JP2004165002A

JP2004165002A - Fuel cell, operating method of the fuel cell, and portable electrical apparatus mounting the same

Info

Publication number: JP2004165002A
Application number: JP2002329344A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Nagao; 諭長尾; Yuichi Shimakawa; 祐一島川; Arata Nakamura; 新中村; Tsutomu Yoshitake; 務吉武; Yoshimi Kubo; 佳実久保
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2004-06-10

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique or the like for efficiently eliminating water produced at an oxidant electrode. <P>SOLUTION: A fuel cell body 100 has a solid electrolyte film 114 and a fuel electrode 102 and an oxidant electrode 108 disposed on the film 114. The body 100 further includes a drainage member 664 to drain water produced at the oxidant electrode outside the body 100. The drainage member 664 is composed of a water-absorptive sheet, absorbs the water produced at the oxidant electrode 108 and derives the absorbed water outside the body 100. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池および燃料電池の運転方法、ならびにその燃料電池を搭載した携帯型電気機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質型燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた固体電解質膜から構成され、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料極および酸化剤極は、基材と、基材表面に備えられた触媒層とを含む。燃料としては、一般的には水素が用いられるが、近年、安価で取り扱いの容易なメタノールを原料として、メタノールを改質して水素を生成させるメタノール改質型や、メタノールを燃料として直接利用する直接型の燃料電池の開発も盛んに行われている。
【０００３】
燃料として水素を用いた場合、燃料極での反応は以下の式（１）のようになる。
３Ｈ_２ → ６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ （１）
【０００４】
燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極での反応は以下の式（２）のようになる。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ６Ｈ^＋＋ＣＯ_２＋６ｅ⁻ （２）
【０００５】
また、いずれの場合も、酸化剤極での反応は以下の式（３）のようになる。
３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ（３）
【０００６】
特に、直接型の燃料電池では、メタノール水溶液から水素イオンを得ることができるので、改質器等が不要になり、小型化および軽量化を図ることができ、携帯型の電気機器へ適用することの利点が大きい。また、液体のメタノール水溶液を燃料とするため、エネルギー密度が非常に高いという特徴がある。
【０００７】
このような燃料電池において、上記式（３）に示すように、酸化剤極では水が生成する。また、固体電解質膜として固体高分子膜を用いた場合、燃料極で発生した水素イオンとともに水も固体電解質膜を通って酸化剤極に達する。さらに、液体燃料を使用する直接型の燃料電池においては、燃料中に水が含まれるため、固体電解質膜を通過する水の量が多くなる。酸化剤極の電極表面に水が滞留すると、電極のガス透過性が低下することによる発電効率の低下や、有効な触媒の表面が減少することによる出力の低下が生じる。したがって、燃料電池を効率よく運転するためには、酸化剤極からの排水効率を高める必要がある。
【０００８】
従来、酸化剤極の電極表面から水を排除する方法として、たとえば、電極領域に対向する部分に、ガス流通用溝を備えた多孔質吸水性カーボン材である吸水体を組み込んで形成された燃料電池が開示されている（特許文献１）。
【０００９】
また、たとえば、ガス供給用マニホールドに吸水体を設けた燃料電池が開示されている（特許文献２）。
【００１０】
また、電極基材あるいはガス流路に吸水体を組み込んだ燃料電池が開示されている（特許文献３）。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１０−２９４１１６号公報
【特許文献２】
特開２００１−１５５７５９号公報
【特許文献３】
特開平７−３２６３６１号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の燃料電池では、吸水体が酸化剤極から水を除去するように構成されているが、吸水体に吸収された水はそのまま吸水体内部に貯蔵され続ける。そのため、電池性能を長時間にわたって維持することは困難となるという問題点があった。さらに、吸水体は、水を吸収することにより膨張するため、ガス流路の閉塞がおこり、電池の出力が低下するという問題点もある。
【００１３】
特に、燃料電池を携帯型の電気機器に搭載した場合、室温下で運転することが要求される。しかし、室温下では水の蒸気圧が低下するため、吸水体に吸収された水がほとんど蒸散しない。そのため、このような問題がより顕著となる。
【００１４】
さらに、燃料電池を発電させる際の電流密度を大きくすると、酸化剤極における水の発生量はより多くなる。そのため、効率よく水を除去する手段を設ける技術が望まれる。
【００１５】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、燃料電池の酸化剤極から水を効率よく除去する技術を提供することにある。本発明の別の目的は、室温下での運転であっても、酸化剤極に発生した水を速やかに除去する技術を提供することである。本発明の別の目的は、燃料電池を携帯型の電気機器に搭載した場合であっても、酸化剤極に発生した水を効率よく除去する技術を提供することである。本発明の別の目的は、燃料電池の性能を長時間維持させる技術を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃料極および酸化剤極と、燃料極および酸化剤極の間に配設された固体電解質膜と、を含む燃料電池セルと、酸化剤極で発生した水を燃料電池セルの外部に排出する排出手段と、を含むことを特徴とする燃料電池が提供される。
【００１７】
排出手段は、酸化剤極側に設けられる。排出手段は、酸化剤極の周囲に設けることができる。排出手段は、吸水性および速乾性を有する材料により構成することができる。また、排出手段は、燃料電池の外部まで延在して設けることができる。これにより、排出手段が吸収した水を燃料電池の外部に移動することができ、燃料電池セルの外部において水を蒸散させることができる。
【００１８】
本発明の燃料電池において、排出手段は、水を液体のまま燃料電池セルの外部に排出することができる。これにより、常温下においても、酸化剤極で発生した水を燃料電池セルの外部に排出することができ、外部において水を蒸散させることができる。
【００１９】
本発明の燃料電池において、排出手段は、酸化剤極で発生した水を吸収するとともに、吸収した水を燃料電池セルの外部に導出することができる。排出手段は、たとえばポリエステル、レーヨン、ナイロン、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスルフィド、ポリベンズイミダゾール、または綿等を含むことができる。また、排出手段は、シリカ多孔体やアルミナ多孔体などのセラミックス多孔体や多孔質金属等により構成することもできる。排出手段は、たとえば毛細管現象により吸収した水を燃料電池セルの外部に導出することができる。
【００２０】
本発明の燃料電池において、排出手段は、少なくとも一部が酸化剤極に接して設けられてよい。これにより、酸化剤極で発生した水を効率よく吸収することができる。
【００２１】
本発明の燃料電池において、排出手段は、燃料電池セルの外部に露出した領域を含むことができる。これにより、排出手段に吸収された水を適切に蒸散させることができる。
【００２２】
本発明の燃料電池において、酸化剤極は、燃料極よりも面積が大きく形成されてよい。これにより、排出手段が酸化剤極と接する領域を広くとっても電池特性に影響を与えることがないため、酸化剤極で発生した水を効率よく吸収することができる。
【００２３】
本発明の燃料電池において、排出手段は、吸水性シートを含むことができる。吸水性シートは、織布、不織布、または紙により構成することができる。吸水性シートは、たとえば、ポリエステル、レーヨン、ナイロン、綿等を含むことができる。
【００２４】
本発明の燃料電池において、酸化剤極は、吸水性シートと固体電解質膜との間に配設され、吸水性シートは、固体電解質膜および酸化剤極よりも面積が大きく形成され、燃料電池セルの外部に露出した領域を含むことができる。これにより、吸水性シートは、酸化剤極で発生した水を効率よく吸収することができるとともに、吸収した水を燃料電池セルの外部に導出して蒸散させることができる。
【００２５】
本発明の燃料電池において、吸水性シートは、酸化剤極表面が開口するように形成された開口部を含むことができる。これにより、酸化剤極表面に吸水性シートを配設した場合であっても、酸化剤極に酸化剤を適切に供給することができる。
【００２６】
吸水性シートは、帯状の複数の開口部を含むこともできる。これにより、酸化剤極に酸化剤を供給することができるとともに、酸化剤極表面に発生した水を効率よく吸収することができる。
【００２７】
本発明の燃料電池において、排出手段は、燃料を吸収して保持する燃料保持部材を含むことができる。本発明の燃料電池において、燃料保持部材は、燃料電池セルの外部に設けられてよい。
【００２８】
保持部材は、吸水性および止水性を有する材料により構成することができる。保持部材は、吸水性ポリマーにより構成することができる。吸水性ポリマーとしては、とくに制限はなく、既知の吸水性ポリマーを用いることができるが、たとえばポリアクリル酸ナトリウム塩等を用いることができる。また、綿等にこのような吸水性ポリマーを直接紡糸した合繊を用いて保持部材を構成することもできる。
【００２９】
このようにすれば、排出手段が吸収した水は、保持部材に吸収されるので、排出手段は、酸化剤極で発生した水を速やかに吸収することができる。また、吸収した水が速やかに排除されるので、排出手段は、連続的に効率よく水を吸収することができる。
【００３０】
本発明の燃料電池において、酸化剤極側に設けられ、開口部が形成された集電体をさらに含むことができ、排出手段の一部は、開口部において、燃料電池セルの外部に露出して構成することができる。このようにすれば、排出手段が吸収した水が開口部から蒸散するので、排出手段は、酸化剤極で発生した水を速やかに吸収することができる。
【００３１】
本発明の燃料電池において、酸化極は、表面に撥水処理を施して形成することができる。撥水処理は、たとえば、酸化極の電極基材をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、シラン等の疎水性溶液へ浸漬させることにより行うことができる。
【００３２】
本発明の燃料電池において、固体電解質膜は、固体高分子膜により構成することができる。固体電解質膜として固体高分子膜を用いた場合に、酸化剤極で発生する水の量が増加するが、本発明の燃料電池によれば、酸化剤極で発生した水を除去することができるので、燃料電池を連続的に効率よく運転することができる。
【００３３】
本発明の燃料電池において、燃料としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、シクロパラフィン等の液体炭化水素等、ホルマリン、ギ酸、あるいはヒドラジン等の液体燃料を用いることができる。燃料として液体燃料を用いた場合に、酸化剤極で発生する水の量が増加するが、本発明の燃料電池によれば、酸化剤極で発生した水を除去することができるので、燃料電池を連続的に効率よく運転することができる。
【００３４】
本発明によれば、上記したいずれかの燃料電池を搭載したことを特徴とする携帯型電気機器が提供される。燃料電池を携帯型電気機器に搭載した場合、室温下で運転することが要求されるが、本発明の燃料電池によれば、酸化剤極で発生した水を液体のまま燃料電池の外部に導出することができるので、室温下であっても酸化剤極で発生した水を効率よく除去することができる。
【００３５】
本発明によれば、燃料極および酸化剤極と、燃料極および酸化剤極の間に配設された固体電解質膜と、を含む燃料電池の運転方法であって、酸化剤極で発生した水を燃料電池の外部に排出させながら燃料電池を運転することを特徴とする燃料電池の運転方法が提供される。
【００３６】
本発明の燃料電池の運転方法において、水を液体のまま燃料電池外部に排出することができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下の実施の形態で説明する燃料電池の用途は特に限定されないが、たとえば携帯電話、ノート型等の携帯型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（ＰｅｒｓｏｎａｌＤｉｇｉｔａｌＡｓｓｉｓｔａｎｔ）、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤー等の小型電気機器に適切に用いられる。
【００３８】
（第一の実施の形態）
図１は、本発明の第一の実施の形態における燃料電池本体を模式的に示した断面図である。燃料電池本体１００は、単数または複数の膜−電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅａｓｓｅｍｂｌｙ）１０１を有する。膜−電極接合体１０１は、燃料極１０２、酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４を含む。膜−電極接合体１０１の燃料極１０２には燃料極側集電体１３２が、酸化剤極１０８には酸化剤極側集電体１３４がそれぞれ設けられる。固体電解質膜１１４と燃料極側集電体１３２との間には、燃料極１０２を取り囲むように絶縁シート６６０が、固体電解質膜１１４と酸化剤極側集電体１３４との間には、酸化剤極１０８を取り囲むように絶縁シート６６２が設けられる。膜−電極接合体１０１の酸化剤極１０８側には、酸化剤極１０８表面から膜−電極接合体１０１の外部まで延在する排水部材６６４が設けられている。酸化剤極１０８と酸化剤極側集電体１３４との間には、これらの間を電気的に導通させる導電性のメッシュ部材１３６が設けられる。
【００３９】
固体電解質膜１１４は、燃料極１０２と酸化剤極１０８を隔てるとともに、両者の間で水素イオンを移動させる役割を有する。このため、固体電解質膜１１４は、水素イオンの伝導性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。固体電解質膜１１４を構成する材料としては、スルフォン基、リン酸基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基等の極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、スルフォン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族縮合系高分子；スルフォン基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（デュポン社製）（登録商標）、アシプレックス（旭化成社製））；カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオンＳ膜（旭硝子社製）（登録商標））；等が例示される。
【００４０】
燃料極１０２および酸化剤極１０８は、それぞれ、触媒を担持した炭素粒子と固体電解質の微粒子とを含む燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２をそれぞれ基体１０４および基体１１０上に形成した構成とすることができる。
【００４１】
燃料極側触媒層１０６の触媒としては、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、レニウム、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウム、またはこれらの合金等が例示される。酸化剤極１０８に用いる酸化剤極側触媒層１１２の触媒としては、燃料極側触媒層１０６と同様のものを用いることができ、上記例示物質を使用することができる。なお、燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２の触媒は同じものを用いても異なるものを用いてもどちらでもよい。
【００４２】
触媒を担持する炭素粒子としては、アセチレンブラック（デンカブラック（電気化学社製）（登録商標）、ＸＣ７２（Ｖｕｌｃａｎ社製）等）、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等が例示される。
【００４３】
燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２における固体電解質の微粒子は、同一のものであっても異なるものであってもよい。ここで、固体電解質の微粒子は、固体電解質膜１１４と同じ材料を用いることができるが、固体電解質膜１１４とは異なる材料や、複数の材料を用いることもできる。
【００４４】
