JP2005135647A - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell enabled to greatly reduce crossover even with the use of organic fuel such as methanol, and therefore capable of augmenting discharge capacity without taking heed of the crossover even with the use of high-density organic fuel. <P>SOLUTION: A solid electrolyte film 1 is a single-layer film, at a part of which, in this case at a center part, a region with a lower transmission factor of the organic fuel (in this case, methanol) than at peripheral parts is formed, that is, with the center part as a low-transmission-factor region 21 and the peripheral parts as a high-transmission-factor region 22. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、有機燃料を使用する燃料電池に関し、特に、外部電源あるいは自己発電による電力によって発電部分の温度制御を行う補機を有しない燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell that uses an organic fuel, and more particularly to a fuel cell that does not have an auxiliary device that controls the temperature of a power generation part by using an external power source or power generated by self-power generation.

近年、ノート型パソコン、PDA、携帯電話をはじめとしたポータブル機器の高性能化・多機能化は著しく、軽量小型化や長時間オペレーションを可能にするため、従来のNi-Cd電池やニッケル水素電池等に替わり、高いエネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池が広く採用されてきている。また、昨今の高度情報通信網の普及による携帯機器の情報通信機能強化やオペレーション時間の増加などから、電池には更なる高容量化が切望されている。   In recent years, portable devices such as notebook PCs, PDAs, and mobile phones have become more sophisticated and multifunctional, so that conventional Ni-Cd batteries and nickel metal hydride batteries can be made lighter, smaller, and operated longer. Instead of these, lithium ion secondary batteries having a high energy density have been widely adopted. In addition, due to the recent enhancement of information communication functions of mobile devices and the increase in operation time due to the spread of advanced information communication networks, there is a strong demand for batteries to have higher capacities.

しかしながら、現在用いられているリチウムイオン二次電池では、材料面及び構造面からその性能向上がほぼ限界とされ、高容量化に対応するのは困難である。そこで、新規の高容量駆動電源として、リチウムイオン電池と比較して数倍の高容量化が期待される燃料電池に注目が集まっている。この燃料電池は、リン酸型、固体電解質型、溶融炭酸塩型、高分子固体電解質型などに分類されるが、携帯用小型燃料電池には室温付近での動作が可能な高分子固体電解質型燃料電池が適している。   However, in the lithium ion secondary batteries currently used, the performance improvement is almost the limit in terms of material and structure, and it is difficult to cope with the increase in capacity. Therefore, as a new high-capacity drive power source, attention is focused on a fuel cell that is expected to have a capacity several times higher than that of a lithium ion battery. This fuel cell is classified into a phosphoric acid type, a solid electrolyte type, a molten carbonate type, a polymer solid electrolyte type, etc., but for a portable small fuel cell, a polymer solid electrolyte type capable of operating near room temperature. A fuel cell is suitable.

特に、この高分子固体電解質型燃料電池において、燃料として有機燃料から改質された水素を供給することなく、直接電極上に有機燃料としてメタノール水溶液などを供給することでエネルギー密度を向上させた、いわゆるダイレクトメタノール型燃料電池が軽量小型に適している。このダイレクトメタノール型方式では、負極(燃料極:アノード)上の触媒により有機燃料からプロトンと二酸化炭素が生成され、プロトンは高分子固体電解質膜中を透過して酸素と化合して水を生成する。この際、負極、正極(空気極:カソード)を外部回路に接続することで電力が取り出せる。正極で生成した水は系外へ放出、あるいは回収して負極に供給し、正極面から排出する。   In particular, in this polymer solid oxide fuel cell, energy density was improved by supplying methanol aqueous solution or the like as organic fuel directly on the electrode without supplying hydrogen reformed from organic fuel as fuel. A so-called direct methanol fuel cell is suitable for light weight and small size. In this direct methanol type system, protons and carbon dioxide are generated from organic fuel by a catalyst on the negative electrode (fuel electrode: anode), and the protons permeate through the polymer solid electrolyte membrane to combine with oxygen to generate water. . At this time, electric power can be taken out by connecting the negative electrode and the positive electrode (air electrode: cathode) to an external circuit. The water produced at the positive electrode is discharged out of the system or recovered and supplied to the negative electrode, and discharged from the positive electrode surface.

