y 3+ , Ce 3+ , Mo 3+ , and Cr 3+ , and examples of An − include CO 3 2- and OH − . As M 2+ and M 3+ , one type may be used alone or two or more types may be used in combination.
LDHは、複数の水酸化物基本層と、これら複数の水酸化物基本層間に介在する中間層とから構成される。中間層は、陰イオン及びH2Oで構成される。水酸化物基本層は、例えば金属MがNi、Al、Tiの場合には、Ni、Al、Ti及びOH基を含む。以下、LDHの水酸化物基本層がNi、Al、Ti及びOH基を含む場合について説明する。 LDH is composed of a plurality of hydroxide basic layers and an intermediate layer interposed between the plurality of hydroxide basic layers. The middle layer is composed of anions and H2O . The hydroxide basic layer contains, for example, Ni, Al, Ti and OH groups when the metal M is Ni, Al, Ti. Hereinafter, the case where the hydroxide basic layer of LDH contains Ni, Al, Ti and OH groups will be described.
LDH中のNiはニッケルイオンの形態を採りうる。LDH中のニッケルイオンは典型的にはNi2+であると考えられるが、Ni3+等の他の価数もありうるため、特に限定されない。LDH中のAlはアルミニウムイオンの形態を採りうる。LDH中のアルミニウムイオンは典型的にはAl3+であると考えられるが、他の価数もありうるため、特に限定されない。LDH中のTiはチタンイオンの形態を採りうる。LDH中のチタンイオンは典型的にはTi4+であると考えられるが、Ti3+等の他の価数もありうるため、特に限定されない。水酸化物基本層は、Ni、Al、Ti及びOH基を主要構成要素として含むのが好ましいが、他の元素ないしイオンを含んでいてもよいし、不可避不純物を含んでいてもよい。不可避不純物は、製法上不可避的に混入されうる任意元素であり、例えば原料や基材に由来してLDH中に混入しうる。 Ni in LDH can take the form of nickel ions. Nickel ions in LDH are typically considered to be Ni 2+ , but are not particularly limited as other valences such as Ni 3+ are possible. Al in LDH can take the form of aluminum ions. Aluminum ions in LDH are typically considered to be Al 3+ , but are not particularly limited as other valences are possible. Ti in LDH can take the form of titanium ions. Titanium ions in LDH are typically considered to be Ti 4+ , but are not particularly limited as other valences such as Ti 3+ are possible. The hydroxide basic layer preferably contains Ni, Al, Ti and OH groups as main components, but may contain other elements or ions, or may contain unavoidable impurities. The unavoidable impurity is an arbitrary element that can be unavoidably mixed in the production method, and can be mixed in LDH, for example, derived from a raw material or a base material.
LDHの中間層は、陰イオン及びH2Oで構成される。陰イオンは1価以上の陰イオン、好ましくは1価又は2価のイオンである。好ましくは、LDH中の陰イオンはOH-及び/又はCO3 2-を含む。 The middle layer of LDH is composed of anions and H2O . The anion is a monovalent or higher anion, preferably a monovalent or divalent ion. Preferably, the anions in LDH contain OH - and / or CO 3-2- .