燃料極１０２、酸化剤極１０８ともに、基体１０４および基体１１０としては、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、発泡金属等の多孔性基体を用いることができる。燃料極１０２において、基体１０４における二酸化炭素の気泡の滞留は発電効率の低下の原因となる。この気泡滞留の原因は、気泡を覆う水分が基体１０４に付着して留まっているためである。そこで、基体１０４の表面に、親水性コート材あるいは疎水性コート材による表面処理を行うことが好ましい。親水性コート材により表面処理することで、基体１０４の表面における燃料の流動性が高められる。これにより二酸化炭素の気泡は燃料１２４とともに移動しやすくなる。また、疎水性コート材により処理することにより、基体１０４の表面に、気泡の形成の原因となる水分の付着を軽減できる。したがって、基体１０４の表面上における気泡の形成を軽減できる。親水性コート材としては、例えば酸化チタン、酸化ケイ素などが挙げられる。一方、疎水性コート材としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、シランなどが例示される。基体１１０の表面も同様に表面処理を行うことができる。とくに、基体１１０の表面を疎水性コート剤で表面処理することにより、酸化剤極１０８表面に水が滞留しにくくなり、酸化剤極１０８表面から効率よく水を除去することができる。
【００４５】
酸化剤極側集電体１３４には酸化剤の取入口１３５が設けられている。また、酸化剤極１０８と酸化剤極側集電体１３４の間にはメッシュ状のメッシュ部材１３６が設けられている。これにより、酸化剤極１０８に効率よく酸化剤を供給することができるとともに、酸化剤極１０８と酸化剤極側集電体１３４との間の電気的導通をとることができる。
【００４６】
絶縁シート６６０および絶縁シート６６２は、たとえばシリコンゴムにより構成することができる。排水部材６６４は、酸化剤極１０８で発生した水を膜−電極接合体１０１の外部に排出する。排水部材６６４としては、織布、不織布、または紙により構成された吸水性シートを用いることができる。本実施の形態における排水部材６６４としては、吸水率が高く、また吸収した水を内部に保持することなく、膜−電極接合体１０１の外部に導出することのできるものが好ましく用いられる。排水部材６６４は、たとえばポリエステル、レーヨン、ナイロン、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスルフィド、ポリベンズイミダゾール、または綿等を含むことができる。また、排水部材６６４は、シリカ多孔体やアルミナ多孔体などのセラミックス多孔体や多孔質金属等により構成することもできる。
【００４７】
次に、本実施の形態における燃料電池本体１００の製造方法を説明する。
固体電解質膜１１４をたとえば有機高分子材料で構成する場合、固体電解質膜１１４は、有機高分子材料を溶媒に溶解ないし分散した液体を、ポリテトラフルオロエチレン等の剥離性シート等の上にキャストして乾燥させることにより得ることができる。
【００４８】
燃料極１０２および酸化剤極１０８は、たとえば以下の方法で得ることができる。まず、一般的に用いられている含浸法によって炭素粒子に触媒を担持させる。次に触媒を担持させた炭素粒子と固体電解質の微粒子を溶媒に分散させ、ペースト状としたのち、親水性コート剤または疎水性コート剤による表面処理を行った基体１０４または基体１１０に塗布する。基体１０４または基体１１０へのペーストの塗布方法については特に制限がないが、たとえば、刷毛塗り、スプレー塗布、およびスクリーン印刷法等の方法を用いることができる。ペーストを塗布した後、たとえば、加熱温度１００℃〜２５０℃、加熱時間３０秒間〜３０分で乾燥させることによって燃料極１０２および酸化剤極１０８が得られる。
【００４９】
次に、固体電解質膜１１４を、燃料極１０２および酸化剤極１０８で挟み、ホットプレスすることにより、膜−電極接合体１０１を得る。このとき、燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２が固体電解質膜１１４と接するようにする。たとえば固体電解質膜１１４や燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２中の固体電解質の微粒子を有機高分子で構成する場合、ホットプレスの条件は、これらの有機高分子の軟化温度やガラス転位温度を超える温度とすることができる。具体的には、たとえば、温度１００〜２５０℃、圧力１〜１００ｋｇ／ｃｍ^２、時間１０秒〜３００秒とする。以上のようにして、膜−電極接合体１０１が形成される。
【００５０】
図２は、図１に示した膜−電極接合体１０１の酸化剤極１０８側を示す側面図である。図２（ａ）に示すように、以上のようにして得られた膜−電極接合体１０１の酸化剤極１０８側に、開口部６６５が形成された排水部材６６４を配設する。排水部材６６４は、酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４よりも大きく形成される。また、排水部材６６４の開口部６６５は、酸化剤極１０８よりもわずかに小さく形成される。これにより、排水部材６６４を酸化剤極１０８に配設したときに、酸化剤極１０８が開口部６６５から露出するとともに、酸化剤極１０８表面の周辺部分が排水部材６６４と接するようになる。
【００５１】
この後、図２（ｂ）に示すように、排水部材６６４の酸化剤極１０８と接する面とは反対側の面にメッシュ部材１３６（図２では不図示）および酸化剤極側集電体１３４が配設される。酸化剤極側集電体１３４は、固体電解質膜１１４にたとえばネジ留めされ、これにより、排水部材６６４、絶縁シート６６２、メッシュ部材１３６が固体電解質膜１１４に固定される。燃料極１０２側においても、燃料極１０２の固体電解質膜１１４と接する面とは反対側の面に燃料極側集電体１３２が配設される。
【００５２】
また、得られた膜−電極接合体１０１を積み重ねることにより、複数の膜−電極接合体１０１が直列に接続された燃料電池セルスタックを含む燃料電池本体１００を得ることができる。
【００５３】
このように構成された燃料電池本体１００において、各膜−電極接合体１０１の燃料極１０２には、燃料が供給される。また、各膜−電極接合体１０１の酸化剤極１０８には、酸化剤が供給される。燃料としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、シクロパラフィン等の液体炭化水素等、ホルマリン、ギ酸、あるいはヒドラジン等の液体燃料を用いることができる。液体燃料は、水溶液とすることができる。また、燃料にはアルカリを加えることもできる。これにより、水素イオンのイオン伝導性を高めることができる。酸化剤としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。
【００５４】
このように、本実施の形態においては、排水部材６６４が、酸化剤極１０８と一部が接するように設けられるとともに、固体電解質膜１１４や酸化剤極側集電体１３４よりも大きく形成されているので、排水部材６６４は、酸化剤極１０８で発生した水を吸収するとともに吸収した水を膜−電極接合体１０１の外部に放出することができる。これにより、酸化剤極１０８で発生した水を効率よく酸化剤極１０８表面から除去することができる。
【００５５】
（第二の実施の形態）
図３は、本発明の第二の実施の形態における燃料電池本体を示す図である。図３（ａ）は、燃料電池本体１００の断面図である。本実施の形態において、排水部材６６４の形状が第一の実施の形態において図１および図２を参照して説明した燃料電池本体１００と異なる。本実施の形態において、図１および図２に示した燃料電池本体１００と同様の構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。図３（ｂ）は、固体電解質膜１１４および酸化剤極１０８上に排水部材６６４が配設された状態を示す側面図である。
【００５６】
図示したように、本実施の形態における排水部材６６４には、複数のストライプ状の開口部６６６が形成される。このようにすれば、排水部材６６４が酸化剤極１０８表面と接する領域が広くなるため、排水部材６６４は、より速やかに酸化剤極１０８表面に生成した水を吸収することができる。
【００５７】
（第三の実施の形態）
図４は、本発明の第三の実施の形態における燃料電池本体を示す上面図である。本実施の形態において、酸化剤極側集電体１３４の形状が第一の実施の形態において図１および図２を参照して説明した燃料電池本体１００と異なる。本実施の形態において、図１および図２に示した燃料電池本体１００と同様の構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００５８】
図示したように、本実施の形態における酸化剤極側集電体１３４には、複数の開口部６６８が形成される。複数の開口部６６８は、酸化剤極側集電体１３４を酸化剤極１０８上に配設したときに酸化剤極１０８の周囲に位置するように形成される。ここで、酸化剤極側集電体１３４の開口率は約２２〜２５％とすることができる。このようにすれば、排水部材６６４が外部と接する領域が広くなるので、排水部材６６４が吸収した水を速やかに蒸散させることができる。また、排水部材６６４中の水分を蒸散させることができるため、燃料電池の連続運転を行っても、排水部材６６４の水の吸水率を維持することもできる。
【００５９】
（第四の実施の形態）
図５は、本発明の第四の実施の形態における燃料電池本体を示す側面図である。本実施の形態では、排水部材６６４が第一の実施の形態において図１および図２を参照して説明した燃料電池本体１００と異なる。本実施の形態においても、燃料電池本体は、図１および図２に示した燃料電池本体１００と同様の構成を有する。図５（ａ）は、排水部材６６４を示す図である。本実施の形態において、排水部材６６４は燃料吸水部材６７０を含む。排水部材６６４には、固体電解質膜１１４および酸化剤極側集電体１３４の間に配設されたときに、固体電解質膜１１４および酸化剤極側集電体１３４の周囲に位置する領域に燃料吸水部材６７０が設けられている。燃料吸水部材６７０は、たとえば、吸水性ポリマーと綿の合繊により構成することができる。本実施の形態における吸水性ポリマーとしては、とくに制限はなく、既知の吸水性ポリマーを用いることができるが、たとえばポリアクリル酸ナトリウム塩等を用いることができる。燃料吸水部材６７０は、シート状に形成された排水部材６６４の周囲部分に接合される。
【００６０】
図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した排水部材６６４上に、第三の実施の形態で説明した酸化剤極側集電体１３４と同様に構成された酸化剤極側集電体１３４を配設した状態を示す図である。このようにすれば、排水部材６６４が吸収した水は、酸化剤極側集電体１３４の開口部６６８から蒸散するとともに排水部材６６４の周辺部分に接合された燃料吸水部材６７０に吸収されるので、排水部材６６４は、酸化剤極１０８で発生した水を速やかに吸収することができる。また、吸収した水が速やかに排除されるので、排水部材６６４は、連続的に効率よく水を吸収することができる。
【００６１】
（第五の実施の形態）
図７は、本発明の第五の実施の形態における燃料電池本体を示す側面図である。本実施の形態では、酸化剤極１０８の大きさが燃料極１０２よりも大きい点で第一の実施の形態および第二の実施の形態で説明した燃料電池本体１００と異なる。図７（ａ）は図１に示した第一の実施の形態における燃料電池本体１００を本実施の形態に適用した例、図７（ｂ）は、図３に示した第三の実施の形態における燃料電池本体１００を本実施の形態に適用した例を示す。本実施の形態において、酸化剤極１０８が燃料極１０２よりも大きく形成されるので、燃料極１０２および酸化剤極１０８を、固体電解質膜１１４を挟むようにして対向して配設したときに、酸化剤極１０８には燃料極１０２と対向しない領域が設けられる。このような領域に排水部材６６４を設けても燃料電池本体１００の電極反応には影響を及ぼさない。そのため、排水部材６６４が酸化剤極１０８表面と接する面積を広く取ることができ、酸化剤極１０８で発生した水を効率よく除去することができる。また、第三の実施の形態で説明したように、複数の開口部６６８を有する酸化剤極側集電体１３４を用いた場合、酸化剤極側集電体１３４の開口率を高くすることができ、排水部材６６４が吸収した水を効率よく蒸散させることができる。
【００６２】
【実施例】
（実施例１）
図１に示した構成の燃料電池本体１００を製造した。ここで、膜−電極接合体１０１の基体１０４および基体１１０の大きさは１０ｍｍ×１０ｍｍとした。排水部材６６４としては、ポリエステル糸の織布（大きさ５２．５ｍｍ×５２．５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ、開口部６６５の大きさ９ｍｍ×９ｍｍ）を用いた。燃料極側集電体１３２および酸化剤極側集電体１３４の大きさは、３２．５ｍｍ×３２．５ｍｍとした。排水部材６６４の開口部６６５は、酸化剤極１０８の基体１１０上に位置するように配設した。
【００６３】
以上のようにして製造した燃料電池本体１００の燃料極１０２側には、燃料として１０体積％のメタノール水溶液を供給し、酸化剤極１０８側には１気圧の空気を自然吸入により供給した。この条件で、運転温度を２５℃、電流密度を６５ｍＡ／ｃｍ^２で発電運転を行った。図６に、本発電運転により得られたセル電位の経時変化を示す。
【００６４】
（参照例１）
実施例１と同様の構成で、排水部材６６４を設けていない燃料電池本体を製造して、実施例１と同様の条件で発電運転を行った。この結果も図６に示す。
【００６５】
以上の構成の燃料電池では、運転開始から約２０分後に安定な動作が開始されるため、運転開始から２０分後のセル電位を初期値とする。比較例１の燃料電池では、運転開始から約２００分後にセル電位が初期値に比べて約５０％低下し、運転開始から約１２００分後には約９０％低下した。一方、実施例１の燃料電池では、運転開始から約１２００分後においても、セル電位の低下を初期値に比べて２０％以内に抑えることができた。
【００６６】
これらの燃料電池について、酸化極側の液滴の有無を観察したところ、比較例１の燃料電池では多くの液滴が基材およびガス流路に付着、滞留しているのが観察されたが、実施例１の燃料電池では液滴の形成は認められなかった。
【００６７】
以上の結果から、比較例１では基材およびガス流路へ液滴が付着、滞留することによりセル電位が低下していると考えられるが、実施例１の燃料電池では、このような液滴の付着、滞留が抑制される結果、反応ガスが安定して通流し、良好な発電特性を示したものと判断される。
【００６８】
また、実施例１の燃料電池の排水部材６６４として、ポリエステル糸の織布の代わりに、綿、および和紙を用いて同様に発電運転を実施したが、ポリエステル糸の織布を用いた場合と同様に、運転開始から約１２００分後においても、セル電位の低下を初期値に比べても２０％以内に抑えることができた。
【００６９】
（実施例２）
図３に示した構成の燃料電池本体１００を製造し、実施例１と同様の条件で発電運転を行った。この結果も図６に示す。図６に示すように、本実施例の燃料電池もセル電位の低下良好な出力安定性を示した。実施例２の燃料電池は、運転開始から約１２００分後においても、セル電位の低下を初期値に比べても１０％以内に抑えることができた。
【００７０】
（実施例３）
図４に示した構成の燃料電池本体１００を製造し、実施例１と同様の条件で発電運転を行った。この結果も図６に示す。図６に示すように、本実施例の燃料電池もセル電位の低下良好な出力安定性を示した。実施例４の燃料電池は、運転開始から約１２００分後においても、セル電位の低下を初期値に比べても５％以内に抑えることができた。
【００７１】
（実施例４）
図４に示した構成の燃料電池本体１００を製造した。本実施例の燃料電池は、実施例３の燃料電池と同様の構成を有するが、酸化剤極１０８側の基体１１０表面に６％ＰＴＦＥ懸濁液を浸漬することによって撥水処理を施した点で実施例３の燃料電池と異なる。実施例１と同様の条件で発電運転を行った。この結果も図６に示す。図６に示すように、本実施例の燃料電池もセル電位の低下良好な出力安定性を示した。実施例４の燃料電池は、運転開始から約１２００分後においても、セル電位の低下を初期値に比べても５％以内に抑えることができた。
（実施例５）
図５に示した構成の燃料電池本体１００を製造した。この燃料電池の燃料極１０２側には、燃料として１０体積％のメタノール水溶液を供給し、酸化剤極１０８側には１気圧の空気を自然吸入により供給した。この条件で、運転温度を２５℃、電流密度を１３０ｍＡ／ｃｍ^２で発電運転を行った。この結果も図６に示す。
【００７２】
（参照例２）
実施例３と同様の構成の燃料電池を製造して、実施例５と同様の条件（電流密度１３０ｍＡ／ｃｍ^２）で発電運転を行った。この結果も図６に示す。
【００７３】
ここでも運転開始から２０分後のセル電位を初期値とする。実施例５および参照例２では、実施例１〜実施例４および参照例１に比べて、電流密度が２倍であるため、生成水の発生量も多くなる。参照例２では、運転開始から約１２００分後にはセル電位が初期値に比べて約９５％低下した。一方、実施例５の燃料電池では、運転開始から約１２００分後においても、セル電位の低下を初期値に比べても約５％以内に抑えることができた。
【００７４】
本発明の燃料電池は、酸化剤極表面に排水部材が設けられ、排水部材は外部に開放された領域を含むため、酸化剤極で発生した水を速やかに吸水、蒸散させることができる。これにより、酸化剤極表面で発生した水の滞留に起因する電池性能の低下を長時間にわたって防ぐことができる。
【００７５】
また、排水部材に燃料吸水部材を設けた場合、酸化剤極で生成する水の量が蒸散する水の量より多い場合であっても、生成水が燃料吸水部材６７０に吸収され、燃料吸水部材６７０中に保持されるため、排水部材６６４の吸水率を維持することができる。また、燃料吸水部材６７０は、吸水により膨張するが、燃料吸水部材６７０は燃料電池外部に設置されているため、ガス流路の閉塞も起こらない。
【００７６】
以上、本発明を実施の形態および実施例をもとに説明した。この実施の形態および実施例は例示であり、その各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能であり、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、そうした例を説明する。
【００７７】
以上の実施の形態において、燃料としてはメタノール水溶液等の液体燃料を用いた例を説明したが、燃料としてはジメチルエーテル等の炭化水素系燃料から得られる改質水素、または水素を使用することができる。
【００７８】
以上の実施例では、燃料電池の運転温度を約２５℃としたが、本発明の燃料電池は、運転温度をたとえば８０℃程度の高温としても、好適に酸化剤極に発生した水を除去することができる。
【００７９】
本発明は、複数の膜−電極接合体を直列接続した燃料電池スタックに適用することもできる。この場合、たとえば図８に示したように、排水部材６６４は、複数の膜−電極接合体で共有して用いることもできる。
【００８０】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池の酸化剤極から水を効率よく除去する技術を提供することができる。これにより、出力安定性に優れた燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態における燃料電池本体を模式的に示した断面図である。
