JPH113724A - 固体高分子電解質を備えた直接型メタノ−ル燃料電池 - Google Patents
固体高分子電解質を備えた直接型メタノ−ル燃料電池Info
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- JPH113724A JPH113724A JP9168133A JP16813397A JPH113724A JP H113724 A JPH113724 A JP H113724A JP 9168133 A JP9168133 A JP 9168133A JP 16813397 A JP16813397 A JP 16813397A JP H113724 A JPH113724 A JP H113724A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 水を吸収した高分子固体電解質にメタノール
が接触すると、メタノールは、高分子固体電解質内のク
ラスター中の水に溶解し、その中を通って正極に達し、
正極の触媒上で酸化されることになり、正極の特性が著
しく悪くなる。この改善のため種々の方法が検討されて
いるが、実用的に十分な特性は得られていない。直接型
メタノール燃料電池の特性を改善するためには、燃料で
あるメタノールが固体高分子電解質を通って正極側に達
すること、すなわち、メタノールのクロスオーバーを、
できるだけ小さくするか、なくす必要があり、そのため
の具体的な手段が求められていた。 【解決手段】 二枚の固体高分子電解質層の間に酸性水
溶液を備え、この酸性水溶液を流動させることを特徴と
する、固体高分子電解質を備えた直接型メタノール燃料
電池。
が接触すると、メタノールは、高分子固体電解質内のク
ラスター中の水に溶解し、その中を通って正極に達し、
正極の触媒上で酸化されることになり、正極の特性が著
しく悪くなる。この改善のため種々の方法が検討されて
いるが、実用的に十分な特性は得られていない。直接型
メタノール燃料電池の特性を改善するためには、燃料で
あるメタノールが固体高分子電解質を通って正極側に達
すること、すなわち、メタノールのクロスオーバーを、
できるだけ小さくするか、なくす必要があり、そのため
の具体的な手段が求められていた。 【解決手段】 二枚の固体高分子電解質層の間に酸性水
溶液を備え、この酸性水溶液を流動させることを特徴と
する、固体高分子電解質を備えた直接型メタノール燃料
電池。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、メタノールを負極
に供給し、負極で直接電気化学反応させて電力を得る、
直接型メタノール燃料電池に関するものである。
に供給し、負極で直接電気化学反応させて電力を得る、
直接型メタノール燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、イオン導電体である電解質
の両側に２つの電極を備え、一方の電極に酸素や空気な
どの酸化ガス（酸化剤）を供給し、他方の電極に水素や
炭化水素などの燃料（還元剤）を供給し、電気化学反応
を起こさせて電気を発生させる電池である。
の両側に２つの電極を備え、一方の電極に酸素や空気な
どの酸化ガス（酸化剤）を供給し、他方の電極に水素や
炭化水素などの燃料（還元剤）を供給し、電気化学反応
を起こさせて電気を発生させる電池である。
【０００３】燃料電池にはいくつもの種類があるが、直
接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣと略す）は、燃料で
あるメタノールを直接負極に供給するもので、多くの燃
料電池が燃料としては水素、あるいは炭化水素を改質し
た水素を使用しているのと比較して、装置が簡単なだけ
でなく、燃料そのものの輸送や貯蔵も容易であり、しか
も１００℃以下の温度で作動できる可能性があるため
に、小型・可搬用に最も適していると考えられており、
将来の自動車用動力源として有力視されている。
接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣと略す）は、燃料で
あるメタノールを直接負極に供給するもので、多くの燃
料電池が燃料としては水素、あるいは炭化水素を改質し
た水素を使用しているのと比較して、装置が簡単なだけ
でなく、燃料そのものの輸送や貯蔵も容易であり、しか
も１００℃以下の温度で作動できる可能性があるため
に、小型・可搬用に最も適していると考えられており、
将来の自動車用動力源として有力視されている。
【０００４】直接型メタノール燃料電池の電解質として
は、初期のアルカリ型から酸型へと変化し、最近では多
くの場合固体高分子電解質が使用されている。固体高分
子電解質を使用することにより、作動温度を液体電解質
の場合よりも高くすることができ、直接型メタノール燃
料電池の性能は初期のものよりかなり改善された。
は、初期のアルカリ型から酸型へと変化し、最近では多