上記のとおり、Ni、Al及びTiの価数は必ずしも定かではないため、LDHを一般式で厳密に特定することは非実際的又は不可能である。仮に水酸化物基本層が主としてNi2+、Al3+、Ti4+及びOH基で構成されるものと想定した場合、LDHは、一般式:Ni2+ 1-x-yAl3+ xTi4+ y(OH)2An- (x+2y)/n・mH2O(式中、An-はn価の陰イオン、nは1以上の整数、好ましくは1又は2であり、0<x<1、好ましくは0.01≦x≦0.5、0<y<1、好ましくは0.01≦y≦0.5、0<x+y<1、mは0以上、典型的には0を超える又は1以上の実数である)なる基本組成で表すことができる。もっとも、上記一般式はあくまで「基本組成」と解されるべきであり、Ni2+、Al3+、Ti4+等の元素がLDHの基本的特性を損なわない程度に他の元素又はイオン(同じ元素の他の価数の元素又はイオンや製法上不可避的に混入されうる元素又はイオンを含む)で置き換え可能なものとして解されるべきである。 As mentioned above, since the valences of Ni, Al and Ti are not always fixed, it is impractical or impossible to specify LDH strictly by a general formula. Assuming that the basic hydroxide layer is mainly composed of Ni 2+ , Al 3+ , Ti 4+ and OH groups, LDH is expressed by the general formula: Ni 2+ 1-xy Al 3+ x Ti 4+ y (OH). ) 2A n- (x + 2y) / n · mH 2 O ( In the formula, Ann- is an n-valent anion, n is an integer of 1 or more, preferably 1 or 2, and 0 <x <1, preferably. 0.01 ≦ x ≦ 0.5, 0 <y <1, preferably 0.01 ≦ y ≦ 0.5, 0 <x + y <1, m is 0 or more, typically more than 0 or 1 or more It can be expressed by the basic composition (which is a real number of). However, the above general formula should be understood as "basic composition" to the extent that elements such as Ni 2+ , Al 3+ , and Ti 4+ do not impair the basic characteristics of LDH, and other elements or ions (of the same element). It should be understood as replaceable with elements or ions of other valences or elements or ions that can be unavoidably mixed in the process.
有機高分子材料は、絶縁性を有する。有機高分子材料としては、絶縁性を有する周知の有機高分子材料を用いることができる。このような有機高分子材料としては、例えば、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、フッ素樹脂(四フッ素化樹脂:PTFE等)、セルロース、ナイロン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリフッ化ビニリデン及びこれらの任意の組合せが挙げられる。 Organic polymer materials have insulating properties. As the organic polymer material, a well-known organic polymer material having an insulating property can be used. Examples of such organic polymer materials include polystyrene, polyether sulfone, polypropylene, epoxy resin, polyphenylene sulfide, fluororesin (tetrafluororesin: PTFE, etc.), cellulose, nylon, polyethylene, polyimide, polyvinylidene fluoride. And any combination thereof.
(電解質膜33の製造方法)
次に、電解質膜33の製造方法について説明する。
(Manufacturing method of electrolyte membrane 33)
Next, a method for manufacturing the
1.成膜工程
イオン伝導性を有するセラミック材料と、絶縁性を有する有機高分子材料とを含む電解質膜を成膜する。成膜方法は特に限られないが、例えば、以下に説明する単純分散法を用いることができる。
1. 1. Film formation process An electrolyte film containing an ionic conductive ceramic material and an insulating organic polymer material is formed. The film forming method is not particularly limited, but for example, the simple dispersion method described below can be used.
まず、有機高分子を溶媒に溶解させることによってワニスを調製する。溶媒は、有機高分子を溶解可能で、膜化後に蒸発させられるものであればよい。溶媒としては、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルー2-ピロリドン、ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶媒、あるいはエチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル、ジクロロメタン、トリクロロエタン等のハロゲン系溶媒、i-プロピルアルコール、t-ブチルアルコール等のアルコールを用いることができる。 First, a varnish is prepared by dissolving an organic polymer in a solvent. The solvent may be any solvent that can dissolve the organic polymer and can be evaporated after the film formation. Examples of the solvent include aprotonic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone and dimethylsulfoxide, or ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether and propylene glycol monomethyl. Alkylene glycol monoalkyl ethers such as ether and propylene glycol monoethyl ether, halogen-based solvents such as dichloromethane and trichloroethane, and alcohols such as i-propyl alcohol and t-butyl alcohol can be used.