【図２】図１に示した膜−電極接合体の酸化剤極側を示す側面図である。
【図３】本発明の第二の実施の形態における燃料電池本体を示す図である。
【図４】本発明の第三の実施の形態における燃料電池本体を示す側面図である。
【図５】本発明の第四の実施の形態における燃料電池本体を示す側面図である。
【図６】実施例および比較例における燃料電池電位の経時変化を示すグラフである。
【図７】本発明の第五の実施の形態における燃料電池本体を示す側面図である。
【図８】複数の膜−電極接合体を含むスタック構造を示す図である。
【符号の説明】
１００燃料電池本体
１０１膜−電極接合体
１０２燃料極
１０４基体
１１０基体
１０６燃料極側触媒層
１０８酸化剤極
１１２酸化剤極側触媒層
１１４固体電解質膜
１３２燃料極側集電体
１３４酸化剤極側集電体
１３５取入口
１３６メッシュ部材
６６０絶縁シート
６６２絶縁シート
６６４排水部材
６６５開口部
６６６開口部
６６８開口部
６７０燃料吸水部材[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell, a method of operating the fuel cell, and a portable electric device equipped with the fuel cell.
[0002]
[Prior art]
A solid oxide fuel cell is composed of a fuel electrode and an oxidant electrode, and a solid electrolyte membrane provided therebetween. Fuel is supplied to the fuel electrode, and an oxidant is supplied to the oxidant electrode. To generate electricity. The fuel electrode and the oxidant electrode include a base material and a catalyst layer provided on the base material surface. As fuel, hydrogen is generally used, but in recent years, methanol is used as a fuel, and methanol is reformed to produce hydrogen by reforming methanol using inexpensive and easily handled methanol as raw material. The development of direct fuel cells is also actively pursued.
[0003]
When hydrogen is used as the fuel, the reaction at the fuel electrode is represented by the following equation (1).
3H ₂ → 6H ⁺ + 6e ⁻ (1)
[0004]
When methanol is used as the fuel, the reaction at the fuel electrode is represented by the following equation (2).
CH ₃ OH + H ₂ O → 6H ⁺ + CO ₂ + 6e ⁻ (2)
[0005]
In each case, the reaction at the oxidant electrode is represented by the following equation (3).
3 / 2O ₂ + 6H ⁺ + 6e ⁻ → 3H ₂ O (3)
[0006]
In particular, in a direct fuel cell, hydrogen ions can be obtained from an aqueous methanol solution, which eliminates the need for a reformer and the like, and can be reduced in size and weight, and can be applied to portable electric equipment. The benefits are great. Further, since a liquid methanol aqueous solution is used as a fuel, there is a characteristic that the energy density is extremely high.
[0007]
In such a fuel cell, water is generated at the oxidant electrode as shown in the above equation (3). When a solid polymer membrane is used as the solid electrolyte membrane, water as well as hydrogen ions generated at the fuel electrode reach the oxidant electrode through the solid electrolyte membrane. Further, in a direct fuel cell using a liquid fuel, the amount of water passing through the solid electrolyte membrane increases because the fuel contains water. When water stays on the electrode surface of the oxidant electrode, the power generation efficiency is reduced due to a decrease in gas permeability of the electrode, and the output is reduced due to a decrease in the effective catalyst surface. Therefore, in order to operate the fuel cell efficiently, it is necessary to increase the drainage efficiency from the oxidant electrode.
[0008]
Conventionally, as a method for removing water from the electrode surface of the oxidizer electrode, for example, a fuel formed by incorporating a water absorbent, which is a porous water-absorbing carbon material provided with a gas circulation groove, in a portion facing the electrode region A battery is disclosed (Patent Document 1).
[0009]
Further, for example, a fuel cell in which a water absorbing body is provided in a gas supply manifold is disclosed (Patent Document 2).
[0010]
Further, a fuel cell in which a water absorbent is incorporated in an electrode substrate or a gas flow path is disclosed (Patent Document 3).
[0011]
[Patent Document 1]
JP-A-10-294116
[Patent Document 2]
JP 2001-155759 A
[Patent Document 3]
JP-A-7-326361
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional fuel cell, the water absorber is configured to remove water from the oxidant electrode, but the water absorbed by the water absorber is stored as it is inside the water absorber. Therefore, there is a problem that it is difficult to maintain the battery performance for a long time. Furthermore, since the water absorbing body expands by absorbing water, there is also a problem that the gas flow path is blocked and the output of the battery is reduced.
[0013]
In particular, when a fuel cell is mounted on a portable electric device, it is required to operate at room temperature. However, at room temperature, since the vapor pressure of water decreases, the water absorbed by the water absorber hardly evaporates. Therefore, such a problem becomes more prominent.
[0014]
Furthermore, when the current density at the time of power generation of the fuel cell is increased, the amount of water generated at the oxidant electrode increases. Therefore, a technique for providing a means for efficiently removing water is desired.
[0015]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a technique for efficiently removing water from an oxidant electrode of a fuel cell. Another object of the present invention is to provide a technique for quickly removing water generated at an oxidant electrode even at room temperature operation. Another object of the present invention is to provide a technique for efficiently removing water generated at an oxidant electrode even when a fuel cell is mounted on a portable electric device. Another object of the present invention is to provide a technique for maintaining the performance of a fuel cell for a long time.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a fuel cell including a fuel electrode and an oxidant electrode, and a solid electrolyte membrane disposed between the fuel electrode and the oxidant electrode, and a fuel cell including water generated at the oxidant electrode And a discharging means for discharging the fuel to the outside of the fuel cell.
[0017]
The discharge means is provided on the oxidant electrode side. The discharge means can be provided around the oxidant electrode. The discharging means can be made of a material having water absorbency and quick drying. Further, the discharging means can be provided extending to the outside of the fuel cell. This allows the water absorbed by the discharging means to move to the outside of the fuel cell, and allows the water to evaporate outside the fuel cell.
[0018]
In the fuel cell of the present invention, the discharging means can discharge the water to the outside of the fuel cell as a liquid. Thus, even at normal temperature, water generated at the oxidant electrode can be discharged to the outside of the fuel cell, and the water can be evaporated outside.
[0019]
In the fuel cell of the present invention, the discharging means can absorb the water generated at the oxidant electrode and can lead the absorbed water to the outside of the fuel cell. The discharging means can include, for example, polyester, rayon, nylon, fluororesin, polyethylene, polypropylene, polycarbonate, polyimide, polysulfone, polysulfide, polybenzimidazole, cotton, or the like. Further, the discharging means may be constituted by a porous ceramic such as a porous silica or a porous alumina, a porous metal, or the like. The discharging means can lead water absorbed by, for example, capillary action to the outside of the fuel cell.
[0020]
In the fuel cell of the present invention, at least a part of the discharge means may be provided in contact with the oxidant electrode. Thereby, water generated at the oxidant electrode can be efficiently absorbed.
[0021]
In the fuel cell of the present invention, the discharging means may include a region exposed to the outside of the fuel cell. Thereby, the water absorbed by the discharging means can be appropriately evaporated.
[0022]
In the fuel cell of the present invention, the oxidizer electrode may be formed to have a larger area than the fuel electrode. Thus, even if the discharge unit has a large area in contact with the oxidant electrode, the battery characteristics are not affected, and water generated at the oxidant electrode can be efficiently absorbed.
[0023]
In the fuel cell of the present invention, the discharging means may include a water absorbing sheet. The water-absorbent sheet can be made of woven fabric, non-woven fabric, or paper. The water absorbing sheet can include, for example, polyester, rayon, nylon, cotton, and the like.
[0024]