くの場合固体高分子電解質が使用されている。固体高分
子電解質を使用することにより、作動温度を液体電解質
の場合よりも高くすることができ、直接型メタノール燃
料電池の性能は初期のものよりかなり改善された。
【０００５】固体高分子電解質を使用した直接型メタノ
ール燃料電池（ＰＥＭ−ＤＭＦＣ）は、Ｄｕ Ｐｏｎｔ
社製のナフィオンのようなプロトン導電性固体高分子電
解質の両側を、触媒を取り付けた２つの多孔性電極では
さんだ構造を持ち、負極にメタノールを直接供給し、正
極に酸素または空気を供給するものである。負極では、
メタノールと水が反応して二酸化炭素とプロトンと電子
が発生し、電子は外部回路を通って仕事をした後正極に
達する。また、プロトンは高分子固体電解質中を通って
正極に達する。正極では、酸素とプロトンと電子が反応
して水が生成する。したがって、直接型メタノール燃料
電池の全反応は、メタノールと酸素とから水と二酸化炭
素が生成する反応である。これらの反応は電極中の触媒
の助けを借りて進行する。この反応の理論電圧は１．１
８Ｖであるが、実際の電池においては、ＩＲドロップな
どのために、この値よりも低い電圧となる。
ール燃料電池（ＰＥＭ−ＤＭＦＣ）は、Ｄｕ Ｐｏｎｔ
社製のナフィオンのようなプロトン導電性固体高分子電
解質の両側を、触媒を取り付けた２つの多孔性電極では
さんだ構造を持ち、負極にメタノールを直接供給し、正
極に酸素または空気を供給するものである。負極では、
メタノールと水が反応して二酸化炭素とプロトンと電子
が発生し、電子は外部回路を通って仕事をした後正極に
達する。また、プロトンは高分子固体電解質中を通って
正極に達する。正極では、酸素とプロトンと電子が反応
して水が生成する。したがって、直接型メタノール燃料
電池の全反応は、メタノールと酸素とから水と二酸化炭
素が生成する反応である。これらの反応は電極中の触媒
の助けを借りて進行する。この反応の理論電圧は１．１
８Ｖであるが、実際の電池においては、ＩＲドロップな
どのために、この値よりも低い電圧となる。
【０００６】直接型メタノール燃料電池はその特性はか
なり改善されたとはいえ、その他の燃料電池と比較して
電池の出力と効率が低い、という欠点をもっている。そ
の原因は、メタノールを酸化する触媒の活性が低いこと
と、メタノールが電解質中を拡散して陽極に達し、そこ
で正極の触媒上で酸化剤と直接反応するという短絡現象
（この現象は「クロスオーバー」と呼ばれている）の２
つであることが明らかになっている［Ｍ．Ｐ．Ｈｏｇａ
ｒｔｈ ａｎｄ Ｈ．Ａ．Ｈａｒｄｓ Ｐｌａｔｉｎｕ
ｍ Ｍｅｔａｌｓ Ｒｅｖ．４０ （４） １５０
（１９９６）］。
なり改善されたとはいえ、その他の燃料電池と比較して
電池の出力と効率が低い、という欠点をもっている。そ
の原因は、メタノールを酸化する触媒の活性が低いこと
と、メタノールが電解質中を拡散して陽極に達し、そこ
で正極の触媒上で酸化剤と直接反応するという短絡現象
（この現象は「クロスオーバー」と呼ばれている）の２
つであることが明らかになっている［Ｍ．Ｐ．Ｈｏｇａ
ｒｔｈ ａｎｄ Ｈ．Ａ．Ｈａｒｄｓ Ｐｌａｔｉｎｕ
ｍ Ｍｅｔａｌｓ Ｒｅｖ．４０ （４） １５０
（１９９６）］。
【０００７】直接型メタノール燃料電池においては、正
極・負極とも触媒が必要であるが、特に負極の触媒が問
題である。すなわち、メタノールが白金触媒上で酸化さ
れる時、白金に吸着した一酸化炭素が生じ、これが白金
を被毒して触媒活性を低下させる［Ｒ．Ｐａｒｓｏｎｓ
ａｎｄ Ｔ．Ｖａｎｄｅｒｎｏｏｔ Ｊ．Ｅｌｅｃｔ
ｒｏａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，２５７ ９（１９８８）］
と考えられている。白金の表面から一酸化炭素をすみや
かに除去するために、二次金属の添加が検討され、現在
では白金−ルテニウム系が最も高活性触媒であることが
知られている。
極・負極とも触媒が必要であるが、特に負極の触媒が問
題である。すなわち、メタノールが白金触媒上で酸化さ
れる時、白金に吸着した一酸化炭素が生じ、これが白金
を被毒して触媒活性を低下させる［Ｒ．Ｐａｒｓｏｎｓ
ａｎｄ Ｔ．Ｖａｎｄｅｒｎｏｏｔ Ｊ．Ｅｌｅｃｔ
ｒｏａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，２５７ ９（１９８８）］
と考えられている。白金の表面から一酸化炭素をすみや
かに除去するために、二次金属の添加が検討され、現在
では白金−ルテニウム系が最も高活性触媒であることが
知られている。
【０００８】固体高分子電解質としてのイオン交換樹脂
膜は、乾燥状態では全く導電性を示さないが、通常は水
で膨潤させることによって高い導電性を示すようにな
る。
膜は、乾燥状態では全く導電性を示さないが、通常は水
で膨潤させることによって高い導電性を示すようにな
る。
【０００９】固体高分子電解質として最も良く知られて
いるＤｕ Ｐｏｎｔ社のナフィオン膜の構造は、主鎖で