特開平11−25992号公報JP-A-11-259592 特開2001−185162号公報JP 2001-185162 A

しかしながら、ダイレクトメタノール型方式の場合、有機燃料であるメタノールの酸化反応の過電圧が大きいことに加え、メタノールが負極側から正極側へ透過するクロスオーバーと呼ばれる現象が発生し、これにより正極電位の低下などが惹起され、水素型燃料電池と比較して出力が大きく劣化するという問題がある。このため、ダイレクトメタノール方式において十分な出力を得るためには、メタノールのクロスオーバーを低減し、透過したメタノールの酸化反応による正極電位の低下と過度の発熱、燃料損失を最小限に抑えるために、メタノール濃度を数vol%として燃料を供給している。   However, in the case of the direct methanol type method, in addition to the large overvoltage of the oxidation reaction of methanol, which is an organic fuel, a phenomenon called crossover in which methanol permeates from the negative electrode side to the positive electrode side occurs, which reduces the positive electrode potential. As a result, there is a problem that the output is greatly deteriorated as compared with the hydrogen fuel cell. For this reason, in order to obtain sufficient output in the direct methanol method, in order to reduce the crossover of methanol and minimize the decrease in the positive electrode potential due to the oxidation reaction of the permeated methanol, excessive heat generation, and fuel loss, Fuel is supplied at a methanol concentration of several vol%.

ところが、携帯機器向けのような体積的に制約の大きい用途では、このようなメタノール希薄水溶液を燃料として用いると十分なエネルギー密度を確保することが困難となる。また、純メタノールあるいは高濃度のメタノール燃料を水で希釈して発電部へ供給し、正極側で生成した水を回収、負極側の反応に利用するなどしてエネルギー密度を増加させる試みもなされているが、燃料の希釈や水の回収を行うための補機が必要となり、結果的に燃料の総量を大きくできない、発電した電力の一部を補機に供給する必要があるなど、エネルギー密度を向上させて小型化を図ることが困難となっている。   However, in applications with large volume restrictions such as those for portable devices, it is difficult to ensure a sufficient energy density when such a methanol dilute aqueous solution is used as a fuel. Also, attempts have been made to increase energy density by diluting pure methanol or high-concentration methanol fuel with water and supplying it to the power generation unit, collecting the water produced on the positive electrode side, and using it for the reaction on the negative electrode side. However, it is necessary to use an auxiliary machine for diluting fuel and collecting water, and as a result, the total amount of fuel cannot be increased, and it is necessary to supply a part of the generated power to the auxiliary machine. It is difficult to improve the size and reduce the size.

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、メタノールなどの有機燃料を用いるも、クロスオーバーを大幅に低減させることを可能とし、従って高濃度の有機燃料を用いてもクロスオーバーを問題視することなく、放電容量を増加させることができる燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and even when an organic fuel such as methanol is used, it is possible to greatly reduce the crossover. Therefore, even when a high concentration organic fuel is used, the crossover is prevented. It is an object of the present invention to provide a fuel cell that can increase the discharge capacity without causing problems.

本発明の燃料電池は、電解質膜と、燃料を酸化する負極触媒層と、酸素を還元する正極触媒層とを含む電池セルを備え、前記負極触媒層に前記燃料を供給すると共に前記正極触媒層に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池であって、前記電解質膜は、その面内において前記燃料の透過率が変化している。   The fuel cell of the present invention includes a battery cell including an electrolyte membrane, a negative electrode catalyst layer that oxidizes fuel, and a positive electrode catalyst layer that reduces oxygen, and supplies the fuel to the negative electrode catalyst layer and the positive electrode catalyst layer. In the fuel cell in which the oxidant gas is supplied to generate electricity, the electrolyte membrane has a change in the fuel permeability in the plane thereof.

本発明の燃料電池は、電解質膜と、燃料を酸化する負極触媒層と、酸素を還元する正極触媒層とを含む電池セルを備え、前記負極触媒層に前記燃料を供給すると共に前記正極触媒層に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池であって、前記正極触媒層は、触媒を担持したカーボンと触媒を担持していないカーボンとの混合物を含有してなるものである。   The fuel cell of the present invention includes a battery cell including an electrolyte membrane, a negative electrode catalyst layer that oxidizes fuel, and a positive electrode catalyst layer that reduces oxygen, and supplies the fuel to the negative electrode catalyst layer and the positive electrode catalyst layer. The positive electrode catalyst layer contains a mixture of carbon carrying a catalyst and carbon not carrying a catalyst.