In the fuel cell of the present invention, the oxidant electrode is disposed between the water-absorbent sheet and the solid electrolyte membrane, and the water-absorbent sheet is formed to have a larger area than the solid electrolyte membrane and the oxidant electrode. May include a region exposed to the outside. Thus, the water-absorbent sheet can efficiently absorb the water generated at the oxidant electrode, and can lead the absorbed water to the outside of the fuel cell to be evaporated.
[0025]
In the fuel cell of the present invention, the water-absorbent sheet may include an opening formed so that the oxidant electrode surface is opened. Thereby, even when the water-absorbing sheet is provided on the oxidant electrode surface, the oxidant can be appropriately supplied to the oxidant electrode.
[0026]
The water-absorbent sheet can also include a plurality of strip-shaped openings. Thus, the oxidant can be supplied to the oxidant electrode, and the water generated on the oxidant electrode surface can be efficiently absorbed.
[0027]
In the fuel cell according to the aspect of the invention, the discharging unit may include a fuel holding member that absorbs and holds the fuel. In the fuel cell of the present invention, the fuel holding member may be provided outside the fuel cell.
[0028]
The holding member can be made of a material having water absorbency and water stoppage. The holding member can be made of a water-absorbing polymer. The water-absorbing polymer is not particularly limited, and a known water-absorbing polymer can be used. For example, sodium polyacrylate and the like can be used. Further, the holding member can be formed by using a synthetic fiber obtained by directly spinning such a water-absorbing polymer on cotton or the like.
[0029]
With this configuration, since the water absorbed by the discharging means is absorbed by the holding member, the discharging means can quickly absorb the water generated at the oxidant electrode. Further, since the absorbed water is quickly removed, the discharging means can continuously and efficiently absorb the water.
[0030]
In the fuel cell of the present invention, the fuel cell may further include a current collector provided on the oxidant electrode side and having an opening, and a part of the discharging unit is exposed to the outside of the fuel cell in the opening. Can be configured. With this configuration, since the water absorbed by the discharging means evaporates from the opening, the discharging means can quickly absorb the water generated at the oxidant electrode.
[0031]
In the fuel cell of the present invention, the oxidation electrode can be formed by performing a water-repellent treatment on the surface. The water-repellent treatment can be performed, for example, by immersing the electrode substrate of the oxidized electrode in a hydrophobic solution such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene, or silane.
[0032]
In the fuel cell of the present invention, the solid electrolyte membrane can be constituted by a solid polymer membrane. When a solid polymer membrane is used as the solid electrolyte membrane, the amount of water generated at the oxidizer electrode increases. However, according to the fuel cell of the present invention, water generated at the oxidizer electrode can be removed. Therefore, the fuel cell can be continuously and efficiently operated.
[0033]
In the fuel cell of the present invention, as the fuel, a liquid fuel such as methanol, ethanol, dimethyl ether, or another alcohol, a liquid hydrocarbon such as cycloparaffin, or formalin, formic acid, or hydrazine can be used. When a liquid fuel is used as the fuel, the amount of water generated at the oxidant electrode increases. However, according to the fuel cell of the present invention, the water generated at the oxidant electrode can be removed. Can be continuously and efficiently operated.
[0034]
According to the present invention, there is provided a portable electric device equipped with any one of the above fuel cells. When the fuel cell is mounted on a portable electric device, it is required to operate at room temperature. However, according to the fuel cell of the present invention, water generated at the oxidant electrode is led out of the fuel cell as a liquid. Therefore, water generated at the oxidant electrode can be efficiently removed even at room temperature.
[0035]
According to the present invention, there is provided a method of operating a fuel cell including a fuel electrode and an oxidant electrode, and a solid electrolyte membrane disposed between the fuel electrode and the oxidant electrode, wherein water generated at the oxidant electrode is provided. Operating the fuel cell while discharging the fuel to the outside of the fuel cell.
[0036]
In the fuel cell operating method of the present invention, water can be discharged to the outside of the fuel cell as a liquid.
[0037]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The use of the fuel cell described in the following embodiments is not particularly limited, and examples thereof include a mobile phone, a portable personal computer such as a notebook, a PDA (Personal Digital Assistant), various cameras, a navigation system, and a portable music playback player. Appropriately used for small electrical equipment.
[0038]
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a fuel cell body according to the first embodiment of the present invention. The fuel cell main body 100 has one or a plurality of membrane-electrode assemblies (MEAs) 101. The membrane-electrode assembly 101 includes a fuel electrode 102, an oxidizer electrode 108, and a solid electrolyte membrane 114. The fuel electrode 102 of the membrane-electrode assembly 101 is provided with a fuel electrode side current collector 132, and the oxidant electrode 108 is provided with an oxidant electrode side current collector 134. An insulating sheet 660 surrounds the fuel electrode 102 between the solid electrolyte membrane 114 and the fuel electrode-side current collector 132, and an oxidizing material oxidizes between the solid electrolyte membrane 114 and the oxidant electrode-side current collector 134. An insulating sheet 662 is provided so as to surround the electrode 108. On the oxidant electrode 108 side of the membrane-electrode assembly 101, a drainage member 664 extending from the surface of the oxidant electrode 108 to the outside of the membrane-electrode assembly 101 is provided. A conductive mesh member 136 is provided between the oxidant electrode 108 and the oxidant electrode-side current collector 134 to electrically conduct between the oxidant electrode 108 and the oxidant electrode current collector 134.
[0039]
The solid electrolyte membrane 114 has a role of separating the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 and moving hydrogen ions between the two. For this reason, the solid electrolyte membrane 114 is preferably a membrane having high conductivity of hydrogen ions. Further, it is preferable that the material is chemically stable and has high mechanical strength. As a material constituting the solid electrolyte membrane 114, an organic polymer having a polar group such as a strong acid group such as a sulfone group or a phosphate group or a weak acid group such as a carboxyl group is preferably used. Such organic polymers include aromatic condensed polymers such as sulfonated poly (4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene) and alkylsulfonated polybenzimidazole; sulfonated perfluorocarbons (Nafion (manufactured by DuPont) ( (Registered trademark), Aciplex (manufactured by Asahi Kasei Corporation)); carboxyl group-containing perfluorocarbon (Flemion S membrane (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) (registered trademark)); and the like.
[0040]
The fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 form a fuel electrode-side catalyst layer 106 and an oxidant electrode-side catalyst layer 112 containing carbon particles carrying a catalyst and fine particles of a solid electrolyte on the bases 104 and 110, respectively. It can be set as the structure made.
[0041]
Examples of the catalyst of the fuel electrode side catalyst layer 106 include platinum, gold, silver, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, cobalt, nickel, rhenium, lithium, lanthanum, strontium, yttrium, and alloys thereof. . As the catalyst of the oxidant electrode side catalyst layer 112 used for the oxidant electrode 108, the same catalyst as that of the fuel electrode side catalyst layer 106 can be used, and the above-mentioned exemplified substances can be used. The catalyst of the fuel electrode side catalyst layer 106 and the catalyst of the oxidant electrode side catalyst layer 112 may be the same or different.