ある撥水性のポリフルオロエチレン［−（ＣＦ2 ）
n −］骨格部分と、側鎖に結合した親水性のイオン交換
基であるスルフォン酸基（−ＳＯ3 Ｈ）の部分からな
る。この膜が水を吸収した場合、親水性のイオン交換基
の部分が集合し、球状のクラスターを形成し、このクラ
スターがポリフルオロエチレンのマトリックス中に分散
しているというモデルが有力であり、このモデルでは、
水はクラスター部分に含有され、これらのクラスターが
細い通路で結ばれている、と考えられている［竹中 大
工試季報 ３６ ８１（１９８５）］。その他の固体高
分子電解質の場合も、同じような構造をしているものと
推定される。
いるＤｕ Ｐｏｎｔ社のナフィオン膜の構造は、主鎖で
ある撥水性のポリフルオロエチレン［−（ＣＦ2 ）
n −］骨格部分と、側鎖に結合した親水性のイオン交換
基であるスルフォン酸基（−ＳＯ3 Ｈ）の部分からな
る。この膜が水を吸収した場合、親水性のイオン交換基
の部分が集合し、球状のクラスターを形成し、このクラ
スターがポリフルオロエチレンのマトリックス中に分散
しているというモデルが有力であり、このモデルでは、
水はクラスター部分に含有され、これらのクラスターが
細い通路で結ばれている、と考えられている［竹中 大
工試季報 ３６ ８１（１９８５）］。その他の固体高
分子電解質の場合も、同じような構造をしているものと
推定される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】水を吸収した高分子固
体電解質にメタノールが接触すると、メタノールは水に
溶けやすいため、高分子固体電解質内のクラスター中の
水に溶解し、その中を通って正極に達し、正極の触媒上
で酸化されることになる。
体電解質にメタノールが接触すると、メタノールは水に
溶けやすいため、高分子固体電解質内のクラスター中の
水に溶解し、その中を通って正極に達し、正極の触媒上
で酸化されることになる。
【００１１】一方、正極においては、触媒としての貴金
属が、負極から電解質中を通ってきたメタノールを電気
化学的に酸化するために、 正極の特性が著しく悪くな
る。メタノールが電解質中を通って正極に達する現象、
いわゆるクロスオーバーを少しでも減少させる方法とし
て、酸素あるいは空気の圧力を高くする方法と、電池の
作動温度を１００℃以上まで上げる方法が検討され、特
性はかなり改善されてきたが、実用的に十分な特性は得
られていない。また、酸素または空気の圧力を高くする
ため及び電池の作動温度を上げるためには、そのための
装置が必要になり、電池全体としては複雑になる。
属が、負極から電解質中を通ってきたメタノールを電気
化学的に酸化するために、 正極の特性が著しく悪くな
る。メタノールが電解質中を通って正極に達する現象、
いわゆるクロスオーバーを少しでも減少させる方法とし
て、酸素あるいは空気の圧力を高くする方法と、電池の
作動温度を１００℃以上まで上げる方法が検討され、特
性はかなり改善されてきたが、実用的に十分な特性は得
られていない。また、酸素または空気の圧力を高くする
ため及び電池の作動温度を上げるためには、そのための
装置が必要になり、電池全体としては複雑になる。
【００１２】直接型メタノール燃料電池の特性を改善す
るためには、燃料であるメタノールが固体高分子電解質
を通って正極側に達すること、すなわち、メタノールの
クロスオーバーを、できるだけ小さくするか、なくす必
要があり、そのための具体的な手段が求められていた。
るためには、燃料であるメタノールが固体高分子電解質
を通って正極側に達すること、すなわち、メタノールの
クロスオーバーを、できるだけ小さくするか、なくす必
要があり、そのための具体的な手段が求められていた。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は、直接型メタノ
ール燃料電池において、二枚の固体高分子電解質層の間
に酸性水溶液層を備えた三層の電解質層を使用するもの
であり、さらに、酸性電解液層を流動させるものであ
る。
ール燃料電池において、二枚の固体高分子電解質層の間
に酸性水溶液層を備えた三層の電解質層を使用するもの
であり、さらに、酸性電解液層を流動させるものであ
る。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明になる固体高分子電解質を
使用した直接型メタノール燃料電池は、プロトン導電性
固体高分子電解質の両側に、触媒層を取り付けた多孔性
電極を接合し、負極にメタノールと水の混合物を、正極
には酸素あるいは空気を供給し、電気を取り出すもので
ある。
使用した直接型メタノール燃料電池は、プロトン導電性
固体高分子電解質の両側に、触媒層を取り付けた多孔性
電極を接合し、負極にメタノールと水の混合物を、正極
には酸素あるいは空気を供給し、電気を取り出すもので
ある。
【００１５】多孔性電極の基体としては、正・負極と