本発明によれば、メタノールなどの有機燃料を用いるも、クロスオーバーを大幅に低減させることを可能とし、従って高濃度の有機燃料を用いてもクロスオーバーを問題視することなく、放電容量を増加させることができる燃料電池が実現する。   According to the present invention, even when an organic fuel such as methanol is used, it is possible to greatly reduce the crossover. Therefore, even if a high concentration organic fuel is used, the discharge capacity is increased without considering the crossover as a problem. The fuel cell which can be made to realize is realized.

以下、本発明を適用した具体的な諸実施形態について説明する。   Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described.

(第1の実施形態)
本発明者は、燃料極に有機燃料を供給する燃料電池において、発電部の電極活性維持に必要な熱を供給するメタノール酸化反応部位と、酸素を還元する正極触媒層とを分離して配置することにより、高出力化及び高容量化を行えることを見出した。この場合、正極触媒層に接する固体電解質膜の燃料透過率を、熱供給を行うメタノール酸化反応部位の固体電解質膜より小さく設定することにより、所望の特性が得られる。
(First embodiment)
In the fuel cell for supplying an organic fuel to the fuel electrode, the inventor separately arranges a methanol oxidation reaction site for supplying heat necessary for maintaining the electrode activity of the power generation unit and a positive electrode catalyst layer for reducing oxygen. Thus, it has been found that high output and high capacity can be achieved. In this case, desired characteristics can be obtained by setting the fuel permeability of the solid electrolyte membrane in contact with the positive electrode catalyst layer to be smaller than the solid electrolyte membrane at the methanol oxidation reaction site where heat is supplied.

以下、本実施形態の詳細を説明する。
図1は本実施形態による燃料電池セルの構成を示す概略断面図、図2はこの燃料電池セルを有する燃料電池の模式図であり、図3は、本実施形態による燃料電池セル(の主要部位)の原理構成を模式的に示す斜視図である。
Details of this embodiment will be described below.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a fuel cell according to the present embodiment, FIG. 2 is a schematic diagram of a fuel cell having the fuel cell, and FIG. 2 is a perspective view schematically showing the principle configuration of FIG.

燃料電池セル10は、プロトン伝導性を有する固体電解質膜1と、燃料を酸化する負極触媒層(アノード電極触媒層)2と、この負極触媒層2と共に固体電解質膜1を挟持するように配され、酸素を還元する正極触媒層(カソード電極触媒層)3と、負極触媒層2上に配され、拡散層となるカーボンペーパー4と、正極触媒層3上に配され、拡散層となるカーボンペーパー5と、カーボンペーパー4上に配される負極集電体層(不図示)と、カーボンペーパー5上に配される正極集電体層(不図示)とを含み構成されている。   The fuel cell 10 is disposed so as to sandwich the solid electrolyte membrane 1 having proton conductivity, a negative electrode catalyst layer (anode electrode catalyst layer) 2 that oxidizes the fuel, and the negative electrode catalyst layer 2 together with the solid electrolyte membrane 1. , A positive electrode catalyst layer (cathode electrode catalyst layer) 3 for reducing oxygen, a carbon paper 4 disposed on the negative electrode catalyst layer 2 and serving as a diffusion layer, and a carbon paper disposed on the positive electrode catalyst layer 3 and serving as a diffusion layer 5, a negative electrode current collector layer (not shown) arranged on the carbon paper 4, and a positive electrode current collector layer (not shown) arranged on the carbon paper 5.

そして、燃料電池は、燃料電池セル10が燃料注入口12を備えた燃料タンク13と共にセル筐体8内に配され、負極(アノード)側に負極端子9が、正極(カソード)側に正極端子11がそれぞれ設けられて構成されている。   In the fuel cell, the fuel cell 10 is arranged in the cell housing 8 together with the fuel tank 13 having the fuel inlet 12, the negative electrode terminal 9 on the negative electrode (anode) side, and the positive electrode terminal on the positive electrode (cathode) side. 11 are provided.