次に、調製したワニスにセラミック材料を混合することによって混合物を調製する。ワニス及びセラミック材料の混合方法としては、例えば、スターラ法、ボールミル法、ジェットミル法、ナノミル法、超音波などを用いることができる。 The mixture is then prepared by mixing the ceramic material with the prepared varnish. As a method for mixing the varnish and the ceramic material, for example, a stirrer method, a ball mill method, a jet mill method, a nanomill method, ultrasonic waves and the like can be used.
次に、ワニスとセラミック材料の混合物を基板上に膜化した後、溶媒を蒸発させることによって電解質膜33を作製することができる。基板は、膜化後に電解質膜33を剥がすことができるものであればよく、例えば、ガラス板、ポリテトラフルオロエチレンシート、ポリイミドシートなどを用いることができる。混合物の膜化方法としては、例えば、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、ドクターブレード法、グラビアコート法、スクリーン印刷法などを用いることができる。
Next, the
2.吸着工程
成膜した電解質膜に含まれる親水基に、メタノール等を吸着させる。
2. 2. Adsorption step Methanol or the like is adsorbed on the hydrophilic groups contained in the formed electrolyte membrane.
親水基にメタノール等を吸着させる手法としては、メタノール等と水とを含む液相に電解質膜を浸漬することによって、親水基にメタノール等を化学吸着させる液相吸着法が好適である。液相におけるメタノール等の含有量は、10~70vol%とすることができ、安全性を考慮すると10~60vol%が好ましい。浸漬時間は特に限られないが、1~10時間とすることができる。液温は、20~70℃が好ましい。 As a method for adsorbing methanol or the like on a hydrophilic group, a liquid phase adsorption method in which an electrolyte membrane is immersed in a liquid phase containing methanol or the like and water is chemically adsorbed on the hydrophilic group is preferable. The content of methanol or the like in the liquid phase can be 10 to 70 vol%, preferably 10 to 60 vol% in consideration of safety. The immersion time is not particularly limited, but can be 1 to 10 hours. The liquid temperature is preferably 20 to 70 ° C.
液相吸着法を用いる場合、メタノール等の吸着量は、液相におけるメタノール等の含有量、浸漬時間及び液温の少なくとも1つを調整することによって制御できる。よって、メタノール等の吸着量を変えずに浸漬時間を短縮したい場合には、メタノール等の含有量を大きくするか、或いは、液温を高くすればよい。また、メタノール等の吸着量を変えずに低温で処理したい場合には、メタノール等の含有量を大きくするか、或いは、浸漬時間を長くすればよい。さらに、メタノール等の吸着量を変えずにメタノール等の含有量を小さくしたい場合には、液温を高くするか、或いは、浸漬時間を長くすればよい。 When the liquid phase adsorption method is used, the adsorption amount of methanol or the like can be controlled by adjusting at least one of the content of methanol and the like in the liquid phase, the immersion time and the liquid temperature. Therefore, if it is desired to shorten the immersion time without changing the adsorption amount of methanol or the like, the content of methanol or the like may be increased or the liquid temperature may be increased. Further, when it is desired to treat at a low temperature without changing the adsorption amount of methanol or the like, the content of methanol or the like may be increased or the immersion time may be lengthened. Further, when it is desired to reduce the content of methanol or the like without changing the adsorption amount of methanol or the like, the liquid temperature may be raised or the immersion time may be lengthened.
また、親水基にメタノール等を吸着させる手法としては、メタノール等と水とを含む混合液を加熱して気相を生成し、その気相中に電解質膜を配置することによっても親水基にメタノール等を吸着させる気相吸着法を用いてもよい。ただし、気相吸着法では、親水基に水が優先的に吸着しやすいため、上述した液相吸着法の方が好適である。 In addition, as a method of adsorbing methanol or the like on a hydrophilic group, a mixed solution containing methanol or the like and water is heated to generate a gas phase, and an electrolyte membrane is placed in the gas phase to form methanol on the hydrophilic group. A gas phase adsorption method for adsorbing or the like may be used. However, in the gas phase adsorption method, the above-mentioned liquid phase adsorption method is more preferable because water is likely to be preferentially adsorbed on the hydrophilic group.