[0042]
Examples of the carbon particles carrying the catalyst include acetylene black (Denka Black (manufactured by Denki Kagaku) (registered trademark), XC72 (manufactured by Vulcan)), Ketjen Black, carbon nanotubes, carbon nanohorns, and the like.
[0043]
The fine particles of the solid electrolyte in the fuel electrode side catalyst layer 106 and the oxidant electrode side catalyst layer 112 may be the same or different. Here, as the solid electrolyte fine particles, the same material as the solid electrolyte membrane 114 can be used, but a material different from the solid electrolyte membrane 114 or a plurality of materials can also be used.
[0044]
As the base 104 and the base 110 for both the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108, a porous base such as carbon paper, a carbon molded body, a carbon sintered body, a sintered metal, or a foamed metal can be used. In the fuel electrode 102, the stagnation of carbon dioxide bubbles in the base body 104 causes a decrease in power generation efficiency. The cause of the bubble retention is that moisture covering the bubbles adheres to the substrate 104 and remains. Therefore, it is preferable to perform a surface treatment on the surface of the substrate 104 with a hydrophilic coating material or a hydrophobic coating material. By performing the surface treatment with the hydrophilic coating material, the fluidity of the fuel on the surface of the substrate 104 is increased. This facilitates the movement of the carbon dioxide bubbles together with the fuel 124. In addition, the treatment with the hydrophobic coating material can reduce the adhesion of moisture, which causes the formation of bubbles, to the surface of the substrate 104. Therefore, the formation of bubbles on the surface of the base 104 can be reduced. Examples of the hydrophilic coating material include titanium oxide and silicon oxide. On the other hand, examples of the hydrophobic coating material include polytetrafluoroethylene, polyethylene, and silane. The surface of the base 110 can be similarly subjected to surface treatment. In particular, by treating the surface of the base 110 with a hydrophobic coating agent, it is difficult for water to stay on the surface of the oxidant electrode 108, and water can be efficiently removed from the surface of the oxidant electrode 108.
[0045]
The oxidant electrode side current collector 134 is provided with an oxidant intake 135. A mesh member 136 having a mesh shape is provided between the oxidant electrode 108 and the oxidant electrode-side current collector 134. Thus, the oxidant can be efficiently supplied to the oxidant electrode 108, and electrical conduction between the oxidant electrode 108 and the oxidant electrode-side current collector 134 can be established.
[0046]
The insulating sheet 660 and the insulating sheet 662 can be made of, for example, silicon rubber. The drain member 664 discharges water generated at the oxidant electrode 108 to the outside of the membrane-electrode assembly 101. As the drainage member 664, a water-absorbent sheet made of woven fabric, nonwoven fabric, or paper can be used. As the drainage member 664 in this embodiment, a drainage member having a high water absorption and capable of being led to the outside of the membrane-electrode assembly 101 without holding the absorbed water inside is preferably used. The drain member 664 can include, for example, polyester, rayon, nylon, fluorocarbon resin, polyethylene, polypropylene, polycarbonate, polyimide, polysulfone, polysulfide, polybenzimidazole, cotton, or the like. Further, the drainage member 664 may be formed of a porous ceramic such as a porous silica or a porous alumina, a porous metal, or the like.
[0047]
Next, a method for manufacturing the fuel cell main body 100 according to the present embodiment will be described.
When the solid electrolyte membrane 114 is made of, for example, an organic polymer material, the solid electrolyte membrane 114 is formed by casting a liquid in which the organic polymer material is dissolved or dispersed in a solvent on a peelable sheet or the like such as polytetrafluoroethylene. And dried.
[0048]
The fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 can be obtained, for example, by the following method. First, a catalyst is supported on carbon particles by a commonly used impregnation method. Next, the carbon particles carrying the catalyst and the fine particles of the solid electrolyte are dispersed in a solvent to form a paste, which is then applied to the substrate 104 or the substrate 110 that has been surface-treated with a hydrophilic coating agent or a hydrophobic coating agent. The method for applying the paste to the base 104 or the base 110 is not particularly limited, and for example, a method such as brush coating, spray coating, and screen printing can be used. After applying the paste, for example, the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 are obtained by drying at a heating temperature of 100 ° C. to 250 ° C. for a heating time of 30 seconds to 30 minutes.
[0049]
Next, the solid electrolyte membrane 114 is sandwiched between the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 and hot pressed to obtain the membrane-electrode assembly 101. At this time, the fuel electrode side catalyst layer 106 and the oxidant electrode side catalyst layer 112 are in contact with the solid electrolyte membrane 114. For example, when the solid electrolyte fine particles in the solid electrolyte membrane 114, the fuel electrode side catalyst layer 106, and the oxidant electrode side catalyst layer 112 are made of an organic polymer, the conditions of hot pressing include the softening temperature of these organic polymers and The temperature can be higher than the glass transition temperature. Specifically, for example, a temperature of 100 to 250 ° C. and a pressure of 1 to 100 kg / cm ² And the time is 10 seconds to 300 seconds. As described above, the membrane-electrode assembly 101 is formed.
[0050]
FIG. 2 is a side view showing the oxidant electrode 108 side of the membrane-electrode assembly 101 shown in FIG. As shown in FIG. 2A, a drain member 664 having an opening 665 is disposed on the oxidant electrode 108 side of the membrane-electrode assembly 101 obtained as described above. The drain member 664 is formed larger than the oxidizer electrode 108 and the solid electrolyte membrane 114. The opening 665 of the drain member 664 is formed slightly smaller than the oxidant electrode 108. Thus, when the drain member 664 is disposed on the oxidant electrode 108, the oxidant electrode 108 is exposed from the opening 665, and the peripheral portion of the surface of the oxidant electrode 108 comes into contact with the drain member 664.
[0051]
Thereafter, as shown in FIG. 2B, a mesh member 136 (not shown in FIG. 2) and an oxidant electrode-side current collector 134 are provided on the surface of the drain member 664 opposite to the surface in contact with the oxidant electrode 108. Is arranged. The oxidant-electrode-side current collector 134 is, for example, screwed to the solid electrolyte membrane 114, whereby the drain member 664, the insulating sheet 662, and the mesh member 136 are fixed to the solid electrolyte membrane 114. Also on the fuel electrode 102 side, a fuel electrode side current collector 132 is provided on the surface of the fuel electrode 102 opposite to the surface in contact with the solid electrolyte membrane 114.
[0052]
Further, by stacking the obtained membrane-electrode assemblies 101, a fuel cell main body 100 including a fuel cell stack in which a plurality of membrane-electrode assemblies 101 are connected in series can be obtained.
[0053]
In the fuel cell main body 100 configured as described above, fuel is supplied to the fuel electrode 102 of each membrane-electrode assembly 101. An oxidant is supplied to the oxidant electrode 108 of each membrane-electrode assembly 101. As the fuel, liquid fuels such as methanol, ethanol, dimethyl ether, or other alcohols, liquid hydrocarbons such as cycloparaffin, or formalin, formic acid, or hydrazine can be used. The liquid fuel can be an aqueous solution. Further, an alkali can be added to the fuel. Thereby, the ion conductivity of hydrogen ions can be increased. As the oxidizing agent, usually, air can be used, but oxygen gas may be supplied.