固体電解質膜1は単層膜であって、その一部、ここでは中央部位に他部である周辺部位に比べて有機燃料の透過率の低い領域が形成されており、即ち中央部位が低透過率領域21、その周辺部位が高透過率領域22として構成されている。
高透過率領域22は、例えばデュポン社製の製品名Nafionに代表されるパーフルオロアルキルスルホン酸などのメタノール透過性の高いプロトン伝導性の固体電解質などから構成される。他方、低透過率領域21は、例えば上記のNafionなどにアクリル系モノマーなどの反応性化合物を含浸させ膜内で重合させてメタノールの透過率を低下させたものとして構成される。低透過率領域21は、或いはこの反応性化合物に加熱処理(加熱硬化処理)、光等、例えば紫外線や放射線、電子線などを照射し、これにより周辺部位である高透過率領域22よりも燃料透過率の低い状態に表面構造が変質されてなるものとして構成しても良い。
The solid electrolyte membrane 1 is a single-layer membrane, and a part of the solid electrolyte membrane 1 here, in which a region having a low organic fuel permeability is formed in the central portion compared to the peripheral portion that is the other portion, that is, the central portion has a low permeability. The rate region 21 and its peripheral part are configured as a high transmittance region 22.
The high transmittance region 22 is composed of, for example, a proton conductive solid electrolyte having high methanol permeability such as perfluoroalkylsulfonic acid represented by the product name Nafion manufactured by DuPont. On the other hand, the low transmittance region 21 is configured, for example, by impregnating the above-mentioned Nafion or the like with a reactive compound such as an acrylic monomer and polymerizing it in the film to reduce the transmittance of methanol. The low transmittance region 21 or this reactive compound is irradiated with heat treatment (heat curing treatment), light, etc., for example, ultraviolet rays, radiation, electron beams, etc. The surface structure may be altered to a state with low transmittance.

また、ポリフッ化ビニリデンなどのポリマーと混合製膜してメタノールの透過率を低減し、Nafionなどの高透過率電解質膜と接合してもよい。但し、一般的にメタノールの透過性を抑制すると同時にプロトン伝導性も低下するため、セル稼働時の温度において必要なプロトン伝導性が確保される程度に処理を施す必要がある。   Alternatively, the film may be mixed with a polymer such as polyvinylidene fluoride to reduce the methanol permeability, and may be joined to a high permeability electrolyte membrane such as Nafion. However, in general, the permeability of methanol is suppressed and the proton conductivity is lowered at the same time. Therefore, it is necessary to perform the treatment to such an extent that the necessary proton conductivity is ensured at the temperature during cell operation.

透過率の異なる膜の形状及び配置は、本発明の効果を損なわない限りにおいて、如何なる形状及び配置で複合化させても良い。更に、固体電解質膜1に用いる膜の高透過率領域22についてはメタノール透過性があれば良く、必ずしもプロトン伝導性を有する必要はない。   The shape and arrangement of the films having different transmittances may be combined in any shape and arrangement as long as the effects of the present invention are not impaired. Furthermore, the high permeability region 22 of the membrane used for the solid electrolyte membrane 1 only needs to be methanol permeable and does not necessarily have proton conductivity.

本実施形態では、発電部位に相当する低透過率領域21は、電解質のメタノール透過率が低く自己発熱量が小さいにも係わらず、空気極電位とは無関係に、高透過率領域22における燃料酸化に基づく発熱によって加熱され、高温に保持できるため、高出力を発現できる。また、必要であれば、高透過率領域22に接している負極触媒層3と低透過率領域21に接している負極触媒層3との間を、例えば図1の破線で示すように絶縁材等で電気的に分離することも可能である。   In this embodiment, the low-permeability region 21 corresponding to the power generation site is fuel oxidation in the high-permeability region 22 regardless of the air electrode potential, despite the low methanol permeability of the electrolyte and a small amount of self-heating. Since it is heated by the heat generation based on and can be kept at a high temperature, high output can be expressed. Further, if necessary, an insulating material is provided between the negative electrode catalyst layer 3 in contact with the high transmittance region 22 and the negative electrode catalyst layer 3 in contact with the low transmittance region 21 as indicated by a broken line in FIG. It is also possible to electrically separate them by using the same method.