気相吸着法を用いる場合、メタノール等の吸着量は、気相におけるメタノール等の含有量、暴露時間及び気温の少なくとも1つを調整することによって制御できる。 When the gas phase adsorption method is used, the adsorption amount of methanol or the like can be controlled by adjusting at least one of the content of methanol and the like in the gas phase, the exposure time and the air temperature.
なお、電解質膜に吸着したメタノール等の吸着量は、昇温脱離質量分析法によって測定することができるが、吸着量が少ない場合には測定できない場合がありえる。 The amount of adsorbed methanol or the like adsorbed on the electrolyte membrane can be measured by the heated desorption mass spectrometry method, but it may not be possible to measure when the amount of adsorption is small.
3.乾燥工程
吸着工程を経た電解質膜を乾燥させることによって、電解質膜に含まれる水を蒸発させる。乾燥手法は特に限られず、電解質膜を自然乾燥させてもよいし、電解質膜を加熱(40~90℃、1~20時間)してもよい。
3. 3. Drying step By drying the electrolyte membrane that has undergone the adsorption step, the water contained in the electrolyte membrane is evaporated. The drying method is not particularly limited, and the electrolyte membrane may be naturally dried, or the electrolyte membrane may be heated (40 to 90 ° C., 1 to 20 hours).
なお、上述した吸着工程及び乾燥工程を2サイクル以上繰り返すことによって、メタノール等が吸着した親水基の数を多くすることができるため、DMFC3の出力低下をより抑制できる。 By repeating the above-mentioned adsorption step and drying step for two or more cycles, the number of hydrophilic groups adsorbed by methanol or the like can be increased, so that the decrease in the output of DMFC3 can be further suppressed.
(実施形態の変形例)
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
(Modified example of the embodiment)
The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications or changes can be made without departing from the scope of the present invention.
(変形例1)上記実施形態では、親水基にメタノール等を吸着させた電解質膜33を作製した後、電解質膜33の両面にカソード及びアノードそれぞれを形成することとしたが、メタノール等を吸着させていない電解質膜の両面にカソード31及びアノード32それぞれを形成した後に親水基にメタノール等を吸着させてもよい。
(Modification 1) In the above embodiment, after the
例えば、親水基にメタノール等を吸着させていない電解質膜の両面にカソード31及びアノード32それぞれを形成した積層体をハウジング2内に設置した後、燃料供給部22からアノード32にメタノール等と水とを含む混合液を液相供給してもよい。この場合、アノード32を介してメタノール等が電解質膜に導入されることによって、親水基にメタノール等が吸着した電解質膜33が完成する。燃料供給部22は、混合液を排出した後、DMFC3を作動させるときに、メタノールを含む燃料をアノード32に気相供給する。
For example, after installing a laminate in which the
或いは、親水基にメタノール等を吸着させていない電解質膜の両面にカソード31及びアノード32それぞれを形成した積層体をメタノール等と水とを含む混合液に浸漬してもよい。この場合、カソード31及びアノード32それぞれを介してメタノール等が電解質膜に導入されることによって、親水基にメタノール等が吸着した電解質膜33が完成する。
Alternatively, a laminate in which the
(変形例2)上記実施形態では、DMFCの一例として、水酸化物イオンをキャリアとするアルカリ形燃料電池であるDMFC3について説明したが、DMFCはこれに限られない。 (Modification 2) In the above embodiment, the DMFC3, which is an alkaline fuel cell having a hydroxide ion as a carrier, has been described as an example of the DMFC, but the DMFC is not limited to this.