[0054]
As described above, in the present embodiment, the drainage member 664 is provided so as to be partially in contact with the oxidant electrode 108 and is formed to be larger than the solid electrolyte membrane 114 and the oxidant electrode-side current collector 134. Therefore, the drainage member 664 can absorb the water generated at the oxidant electrode 108 and discharge the absorbed water to the outside of the membrane-electrode assembly 101. Thus, water generated at the oxidant electrode 108 can be efficiently removed from the surface of the oxidant electrode 108.
[0055]
(Second embodiment)
FIG. 3 is a diagram showing a fuel cell main body according to the second embodiment of the present invention. FIG. 3A is a cross-sectional view of the fuel cell main body 100. In the present embodiment, the shape of the drainage member 664 is different from the fuel cell main body 100 described with reference to FIGS. 1 and 2 in the first embodiment. In the present embodiment, the same components as those of the fuel cell main body 100 shown in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate. FIG. 3B is a side view showing a state in which a drain member 664 is provided on the solid electrolyte membrane 114 and the oxidant electrode 108.
[0056]
As illustrated, a plurality of striped openings 666 are formed in the drain member 664 in the present embodiment. By doing so, the area where the drain member 664 is in contact with the surface of the oxidant electrode 108 is widened, so that the drain member 664 can more quickly absorb the water generated on the surface of the oxidant electrode 108.
[0057]
(Third embodiment)
FIG. 4 is a top view showing a fuel cell body according to the third embodiment of the present invention. In this embodiment, the shape of the oxidant electrode side current collector 134 is different from that of the fuel cell main body 100 described in the first embodiment with reference to FIGS. 1 and 2. In the present embodiment, the same components as those of the fuel cell main body 100 shown in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.
[0058]
As illustrated, a plurality of openings 668 are formed in the oxidant electrode-side current collector 134 in the present embodiment. The plurality of openings 668 are formed so as to be located around the oxidant electrode 108 when the oxidant electrode side current collector 134 is disposed on the oxidant electrode 108. Here, the aperture ratio of the oxidant electrode side current collector 134 can be about 22 to 25%. By doing so, the area where the drainage member 664 contacts the outside is widened, so that the water absorbed by the drainage member 664 can be quickly evaporated. Further, since the water in the drain member 664 can be evaporated, the water absorption of the drain member 664 can be maintained even when the fuel cell is continuously operated.
[0059]
(Fourth embodiment)
FIG. 5 is a side view showing a fuel cell main body according to the fourth embodiment of the present invention. In this embodiment, the drain member 664 is different from the fuel cell main body 100 described with reference to FIGS. 1 and 2 in the first embodiment. Also in the present embodiment, the fuel cell main body has the same configuration as fuel cell main body 100 shown in FIGS. FIG. 5A is a diagram illustrating the drainage member 664. In the present embodiment, drainage member 664 includes a fuel absorption member 670. When the drain member 664 is disposed between the solid electrolyte membrane 114 and the oxidant electrode-side current collector 134, the drainage member 664 includes a fuel A water absorbing member 670 is provided. The fuel water absorbing member 670 can be made of, for example, a synthetic fiber of a water absorbing polymer and cotton. The water-absorbing polymer in the present embodiment is not particularly limited, and a known water-absorbing polymer can be used. For example, sodium polyacrylate and the like can be used. The fuel water absorbing member 670 is joined to a peripheral part of the drainage member 664 formed in a sheet shape.
[0060]
FIG. 5B illustrates an oxidant electrode-side current collector configured on the drain member 664 illustrated in FIG. 5A in the same manner as the oxidant electrode-side current collector 134 described in the third embodiment. FIG. 4 is a diagram showing a state in which a body 134 is provided. In this way, the water absorbed by the drainage member 664 evaporates from the opening 668 of the oxidant electrode side current collector 134 and is absorbed by the fuel water absorption member 670 joined to the periphery of the drainage member 664. The drain member 664 can quickly absorb the water generated at the oxidant electrode 108. Further, since the absorbed water is promptly removed, the drainage member 664 can continuously and efficiently absorb the water.
[0061]
(Fifth embodiment)
FIG. 7 is a side view showing a fuel cell main body according to the fifth embodiment of the present invention. This embodiment is different from the fuel cell body 100 described in the first and second embodiments in that the size of the oxidant electrode 108 is larger than that of the fuel electrode 102. FIG. 7A shows an example in which the fuel cell main body 100 according to the first embodiment shown in FIG. 1 is applied to the present embodiment, and FIG. 7B shows the third embodiment shown in FIG. 1 shows an example in which the fuel cell main body 100 is applied to the present embodiment. In the present embodiment, since the oxidant electrode 108 is formed larger than the fuel electrode 102, when the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 are arranged to face each other with the solid electrolyte membrane 114 interposed therebetween, The electrode 108 is provided with a region that does not face the fuel electrode 102. The provision of the drainage member 664 in such a region does not affect the electrode reaction of the fuel cell main body 100. Therefore, the area where the drain member 664 is in contact with the surface of the oxidant electrode 108 can be increased, and water generated at the oxidant electrode 108 can be efficiently removed. Further, as described in the third embodiment, when the oxidant electrode-side current collector 134 having a plurality of openings 668 is used, the aperture ratio of the oxidant electrode-side current collector 134 can be increased. The water absorbed by the drain member 664 can be efficiently evaporated.
[0062]
【Example】
(Example 1)
The fuel cell main body 100 having the configuration shown in FIG. 1 was manufactured. Here, the size of the substrate 104 and the substrate 110 of the membrane-electrode assembly 101 was 10 mm × 10 mm. As the drain member 664, a woven fabric of polyester yarn (size 52.5 mm × 52.5 mm, thickness 0.3 mm, size of the opening 665 9 mm × 9 mm) was used. The size of the fuel electrode side current collector 132 and the oxidant electrode side current collector 134 was 32.5 mm × 32.5 mm. The opening 665 of the drain member 664 was disposed so as to be located on the base 110 of the oxidant electrode 108.
[0063]
A 10% by volume aqueous methanol solution was supplied as fuel to the fuel electrode 102 side of the fuel cell body 100 manufactured as described above, and 1 atm air was supplied to the oxidant electrode 108 side by natural suction. Under these conditions, the operating temperature is 25 ° C. and the current density is 65 mA / cm. ² Power generation operation was performed. FIG. 6 shows the change over time in the cell potential obtained by the power generation operation.
[0064]
(Reference example 1)
A fuel cell main body having the same configuration as in Example 1 and not having the drainage member 664 was manufactured, and a power generation operation was performed under the same conditions as in Example 1. This result is also shown in FIG.
[0065]
In the fuel cell having the above-described configuration, a stable operation is started about 20 minutes after the start of the operation. Therefore, the cell potential 20 minutes after the start of the operation is set as the initial value. In the fuel cell of Comparative Example 1, the cell potential decreased by about 50% from the initial value about 200 minutes after the start of operation, and about 90% after about 1200 minutes from the start of operation. On the other hand, in the fuel cell of Example 1, even after about 1200 minutes from the start of operation, the decrease in the cell potential could be suppressed within 20% of the initial value.