も、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの
焼結体、焼結金属、発泡金属などの多孔性基体を撥水処
理して使用することができ、撥水剤としてはポリテトラ
フルオロエチレン等を使用することができる。
も、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの
焼結体、焼結金属、発泡金属などの多孔性基体を撥水処
理して使用することができ、撥水剤としてはポリテトラ
フルオロエチレン等を使用することができる。
【００１６】貴金属触媒としては、正極用には白金、白
金合金、金、金合金、パラジウム、パラジウム合金な
ど、負極用には白金あるいは白金とルテニウム、金、レ
ニウムなどの合金が使用でき、これら貴金属の微粉末あ
るいは貴金属を担持したカーボン粉末を使用することが
できる。
金合金、金、金合金、パラジウム、パラジウム合金な
ど、負極用には白金あるいは白金とルテニウム、金、レ
ニウムなどの合金が使用でき、これら貴金属の微粉末あ
るいは貴金属を担持したカーボン粉末を使用することが
できる。
【００１７】本発明になる多孔性電極は、撥水処理をし
た電極の表面に、触媒分散溶液を塗布して作製される。
触媒分散溶液は、白金ブラックなどの触媒の微粒子ある
いは触媒を担持したカーボン粉末と、ポリテトラフルオ
ロエチレン等の撥水剤と、アルコールなどに溶解した固
体高分子電解質を、適当な溶媒中で均一に混合すること
によつて作製する。
た電極の表面に、触媒分散溶液を塗布して作製される。
触媒分散溶液は、白金ブラックなどの触媒の微粒子ある
いは触媒を担持したカーボン粉末と、ポリテトラフルオ
ロエチレン等の撥水剤と、アルコールなどに溶解した固
体高分子電解質を、適当な溶媒中で均一に混合すること
によつて作製する。
【００１８】本発明になる直接型メタノール燃料電池の
電解質層は、二枚の固体高分子電解質層の間に酸性水溶
液層を備えた三層からなっており、酸性水溶液を流動さ
せるものである。酸性水溶液を流動させる方法として
は、次に二つが考えられる。
電解質層は、二枚の固体高分子電解質層の間に酸性水溶
液層を備えた三層からなっており、酸性水溶液を流動さ
せるものである。酸性水溶液を流動させる方法として
は、次に二つが考えられる。
【００１９】第一は、直接型メタノール燃料電池が小型
で、自動車などの移動体に搭載する場合には、酸性水溶
液はあらかじめタンクに貯蔵しておき、これを燃料電池
に供給して二枚の固体高分子電解質層の間を通した後、
電池外部に取り出す。二枚の固体高分子電解質層の間を
通ってきた酸性水溶液には、負極側固体高分子電解質層
の中に含まれるメタノールを少量含むことになる。この
メタノールを含んだ酸性水溶液を固体高分子電解質層の
間に循環させると、酸性水溶液中のメタノールの濃度が
高くなり、固体高分子電解質層の間を通る時に、メタノ
ールは正極側固体高分子電解質層に移動し、さらに正極
に達して、クロスオーバーの原因となるため、別のタン
クに貯蔵しておき、移動体が停止後、取り出して、別の
装置で酸性水溶液とメタノールを分離すればよい。
で、自動車などの移動体に搭載する場合には、酸性水溶
液はあらかじめタンクに貯蔵しておき、これを燃料電池
に供給して二枚の固体高分子電解質層の間を通した後、
電池外部に取り出す。二枚の固体高分子電解質層の間を
通ってきた酸性水溶液には、負極側固体高分子電解質層
の中に含まれるメタノールを少量含むことになる。この
メタノールを含んだ酸性水溶液を固体高分子電解質層の
間に循環させると、酸性水溶液中のメタノールの濃度が
高くなり、固体高分子電解質層の間を通る時に、メタノ
ールは正極側固体高分子電解質層に移動し、さらに正極
に達して、クロスオーバーの原因となるため、別のタン
クに貯蔵しておき、移動体が停止後、取り出して、別の
装置で酸性水溶液とメタノールを分離すればよい。
【００２０】第二の方法は、直接型メタノール燃料電池
が大型で、据え置き型として使用する場合、燃料電池の
二枚の固体高分子電解質層の間を通ってきたメタノール
を少量含んだ酸性水溶液を、燃料電池に併設した酸性水
溶液とメタノールを分離する装置で処理をしてメタノー
ルを除去した後、酸性水溶液を循環すればよい。
が大型で、据え置き型として使用する場合、燃料電池の
二枚の固体高分子電解質層の間を通ってきたメタノール
を少量含んだ酸性水溶液を、燃料電池に併設した酸性水
溶液とメタノールを分離する装置で処理をしてメタノー
ルを除去した後、酸性水溶液を循環すればよい。
【００２１】なお、直接型メタノール燃料電池に使用す
る固体高分子電解質としては、パーフルオロカーボンス
ルフォン酸系樹脂やスチレン−ジビニルベンゼン共重合
体系樹脂等の、各種イオン交換膜樹脂を使用することが
できる。
る固体高分子電解質としては、パーフルオロカーボンス
ルフォン酸系樹脂やスチレン−ジビニルベンゼン共重合
体系樹脂等の、各種イオン交換膜樹脂を使用することが
できる。
【００２２】また、酸性水溶液としては、硫酸、塩酸な