DMFCは、プロトンをキャリアとする燃料電池であってもよい。この場合、プロトン伝導性を有するセラミック材料と、絶縁性を有する有機高分子材料とを含む電解質膜を用いればよい。 The DMFC may be a fuel cell having a proton as a carrier. In this case, an electrolyte membrane containing a ceramic material having proton conductivity and an organic polymer material having insulating properties may be used.
プロトン伝導性を有するセラミック材料としては、プロトン導電性を有する金属酸化物水和物などを用いることができる。このような金属酸化物水和物としては、酸化ジルコニウム水和物、酸化タングステン水和物、酸化スズ水和物、ニオブをドープした酸化タングステン、酸化ケイ素水和物、酸化リン酸水和物、ジルコニウムをドープした酸化ケイ素水和物、タングストリン酸、モリブドリン酸などを用いることができる。 As the ceramic material having proton conductivity, a metal oxide hydrate having proton conductivity or the like can be used. Examples of such metal oxide hydrates include zirconium oxide hydrate, tungsten oxide hydrate, tin oxide hydrate, niobium-doped tungsten oxide, silicon oxide hydrate, and phosphoric acid oxide hydrate. Zirconium-doped silicon oxide hydrate, tonguestronic acid, molybdric acid and the like can be used.
(変形例3)上記実施形態では、DMFC3を単電池として利用する場合について説明したが、DMFC3を複数積層したスタックを構成してもよい。
(Modification 3) In the above embodiment, the case where the
本発明の実施例について説明する。以下の実施例では、電解質膜に含まれる親水基にメタノール等を吸着させることによって、DMFCの出力低下を抑制できることを確認する。ただし、本発明は以下に説明する実施例には限定されない。 Examples of the present invention will be described. In the following examples, it is confirmed that the decrease in the output of the DMFC can be suppressed by adsorbing methanol or the like on the hydrophilic group contained in the electrolyte membrane. However, the present invention is not limited to the examples described below.
(実施例1~9及び比較例1,2)
まず、イオン伝導性セラミック材料としてのLDH粉末(平均粒径1.2μm、50vol%)と、絶縁性有機高分子材料としてのPVDF(株式会社クレハ社製、50vol%)とを準備して、単純分散法で電解質膜(厚み20μm)を成膜した。
(Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 and 2)
First, LDH powder (average particle size 1.2 μm, 50 vol%) as an ionic conductive ceramic material and PVDF (manufactured by Kureha Corporation, 50 vol%) as an insulating organic polymer material are prepared and simply prepared. An electrolyte membrane (thickness 20 μm) was formed by the dispersion method.
次に、実施例1~6では、液相吸着法を用いて、電解質膜に含まれる親水基にメタノールを吸着させた。液相におけるメタノール等の含有量、浸漬時間及び液温は、表1に示す通りとした。実施例7~9では、気相吸着法を用いて、電解質膜に含まれる親水基にメタノールを吸着させた。気相におけるメタノール等の含有量、暴露時間及び気温は、表1に示す通りとした。一方、比較例1,2では、電解質膜に含まれる親水基にメタノールを吸着させなかった。 Next, in Examples 1 to 6, methanol was adsorbed on the hydrophilic group contained in the electrolyte membrane by using the liquid phase adsorption method. The content of methanol and the like, the immersion time and the liquid temperature in the liquid phase were as shown in Table 1. In Examples 7 to 9, methanol was adsorbed on the hydrophilic group contained in the electrolyte membrane by using the vapor phase adsorption method. The content of methanol and the like, the exposure time and the air temperature in the gas phase were as shown in Table 1. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, methanol was not adsorbed on the hydrophilic group contained in the electrolyte membrane.
次に、実施例1~9及び比較例1,2の電解質膜を乾燥(50℃、16時間)させた。 Next, the electrolyte membranes of Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 and 2 were dried (50 ° C., 16 hours).