[0066]
When observing the presence or absence of droplets on the oxidation electrode side of these fuel cells, it was observed that in the fuel cell of Comparative Example 1, many droplets adhered and stayed on the base material and the gas channel. No droplet formation was observed in the fuel cell of Example 1.
[0067]
From the above results, it is considered that the cell potential is lowered in Comparative Example 1 due to the attachment and stagnation of the droplets on the base material and the gas flow path. As a result, it is determined that the reaction gas flows stably and exhibits good power generation characteristics.
[0068]
In addition, the same power generation operation was performed using cotton and Japanese paper as the drain member 664 of the fuel cell of Example 1 instead of the woven cloth of polyester yarn, but similar to the case of using the woven cloth of polyester yarn. In addition, even after about 1200 minutes from the start of operation, the decrease in cell potential could be suppressed to within 20% compared to the initial value.
[0069]
(Example 2)
The fuel cell main body 100 having the configuration shown in FIG. 3 was manufactured, and a power generation operation was performed under the same conditions as in Example 1. This result is also shown in FIG. As shown in FIG. 6, the fuel cell of this example also exhibited a good output stability with a reduced cell potential. In the fuel cell of Example 2, even after about 1200 minutes from the start of operation, the decrease in cell potential could be suppressed to within 10% compared to the initial value.
[0070]
(Example 3)
The fuel cell main body 100 having the configuration shown in FIG. 4 was manufactured, and a power generation operation was performed under the same conditions as in Example 1. This result is also shown in FIG. As shown in FIG. 6, the fuel cell of this example also exhibited a good output stability with a reduced cell potential. In the fuel cell of Example 4, even after about 1200 minutes from the start of operation, the decrease in cell potential could be suppressed to within 5% compared to the initial value.
[0071]
(Example 4)
The fuel cell main body 100 having the configuration shown in FIG. 4 was manufactured. The fuel cell of this embodiment has the same configuration as that of the fuel cell of the third embodiment, except that a 6% PTFE suspension is immersed in the surface of the base 110 on the oxidant electrode 108 side to perform a water-repellent treatment. This is different from the fuel cell of the third embodiment. A power generation operation was performed under the same conditions as in Example 1. This result is also shown in FIG. As shown in FIG. 6, the fuel cell of this example also exhibited a good output stability with a reduced cell potential. In the fuel cell of Example 4, even after about 1200 minutes from the start of operation, the decrease in cell potential could be suppressed to within 5% compared to the initial value.
(Example 5)
The fuel cell main body 100 having the configuration shown in FIG. 5 was manufactured. A 10% by volume aqueous methanol solution was supplied as fuel to the fuel electrode 102 side of this fuel cell, and 1 atmosphere of air was supplied to the oxidant electrode 108 side by natural suction. Under these conditions, the operating temperature is 25 ° C. and the current density is 130 mA / cm. ² Power generation operation was performed. This result is also shown in FIG.
[0072]
(Reference Example 2)
A fuel cell having the same configuration as in Example 3 was manufactured, and the same conditions (current density of 130 mA / cm) as in Example 5 were used. ² ). This result is also shown in FIG.
[0073]
Here, the cell potential 20 minutes after the start of the operation is set as the initial value. In Example 5 and Reference Example 2, since the current density was twice as large as in Examples 1 to 4 and Reference Example 1, the amount of generated water was also increased. In Reference Example 2, the cell potential dropped about 95% from the initial value about 1200 minutes after the start of operation. On the other hand, in the fuel cell of Example 5, even after about 1200 minutes from the start of operation, the decrease in cell potential could be suppressed to within about 5% compared to the initial value.
[0074]
In the fuel cell of the present invention, since the drainage member is provided on the surface of the oxidant electrode, and the drainage member includes a region opened to the outside, water generated at the oxidant electrode can be quickly absorbed and evaporated. As a result, it is possible to prevent a decrease in battery performance due to stagnation of water generated on the oxidant electrode surface for a long time.
[0075]
Further, when the fuel absorbing member is provided in the drainage member, even if the amount of water generated at the oxidant electrode is larger than the amount of water that evaporates, the generated water is absorbed by the fuel absorbing member 670 and the fuel absorbing member Since it is held in 670, the water absorption rate of the drainage member 664 can be maintained. Further, the fuel water absorbing member 670 expands due to water absorption. However, since the fuel water absorbing member 670 is installed outside the fuel cell, the gas flow path is not blocked.
[0076]
The present invention has been described based on the embodiments and the examples. It should be understood by those skilled in the art that the embodiments and examples are exemplifications, and that various modifications can be made to combinations of the components and processing processes, and that such modifications are also within the scope of the present invention. Where it is. Hereinafter, such an example will be described.
[0077]
In the above embodiment, an example in which a liquid fuel such as an aqueous methanol solution is used as the fuel has been described, but reformed hydrogen obtained from a hydrocarbon-based fuel such as dimethyl ether or hydrogen can be used as the fuel. .
[0078]
In the above embodiment, the operating temperature of the fuel cell was set to about 25 ° C., but the fuel cell of the present invention preferably removes water generated at the oxidant electrode even when the operating temperature is as high as about 80 ° C. be able to.
[0079]
The present invention can also be applied to a fuel cell stack in which a plurality of membrane-electrode assemblies are connected in series. In this case, for example, as shown in FIG. 8, the drainage member 664 can be shared by a plurality of membrane-electrode assemblies.
[0080]
【The invention's effect】
According to the present invention, a technique for efficiently removing water from an oxidizer electrode of a fuel cell can be provided. Thereby, a fuel cell having excellent output stability can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a fuel cell body according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view showing the oxidant electrode side of the membrane-electrode assembly shown in FIG.
FIG. 3 is a view showing a fuel cell body according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a side view showing a fuel cell body according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a side view showing a fuel cell body according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing a change over time in fuel cell potential in Examples and Comparative Examples.
FIG. 7 is a side view showing a fuel cell main body according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a stack structure including a plurality of membrane-electrode assemblies.
[Explanation of symbols]
100 Fuel cell body
101 Membrane-electrode assembly
102 Fuel electrode
104 base
110 base
106 Fuel electrode side catalyst layer
108 Oxidizer electrode
112 Oxidant electrode side catalyst layer
114 Solid electrolyte membrane
132 Fuel electrode side current collector
134 Oxidizer electrode side current collector
135 intake
136 mesh member
660 insulation sheet
662 insulation sheet
664 drainage member
665 opening
666 opening
668 opening
670 Fuel absorption member