ど、あらゆる酸の水溶液を使用することができる。
ど、あらゆる酸の水溶液を使用することができる。
【００２３】
【実施例】本発明になる直接型メタノール燃料電池の構
造と特性を、好適な実施例を用いて詳述する。
造と特性を、好適な実施例を用いて詳述する。
【００２４】［実施例１］二枚の固体高分子電解質層の
間に希硫酸層を備えた三層の電解質層を備え、希硫酸層
を流動させた、直接型メタノール燃料電池を作製した。
間に希硫酸層を備えた三層の電解質層を備え、希硫酸層
を流動させた、直接型メタノール燃料電池を作製した。
【００２５】まず、空隙率７５％、厚み０．４０ｍｍの
カーボンペーパーを５０ｍｍ×５０ｍｍの大きさに切
り、２−プロパノールで洗浄し、乾燥したものを、ポリ
テトラフルオロエチレンを２０重量パーセント含むディ
スパージョンポリテトラフルオロエチレン水溶液中に数
秒間浸漬し、取り出して自然乾燥した後、アルゴンガス
雰囲気下で３００℃、１０分間焼成する。得られた撥水
処理済みカーボンペーパーには約３ｍｇ／ｃｍ2 のポリ
テトラフルオロエチレンがとりつけられている。
カーボンペーパーを５０ｍｍ×５０ｍｍの大きさに切
り、２−プロパノールで洗浄し、乾燥したものを、ポリ
テトラフルオロエチレンを２０重量パーセント含むディ
スパージョンポリテトラフルオロエチレン水溶液中に数
秒間浸漬し、取り出して自然乾燥した後、アルゴンガス
雰囲気下で３００℃、１０分間焼成する。得られた撥水
処理済みカーボンペーパーには約３ｍｇ／ｃｍ2 のポリ
テトラフルオロエチレンがとりつけられている。
【００２６】つぎに、触媒分散溶液を作製した。まず、
ステンレス製ビーカーに、白金を１０重量％含む白金担
持カーボンを５ｇ入れ、水８０ｍｌを加えて撹拌し、さ
らに２−プロパノール８０ｍｌを加えて１時間撹拌す
る。つぎに、ポリテトラフルオロエチレンを２０重量パ
ーセント含むディスパージョンポリテトラフルオロエチ
レン水溶液２ｍｌ加え、撹拌し、さらに市販のナフィオ
ン溶液（ナフィオン５重量％含む、アルドリッチケミカ
ル製）１０ｍｌ加え、超音波を照射しながら撹拌機で１
時間撹拌して、正極用触媒分散溶液を作製した。
ステンレス製ビーカーに、白金を１０重量％含む白金担
持カーボンを５ｇ入れ、水８０ｍｌを加えて撹拌し、さ
らに２−プロパノール８０ｍｌを加えて１時間撹拌す
る。つぎに、ポリテトラフルオロエチレンを２０重量パ
ーセント含むディスパージョンポリテトラフルオロエチ
レン水溶液２ｍｌ加え、撹拌し、さらに市販のナフィオ
ン溶液（ナフィオン５重量％含む、アルドリッチケミカ
ル製）１０ｍｌ加え、超音波を照射しながら撹拌機で１
時間撹拌して、正極用触媒分散溶液を作製した。
【００２７】別に、白金１０重量％とルテニウム１０重
量％を含む白金−ルテニウム担持カーボンを１０ｇを使
用し、その他は正極用と同様の手順で、負極用触媒分散
溶液を作製した。
量％を含む白金−ルテニウム担持カーボンを１０ｇを使
用し、その他は正極用と同様の手順で、負極用触媒分散
溶液を作製した。
【００２８】正極及び負極とも、撥水処理済みのカーボ
ンペーパーの表面に、それぞれ触媒分散溶液を塗布し、
自然乾燥した。さらに、再度塗布、自然乾燥の後、１１
０℃で１時間乾燥して、片面に触媒層が取り付けられ
た、直接型メタノール燃料電池用電極を得た。なお、正
極用電極の触媒層の厚みは約０．０５ｍｍ、電極表面の
白金量は約１．０ｍｇ／ｃｍ2 とし、負極用電極の触媒
層の厚みは約０．０８ｍｍ、電極表面の白金量は約２．
０ｍｇ／ｃｍ2 とた。
ンペーパーの表面に、それぞれ触媒分散溶液を塗布し、
自然乾燥した。さらに、再度塗布、自然乾燥の後、１１
０℃で１時間乾燥して、片面に触媒層が取り付けられ
た、直接型メタノール燃料電池用電極を得た。なお、正
極用電極の触媒層の厚みは約０．０５ｍｍ、電極表面の
白金量は約１．０ｍｇ／ｃｍ2 とし、負極用電極の触媒
層の厚みは約０．０８ｍｍ、電極表面の白金量は約２．
０ｍｇ／ｃｍ2 とた。
【００２９】このようにして得られた正極用電極と固体
高分子電解質としてのナフィオン１１２膜を、電極の触
媒を取り付けた面がナフィオン側になるようにして挟
み、１４０℃、３分間ホットプレスして接合し、正極用
電極／電解質膜接合体を作製した。同様にして、負極用
電極と固体高分子電解質としてのナフィオン１１２膜を
ホットプレスして接合し、負極用電極／電解質膜接合体
を作製した。
高分子電解質としてのナフィオン１１２膜を、電極の触
媒を取り付けた面がナフィオン側になるようにして挟
み、１４０℃、３分間ホットプレスして接合し、正極用
電極／電解質膜接合体を作製した。同様にして、負極用
電極と固体高分子電解質としてのナフィオン１１２膜を
ホットプレスして接合し、負極用電極／電解質膜接合体
を作製した。
【００３０】つぎに、正極用電極／電解質膜接合体と負
極用電極／電解質膜接合体とを、固体高分子電解質膜を
互いに向かい合わせ、その間に厚み約０．５ｍｍの希硫