次に、カソード触媒としてのPt/C(Pt担持量50wt%(田中貴金属工業(株)社製TEC10E50E)と、バインダーとしてのPVDF粉末とを準備した。そして、カソード触媒:PVDF粉末:水の重量比が、9wt%:0.9wt%:90wt%の比率となるように混合することによって、カソードペーストを調製した。そして、電解質膜の一方の面にカソードペーストを印刷してカソードを形成した。 Next, Pt / C (Pt supporting amount 50 wt% (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) as a cathode catalyst) and PVDF powder as a binder were prepared. Then, a cathode catalyst: PVDF powder: weight of water was prepared. A cathode paste was prepared by mixing so that the ratio was 9 wt%: 0.9 wt%: 90 wt%, and the cathode paste was printed on one surface of the electrolyte membrane to form a cathode.
次に、アノード触媒としてのPt-Ru/C(Pt-Ru担持量54wt%(田中貴金属工業(株)社製TEC61E54)と、バインダーとしてのPVDF粉末とを準備した。そして、カソード触媒:PVDF粉末:水の重量比が、9wt%:0.9wt%:90wt%の比率となるように混合することによって、アノードペーストを調製した。そして、電解質の他方の面にアノードペーストを印刷してアノードを形成した。 Next, Pt-Ru / C (Pt-Ru supported amount 54 wt% (TEC61E54 manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) as an anode catalyst) and PVDF powder as a binder were prepared, and a cathode catalyst: PVDF powder. An anode paste was prepared by mixing so that the weight ratio of water was 9 wt%: 0.9 wt%: 90 wt%, and the anode paste was printed on the other side of the electrolyte to form the anode. Formed.
以上により、実施例1~9及び比較例1,2に係るDMFCが完成した。 As a result, the DMFCs according to Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 and 2 were completed.
(OCV低下率の測定)
実施例1~9及び比較例1,2に係るDMFCのOCV(Open Circuit Voltage)試験を行った。
(Measurement of OCV reduction rate)
An OCV (Open Circuit Voltage) test of the DMFC according to Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 and 2 was performed.
具体的には、アルカリ形燃料電池を80℃に加熱した後、定格時における空気利用率が50%となるように量を調整した加湿空気をカソードに供給し、定格時における燃料利用率が50%となるように量を調整した気化メタノールをアノードに供給した。 Specifically, after heating the alkaline fuel cell to 80 ° C., humidified air whose amount is adjusted so that the air utilization rate at the rated time is 50% is supplied to the cathode, and the fuel utilization rate at the rated time is 50. Vaporized methanol whose amount was adjusted to be% was supplied to the anode.
そして、OCV(初期OCV)を測定し、そのまま1時間通電を継続させた後、再びOCV(1時間後OCV)を測定した。 Then, OCV (initial OCV) was measured, energization was continued for 1 hour as it was, and then OCV (OCV after 1 hour) was measured again.
初期OCVに対する1時間後OCVの低下率をOCV低下率として算出した。算出結果は表1に示す通りであった。 The rate of decrease in OCV after 1 hour with respect to the initial OCV was calculated as the rate of decrease in OCV. The calculation results are as shown in Table 1.
表1に示すように、電解質膜に含まれる親水基にメタノールを吸着させた実施例1~9では、OCV低下率を抑制することができた。このことから、電解質膜に含まれる親水基にメタノールを吸着させることによって、燃料電池の出力の低下を抑制できることが分かった。このような結果が得られたのは、電解質膜に含まれる親水基にメタノールを予め吸着させておくことによって、親水基に吸着する水を介して燃料であるメタノールが電解質膜を透過してしまうことを抑制できたからである。 As shown in Table 1, in Examples 1 to 9 in which methanol was adsorbed on the hydrophilic group contained in the electrolyte membrane, the OCV reduction rate could be suppressed. From this, it was found that the decrease in the output of the fuel cell can be suppressed by adsorbing methanol on the hydrophilic group contained in the electrolyte membrane. Such a result was obtained by adsorbing methanol to the hydrophilic group contained in the electrolyte membrane in advance, so that the methanol as a fuel permeates the electrolyte membrane through the water adsorbed on the hydrophilic group. This is because I was able to suppress that.