Claims

A fuel cell including a fuel electrode and an oxidant electrode, and a solid electrolyte membrane disposed between the fuel electrode and the oxidant electrode;
Discharging means for discharging water generated at the oxidant electrode to the outside of the fuel cell.

The fuel cell according to claim 1,
The fuel cell according to claim 1, wherein the discharging means discharges the water as a liquid to the outside of the fuel cell.

The fuel cell according to claim 1, wherein
The fuel cell, wherein the discharging means absorbs water generated at the oxidant electrode, and discharges the absorbed water to the outside of the fuel cell.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The fuel cell according to claim 1, wherein at least a part of the discharge unit is provided in contact with the oxidant electrode.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
The fuel cell according to claim 1, wherein the discharging unit includes a region exposed to the outside of the fuel cell.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
The fuel cell according to claim 1, wherein the oxidizer electrode has a larger area than the fuel electrode.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 6,
The fuel cell according to claim 1, wherein the discharging unit includes a water-absorbing sheet.

The fuel cell according to claim 7,
The oxidant electrode is disposed between the water absorbent sheet and the solid electrolyte membrane,
The fuel cell, wherein the water absorbing sheet has a larger area than the solid electrolyte membrane and the oxidizer electrode, and includes a region exposed to the outside of the fuel cell.

The fuel cell according to claim 7 or 8,
The fuel cell according to claim 1, wherein the water-absorbent sheet includes an opening formed to open the oxidant electrode surface.

10. The fuel cell according to any one of 1 to 9,
The fuel cell according to claim 1, wherein the discharging unit is provided commonly to the plurality of fuel cells.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 10,
The fuel cell according to claim 1, wherein the discharge unit includes a fuel holding member that absorbs and holds the fuel.

The fuel cell according to claim 11,
The fuel cell, wherein the fuel holding member is provided outside the fuel cell.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 12,
Further provided on the oxidant electrode side, further includes a current collector having an opening formed therein,
A fuel cell, wherein a part of the discharging means is exposed to the outside of the fuel cell at the opening.

A portable electric device equipped with the fuel cell according to any one of claims 1 to 13.

A method for operating a fuel cell, comprising: a fuel electrode and an oxidant electrode; and a solid electrolyte membrane disposed between the fuel electrode and the oxidant electrode,
A method for operating a fuel cell, comprising operating the fuel cell while discharging water generated at the oxidant electrode to the outside of the fuel cell.

The method for operating a fuel cell according to claim 15, wherein the water is discharged to the outside of the fuel cell as a liquid.