ここで、負極触媒層2は下記のように作製される。
先ず、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、カーボンブラックなどの導電材料に粒径2nm〜5nm程度のPt−Ru系触媒を担持させた触媒微粒子と、プロトン導電性と触媒粒子の結着剤とを兼ねるパーフルオロアルキルスルホン酸などのプロトン伝導性高分子を、水−アルコール系混合溶媒中に分散・脱泡して電極ペーストを作製する。そして、触媒ペーストをテフロン(R)シート基板などに塗布、乾燥させて触媒層を形成し、これをホットプレスなどによって固体電解質膜1に転写して負極触媒層2を形成する。
Here, the negative electrode catalyst layer 2 is produced as follows.
First, a catalyst fine particle in which a Pt-Ru catalyst having a particle size of about 2 nm to 5 nm is supported on a conductive material such as ketjen black, furnace black, or carbon black, and a combination of proton conductivity and a catalyst particle binder. An electrode paste is prepared by dispersing and defoaming a proton conductive polymer such as fluoroalkylsulfonic acid in a water-alcohol mixed solvent. Then, the catalyst paste is applied to a Teflon (R) sheet substrate and dried to form a catalyst layer, which is transferred to the solid electrolyte membrane 1 by hot pressing or the like to form the negative electrode catalyst layer 2.

正極触媒層3については、負極触媒層2と同様に粒径2nm〜5nm程度のPt微粒子が担持されたカーボンブラックを用い、負極触媒層2と同様に作製される。   The positive electrode catalyst layer 3 is produced in the same manner as the negative electrode catalyst layer 2 using carbon black carrying Pt fine particles having a particle diameter of about 2 nm to 5 nm as in the negative electrode catalyst layer 2.

このように、本実施形態の燃料電池では、固体電解質膜1が正極触媒層3と負極触媒層2とでホットプレスされたいわゆるMEA(Membrane Electrode Assembly)構造が形成される。これにカーボンペーパー4,5を同様にホットプレスによって接合し、両集電体層で挟持することにより発電部となる燃料電池セル10が構成される。この燃料電池セル10から集電体リードを取り出した後、燃料タンクを含む負極外装材、正極外装材によって燃料電池セル10をパッキングする。このようにしてパッキングされた負極にメタノール水溶液燃料を、正極に酸素を含む酸化ガスを供給し、両集電体層を外部回路に接続することにより発電が開始される。   Thus, in the fuel cell of the present embodiment, a so-called MEA (Membrane Electrode Assembly) structure in which the solid electrolyte membrane 1 is hot pressed by the positive electrode catalyst layer 3 and the negative electrode catalyst layer 2 is formed. Similarly, carbon paper 4 and 5 are joined together by hot pressing, and sandwiched between both current collector layers, thereby forming a fuel cell 10 serving as a power generation unit. After the current collector lead is taken out from the fuel cell 10, the fuel cell 10 is packed with a negative electrode exterior material and a positive electrode exterior material including a fuel tank. Electric power generation is started by supplying a methanol aqueous solution fuel to the negative electrode thus packed and an oxidizing gas containing oxygen to the positive electrode and connecting both current collector layers to an external circuit.

以上説明したように、本実施形態の燃料電池によれば、面内に有機燃料であるメタノール水溶液の透過率の異なる低透過率領域21及び高透過率領域22からなる固体電解質膜1を配置した構成とすることにより、低透過率領域21が発電を、高透過率領域22が発電部の加熱及び高温保持を行うというように機能分離を行うことにより、空気極出力低下を抑制することができ、燃料濃度の高濃度化が可能となり高容量化が達成される。即ち、メタノールなどの有機燃料を用いるも、クロスオーバーを大幅に低減させることを可能とし、従って高濃度の有機燃料を用いてもクロスオーバーを問題視することなく、放電容量を増加させることができる燃料電池が実現する。   As described above, according to the fuel cell of the present embodiment, the solid electrolyte membrane 1 including the low transmittance region 21 and the high transmittance region 22 having different transmittances of the aqueous methanol solution that is an organic fuel is disposed in the plane. By adopting a configuration, it is possible to suppress a decrease in the air electrode output by performing functional separation such that the low transmittance region 21 performs power generation and the high transmittance region 22 performs heating and high temperature holding of the power generation unit. The fuel concentration can be increased and the capacity can be increased. That is, even when an organic fuel such as methanol is used, the crossover can be greatly reduced. Therefore, even when a high concentration organic fuel is used, the discharge capacity can be increased without considering the crossover as a problem. A fuel cell is realized.