また、液相吸着法を用いた実施例1~6では、気相吸着法を用いた実施例7~9に比べて、OCV低下率を更に抑制することができた。このことから、液相吸着法を用いることによって、燃料電池の出力の低下を更に抑制できることが分かった。このような結果が得られたのは、液相吸着法では、気相吸着法に比べて、親水基に水が優先的に吸着しにくいからである。 Further, in Examples 1 to 6 using the liquid phase adsorption method, the OCV reduction rate could be further suppressed as compared with Examples 7 to 9 using the gas phase adsorption method. From this, it was found that the decrease in the output of the fuel cell can be further suppressed by using the liquid phase adsorption method. Such a result was obtained because the liquid phase adsorption method is less likely to preferentially adsorb water to the hydrophilic group than the gas phase adsorption method.
1 直接メタノール形燃料電池システム
2 ハウジング
21 酸化剤供給部
22 燃料供給部
3 直接メタノール形燃料電池
31 カソード
32 アノード
33 電解質膜
1 Direct methanol fuel cell system 2
Claims (5)
前記電解質膜に含まれる親水基にメタノール及びエタノールの少なくとも一方を吸着させる吸着工程と、
を備える直接メタノール形燃料電池用電解質膜の製造方法。 A film forming process for forming an electrolyte film containing a ceramic material having ionic conductivity and an organic polymer material having insulating properties,
An adsorption step in which at least one of methanol and ethanol is adsorbed on the hydrophilic group contained in the electrolyte membrane.
A method for manufacturing an electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell.
請求項1に記載の直接メタノール形燃料電池用電解質膜の製造方法。 In the adsorption step, at least one of methanol and ethanol is adsorbed on the hydrophilic group by immersing the electrolyte membrane in a liquid phase containing at least one of methanol and ethanol and water.
The method for manufacturing an electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell according to claim 1.
請求項1に記載の直接メタノール形燃料電池用電解質膜の製造方法。 In the adsorption step, at least one of methanol and ethanol is adsorbed on the hydrophilic group by exposing the electrolyte membrane to a gas phase containing at least one of methanol and ethanol and water.
The method for manufacturing an electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell according to claim 1.
請求項1乃至3のいずれかに記載の直接メタノール形燃料電池用電解質膜の製造方法。 After the adsorption step, a step of drying the electrolyte membrane is further provided.
The method for producing an electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell according to any one of claims 1 to 3.
前記直接メタノール形燃料電池を収容し、前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給部と、前記アノードにメタノールを含む燃料を供給する燃料供給部とを有するハウジングと、
を備え、
前記電解質は、イオン伝導性を有するセラミック材料と、絶縁性を有する有機高分子材料とを含み、
前記燃料供給部は、前記直接メタノール形燃料電池の作動前に、メタノール及びエタノールの少なくとも一方と水とを含む混合液を前記アノードに液相供給し、
前記燃料供給部は、前記直接メタノール形燃料電池の作動中、前記燃料を前記アノードに気相供給する、
直接メタノール形燃料電池システム。 A direct methanol fuel cell having an anode, a cathode, and an electrolyte disposed between the anode and the cathode.
A housing having an oxidant supply unit that directly accommodates the methanol fuel cell and supplies an oxidant to the cathode, and a fuel supply unit that supplies fuel containing methanol to the anode.
Equipped with
The electrolyte contains a ceramic material having ionic conductivity and an organic polymer material having insulating properties.
Prior to the operation of the direct methanol fuel cell, the fuel supply unit supplies a liquid phase containing at least one of methanol and ethanol and water to the anode.
The fuel supply unit supplies the fuel to the anode in a gas phase during the operation of the direct methanol fuel cell.
Direct methanol fuel cell system.
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