酸（１ｍｏｌ／ｌ硫酸水溶液）層をとりつける。希硫酸
は燃料電池の外部から供給し、燃料電池の二枚の固体高
分子電解質層の間を通って、燃料電池の外部に流出する
ようになっている。希硫酸は、燃料電池の上部から下部
へ自然に流れるようにしてもよいし、ポンプを使用して
強制的に流してもよい。
極用電極／電解質膜接合体とを、固体高分子電解質膜を
互いに向かい合わせ、その間に厚み約０．５ｍｍの希硫
酸（１ｍｏｌ／ｌ硫酸水溶液）層をとりつける。希硫酸
は燃料電池の外部から供給し、燃料電池の二枚の固体高
分子電解質層の間を通って、燃料電池の外部に流出する
ようになっている。希硫酸は、燃料電池の上部から下部
へ自然に流れるようにしてもよいし、ポンプを使用して
強制的に流してもよい。
【００３１】図１は、本発明になる直接型メタノール燃
料電池の断面構造を示したもので、図１において、１は
負極側固体高分子電解質としてのナフィオン１１２膜、
２は正極側固体高分子電解質としてのナフィオン１１２
膜、３は希硫酸層、４は希硫酸入り口、５は希硫酸出口
であり、希硫酸３は希硫酸入口４から電池に供給され、
希硫酸出口５から電池外部に流出する。６は負極触媒
層、７は負極用多孔性集電体としてのカーボンペーパー
であり、８は燃料であるメタノール水溶液の供給口、９
は負極の反応生成物の二酸化炭素と未反応のメタノール
および溶媒としての水の排出口である。１０は正極触媒
層、１１は正極用多孔性集電体としてのカーボンペーパ
ーであり、１２は空気あるいは酸素の供給口、１３は余
分の空気あるいは酸素および反応生成物の水の排出口で
ある。１４は負極端子、１５は正極端子、１６は燃料電
池の枠体である。
料電池の断面構造を示したもので、図１において、１は
負極側固体高分子電解質としてのナフィオン１１２膜、
２は正極側固体高分子電解質としてのナフィオン１１２
膜、３は希硫酸層、４は希硫酸入り口、５は希硫酸出口
であり、希硫酸３は希硫酸入口４から電池に供給され、
希硫酸出口５から電池外部に流出する。６は負極触媒
層、７は負極用多孔性集電体としてのカーボンペーパー
であり、８は燃料であるメタノール水溶液の供給口、９
は負極の反応生成物の二酸化炭素と未反応のメタノール
および溶媒としての水の排出口である。１０は正極触媒
層、１１は正極用多孔性集電体としてのカーボンペーパ
ーであり、１２は空気あるいは酸素の供給口、１３は余
分の空気あるいは酸素および反応生成物の水の排出口で
ある。１４は負極端子、１５は正極端子、１６は燃料電
池の枠体である。
【００３２】本発明になる直接型メタノール燃料電池
（電池Ａとする）では、あらかじめ二枚のナフィオン膜
の間に希硫酸を５０ｍｌ／ｍｉｎの速度で流しておく。
一方、比較用の直接型メタノール燃料電池（電池Ｂとす
る）は、負極側のナフィオン膜と正極側ナフィオン膜の
間に希硫酸層を設けて電池内部にとどめ、流動させなか
った。
（電池Ａとする）では、あらかじめ二枚のナフィオン膜
の間に希硫酸を５０ｍｌ／ｍｉｎの速度で流しておく。
一方、比較用の直接型メタノール燃料電池（電池Ｂとす
る）は、負極側のナフィオン膜と正極側ナフィオン膜の
間に希硫酸層を設けて電池内部にとどめ、流動させなか
った。
【００３３】次に、正極に６０℃の水蒸気で加湿した空
気を２ｌ／ｍｉｎの速度で供給し、負極にメタノールを
ｌｍｏｌ／ｌ含む６０℃の水溶液を供給して、直接型メ
タノール燃料電池の特性を測定した。図２はｉ−Ｖ曲線
を示したもので、硫酸層を流動しない比較電池Ｂにくら
べ、本発明になる電池Ａの特性はかなり優れたものとな
った。
気を２ｌ／ｍｉｎの速度で供給し、負極にメタノールを
ｌｍｏｌ／ｌ含む６０℃の水溶液を供給して、直接型メ
タノール燃料電池の特性を測定した。図２はｉ−Ｖ曲線
を示したもので、硫酸層を流動しない比較電池Ｂにくら
べ、本発明になる電池Ａの特性はかなり優れたものとな
った。
【００３４】［実施例２］二枚の固体高分子電解質の間
に流す酸性水溶液に１ｍｏｌ／ｌの塩酸水溶液を使用
し、その他の条件は実施例１と同様の直接型メタノール
燃料電池（電池Ｃとする）を作製した。電池Ｃの特性を
実施例１と同様の条件で測定した結果、そのｉ−Ｖ曲線
は電池Ａの特性とほぼ同じであった。
に流す酸性水溶液に１ｍｏｌ／ｌの塩酸水溶液を使用
し、その他の条件は実施例１と同様の直接型メタノール
燃料電池（電池Ｃとする）を作製した。電池Ｃの特性を
実施例１と同様の条件で測定した結果、そのｉ−Ｖ曲線
は電池Ａの特性とほぼ同じであった。
【００３５】
【発明の効果】従来の直接型メタノール燃料電池におい
ては、負極に燃料としてのメタノールを溶かした水溶液
を供給するが、メタノールが水を吸収した高分子固体電
解質と接触した場合、メタノールは速やかに高分子固体
電解質中の水と混合し、高分子固体電解質中に含まれる
水の中を拡散して正極に達し、正極の触媒上で反応する
ことになる。その結果、正極の触媒活性が低下し、電池
の特性が悪化する。
ては、負極に燃料としてのメタノールを溶かした水溶液