−変形例−
ここで、第1の実施形態の諸変形例について説明する。これらの変形例では、第1の実施形態と同様に低透過率領域及び高透過率領域からなる固体電解質膜を有する燃料電池を開示するが、固体電解質膜の構造が異なる点で相違する。
-Modification-
Here, various modifications of the first embodiment will be described. In these modified examples, a fuel cell having a solid electrolyte membrane composed of a low transmittance region and a high transmittance region is disclosed as in the first embodiment, but is different in that the structure of the solid electrolyte membrane is different.

(変形例1)
この変形例では、図4(a)に示すように、固体電解質膜31は単層膜であって、その一部、ここでは中央部位に他部である周辺部位に比べて透過率の低い領域が形成されており、即ち中央部位が低透過率領域23、その周辺部位が高透過率領域22として構成されている。そして、図4(b)に示すように、低透過率領域23が当該固体電解質膜31の一方の表面から厚み方向の途中まで形成されており、主に発電にあずかる正極触媒層3を低透過率領域23上に、負極触媒層2を高透過率領域22上にそれぞれ配置した構成とする。
(Modification 1)
In this modification, as shown in FIG. 4 (a), the solid electrolyte membrane 31 is a single-layer membrane, and a part thereof, in this case, a region having a lower transmittance than the peripheral portion which is the other portion in the central portion. In other words, the central part is configured as a low transmittance region 23 and the peripheral part thereof is configured as a high transmittance region 22. As shown in FIG. 4B, the low transmittance region 23 is formed from one surface of the solid electrolyte membrane 31 to the middle in the thickness direction, and the low permeability is mainly transmitted through the positive electrode catalyst layer 3 that is responsible for power generation. The negative electrode catalyst layer 2 is disposed on the high transmittance region 22 on the rate region 23.

この構造により、発電部位に相当する低透過率領域23は、電解質のメタノール透過率が低く自己発熱量が小さいにも係わらず、空気極電位とは無関係に、高透過率領域22における燃料酸化に基づく発熱によって加熱され、高温に保持できるため、高出力を発現できる。また、必要であれば、高透過率領域22に接している負極触媒層3と低透過率領域23に接している負極触媒層3との間を電気的に分離することも可能である。   With this structure, the low-permeability region 23 corresponding to the power generation site is capable of oxidizing the fuel in the high-permeability region 22 regardless of the air electrode potential, despite the low methanol permeability of the electrolyte and the small amount of self-heating. Since it is heated by the exothermic heat and can be kept at a high temperature, high output can be expressed. If necessary, the negative electrode catalyst layer 3 in contact with the high transmittance region 22 and the negative electrode catalyst layer 3 in contact with the low transmittance region 23 can be electrically separated.

変形例1の燃料電池によれば、面内に有機燃料であるメタノール水溶液の透過率の異なる低透過率領域23及び高透過率領域22からなる固体電解質膜1を配置した構成とすることにより、低透過率領域23が発電を、高透過率領域22が発電部の加熱及び高温保持を行うというように機能分離を行うことにより、空気極出力低下を抑制することができ、燃料濃度の高濃度化が可能となり高容量化が達成される。即ち、メタノールなどの有機燃料を用いるも、クロスオーバーを大幅に低減させることを可能とし、従って高濃度の有機燃料を用いてもクロスオーバーを問題視することなく、放電容量を増加させることができる燃料電池が実現する。   According to the fuel cell of the modified example 1, the solid electrolyte membrane 1 composed of the low transmittance region 23 and the high transmittance region 22 having different transmittances of the aqueous methanol solution that is an organic fuel is disposed in the plane. By performing functional separation such that the low transmittance region 23 performs power generation and the high transmittance region 22 performs heating and high temperature holding of the power generation unit, it is possible to suppress a decrease in the output of the air electrode and to increase the fuel concentration. The capacity can be increased. That is, even when an organic fuel such as methanol is used, the crossover can be greatly reduced. Therefore, even when a high concentration organic fuel is used, the discharge capacity can be increased without considering the crossover as a problem. A fuel cell is realized.