を供給するが、メタノールが水を吸収した高分子固体電
解質と接触した場合、メタノールは速やかに高分子固体
電解質中の水と混合し、高分子固体電解質中に含まれる
水の中を拡散して正極に達し、正極の触媒上で反応する
ことになる。その結果、正極の触媒活性が低下し、電池
の特性が悪化する。
【００３６】しかし、本発明の直接型メタノール燃料電
池では、電解質層が二枚の固体高分子電解質層の間に酸
性水溶液を備えた三層となっており、しかも酸性水溶液
を流動させているため、メタノールが負極から負極側固
体高分子電解質層を通って酸性水溶液に拡散した場合、
メタノールを含んだ酸性水溶液は燃料電池の外部に取り
出され、メタノールは正極側固体高分子電解質層へはほ
とんど移動しない。その結果、正極の触媒活性は元の状
態に保たれ、電池特性の劣化を防ぐことができる。ま
た、本発明においては、燃料電池の反応に使われなかっ
たメタノールは、回収して再使用することができる。
池では、電解質層が二枚の固体高分子電解質層の間に酸
性水溶液を備えた三層となっており、しかも酸性水溶液
を流動させているため、メタノールが負極から負極側固
体高分子電解質層を通って酸性水溶液に拡散した場合、
メタノールを含んだ酸性水溶液は燃料電池の外部に取り
出され、メタノールは正極側固体高分子電解質層へはほ
とんど移動しない。その結果、正極の触媒活性は元の状
態に保たれ、電池特性の劣化を防ぐことができる。ま
た、本発明においては、燃料電池の反応に使われなかっ
たメタノールは、回収して再使用することができる。
【００３７】なお、酸性水溶液は、その濃度にもよる
が、イオン電導度は通常は固体高分子電解質よりも大き
いために、酸性水溶液層を備えた場合も、燃料電池の放
電特性が悪くなることはない。また、実施例では酸性水
溶液として硫酸と塩酸を使用したが、本発明において使
用する酸性水溶液としては、その他の酸性水溶液を使用
した場合も同様の効果が得られるものである。
が、イオン電導度は通常は固体高分子電解質よりも大き
いために、酸性水溶液層を備えた場合も、燃料電池の放
電特性が悪くなることはない。また、実施例では酸性水
溶液として硫酸と塩酸を使用したが、本発明において使
用する酸性水溶液としては、その他の酸性水溶液を使用
した場合も同様の効果が得られるものである。
【図１】本発明になる直接型メタノール燃料電池の断面
構造を示す図
構造を示す図
【図２】本発明になる直接型メタノール燃料電池Ａと比
較電池Ｂの特性を比較した図
較電池Ｂの特性を比較した図
Claims (5)
- 【請求項１】 二枚の固体高分子電解質層の間に酸性水
溶液を備え、該酸性水溶液を流動させることを特徴とす
る、固体高分子電解質を備えた直接型メタノール燃料電
池。 - 【請求項２】 酸性水溶液が電池の外部から供給され、
二枚の固体高分子電解質層の間を通った後、電池外部に
放出される構成としたことを特徴とする、請求項１記載
の固体高分子電解質を備えた直接型メタノール燃料電
池。 - 【請求項３】 酸性水溶液が、二枚の固体高分子電解質
層の間と、電池外部に備えた酸性水溶液中に含まれるメ
タノールの含有量を減少さる装置との間を循環する構成
としたことを特徴とする、請求項１記載の固体高分子電
解質を備えた直接型メタノール燃料電池。 - 【請求項４】 酸性水溶液が硫酸水溶液であることを特
徴とする、請求項１あるいは２または３記載の固体高分
子電解質を備えた直接型メタノール燃料電池。 - 【請求項５】 酸性水溶液が塩酸水溶液であることを特
徴とする、請求項１あるいは２または３記載の固体高分
子電解質を備えた直接型メタノール燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16813397A JP3844022B2 (ja) | 1997-06-09 | 1997-06-09 | 固体高分子電解質を備えた直接型メタノ−ル燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16813397A JP3844022B2 (ja) | 1997-06-09 | 1997-06-09 | 固体高分子電解質を備えた直接型メタノ−ル燃料電池 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH113724A true JPH113724A (ja) | 1999-01-06 |
| JPH113724A5 JPH113724A5 (ja) | 2005-04-07 |
| JP3844022B2 JP3844022B2 (ja) | 2006-11-08 |
Family
ID=15862453
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16813397A Expired - Fee Related JP3844022B2 (ja) | 1997-06-09 | 1997-06-09 | 固体高分子電解質を備えた直接型メタノ−ル燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3844022B2 (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001039307A3 (en) * | 1999-11-23 | 2001-11-29 | Energy Ventures Inc Canada | Direct methanol cell with circulating electrolyte |
| WO2004057695A3 (en) * | 2002-12-23 | 2005-01-27 | Alberta Res Council | Tubular direct methanol fuel cell |
| JP2008077851A (ja) * | 2006-09-19 | 2008-04-03 | Sony Corp | 燃料電池および燃料電池システム、並びに電子機器 |
| JP2009037915A (ja) * | 2007-08-02 | 2009-02-19 | Sony Corp | 燃料電池スタックシステムおよび電子機器 |
| JP2009048953A (ja) * | 2007-08-22 | 2009-03-05 | Sony Corp | 燃料電池、電極および電子機器 |
| CN101809793A (zh) * | 2007-10-02 | 2010-08-18 | 索尼公司 | 电解液和电化学装置 |
| JP4768261B2 (ja) * | 2002-04-23 | 2011-09-07 | コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ | 電解質層を通過するメタノールを制限する基本燃料電池要素 |
| US8871403B2 (en) | 2007-08-02 | 2014-10-28 | Sony Corporation | Fuel cell stack system, channel structure, fuel cell, electrode and electronic device |
-
1997
- 1997-06-09 JP JP16813397A patent/JP3844022B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001039307A3 (en) * | 1999-11-23 | 2001-11-29 | Energy Ventures Inc Canada | Direct methanol cell with circulating electrolyte |
| JP4768261B2 (ja) * | 2002-04-23 | 2011-09-07 | コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ | 電解質層を通過するメタノールを制限する基本燃料電池要素 |
| WO2004057695A3 (en) * | 2002-12-23 | 2005-01-27 | Alberta Res Council | Tubular direct methanol fuel cell |
| JP2008077851A (ja) * | 2006-09-19 | 2008-04-03 | Sony Corp | 燃料電池および燃料電池システム、並びに電子機器 |
| JP2009037915A (ja) * | 2007-08-02 | 2009-02-19 | Sony Corp | 燃料電池スタックシステムおよび電子機器 |
| US8871403B2 (en) | 2007-08-02 | 2014-10-28 | Sony Corporation | Fuel cell stack system, channel structure, fuel cell, electrode and electronic device |
| JP2009048953A (ja) * | 2007-08-22 | 2009-03-05 | Sony Corp | 燃料電池、電極および電子機器 |
| CN101809793A (zh) * | 2007-10-02 | 2010-08-18 | 索尼公司 | 电解液和电化学装置 |
| US8338328B2 (en) | 2007-10-02 | 2012-12-25 | Sony Corporation | Electrolytic solution and electrochemical device |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3844022B2 (ja) | 2006-11-08 |
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