(変形例2)
この変形例では、図5(a)に示すように、固体電解質膜32は、透過率の相異なる2種類の電解質層41,42からなり、図5(b)に示すように、電解質層42の中央上に当該電解質層42よりも占有面積の小さい電解質層41が積層されて構成されている。ここで、電解質層41が有機燃料の低透過率領域に、電解質層42が高透過率領域とされており、主に発電にあずかる正極触媒層3を電解質層41上に、負極触媒層2を電解質層42上にそれぞれ配置した構成とする。
(Modification 2)
In this modified example, as shown in FIG. 5A, the solid electrolyte membrane 32 is composed of two types of electrolyte layers 41 and 42 having different transmittances, and as shown in FIG. An electrolyte layer 41 having a smaller occupied area than the electrolyte layer 42 is laminated on the center of the substrate. Here, the electrolyte layer 41 is a low-permeability region of organic fuel, and the electrolyte layer 42 is a high-permeability region. The positive electrode catalyst layer 3 mainly responsible for power generation is disposed on the electrolyte layer 41, and the negative electrode catalyst layer 2 is disposed. The structure is arranged on the electrolyte layer 42.

このように、固体電解質膜32を同一面内にメタノールの透過率の異なる電解質膜41,42を積層配置した構成とすることにより、発電部位に相当する電解質膜41は、電解質のメタノール透過率が低く自己発熱量が小さいにも係わらず、空気極電位とは無関係に、電解質層42における燃料酸化に基づく発熱によって加熱され、高温に保持できるため、高出力を発現できる。また、必要であれば、電解質層42に接している負極触媒層3と電解質層41に接している負極触媒層3との間を電気的に分離することができる。   As described above, the electrolyte membrane 41 corresponding to the power generation site has the methanol permeability of the electrolyte by configuring the solid electrolyte membrane 32 so that the electrolyte membranes 41 and 42 having different methanol transmittances are laminated in the same plane. In spite of the low self-heating amount, regardless of the air electrode potential, it is heated by the heat generation based on the fuel oxidation in the electrolyte layer 42 and can be maintained at a high temperature, so that a high output can be expressed. If necessary, the negative electrode catalyst layer 3 in contact with the electrolyte layer 42 and the negative electrode catalyst layer 3 in contact with the electrolyte layer 41 can be electrically separated.

以上説明したように、本変形例の燃料電池によれば、面内に有機燃料であるメタノール水溶液の透過率の異なる電解質層41,42が積層されてなる固体電解質膜32を配置することにより、電解質層41が発電を、電解質層42が発電部の加熱及び高温保持を行うというように機能分離を行うことにより、空気極出力低下を抑制することができ、燃料濃度の高濃度化が可能となり高容量化が達成される。即ち、メタノールなどの有機燃料を用いるも、クロスオーバーを大幅に低減させることを可能とし、従って高濃度の有機燃料を用いてもクロスオーバーを問題視することなく、放電容量を増加させることができる燃料電池が実現する。   As described above, according to the fuel cell of this modification, by disposing the solid electrolyte membrane 32 in which the electrolyte layers 41 and 42 having different transmittances of the methanol aqueous solution that is an organic fuel are laminated in the plane, By performing functional separation such that the electrolyte layer 41 performs power generation and the electrolyte layer 42 heats and maintains a high temperature of the power generation unit, it is possible to suppress a decrease in the air electrode output and to increase the fuel concentration. High capacity is achieved. That is, even when an organic fuel such as methanol is used, the crossover can be greatly reduced. Therefore, even when a high concentration organic fuel is used, the discharge capacity can be increased without considering the crossover as a problem. A fuel cell is realized.

(実施例)
ここで、上述した第1の実施形態に基づく実施例について説明する。
高メタノール透過性の固体電解質膜として、5cm×5cm形状(パッキング部分の周囲1cmを含まず)の製品名Nafion117(デュポン社製)を用いた。この固体電解質膜の中央部位の約3.5cm×3.5cm形状の部分に10%のポリオキシエチレンジアクリレートを2μl/cm2含浸させ、強度50mJ/cm2の紫外線を照射し、当該中央部位にメタノールの透過率を周辺部位(高透過率領域)の1/3に低減した低透過率領域を形成した。
(Example)
Here, an example based on the above-described first embodiment will be described.
The product name Nafion 117 (manufactured by DuPont) having a shape of 5 cm × 5 cm (not including 1 cm around the packing portion) was used as the solid electrolyte membrane having high methanol permeability. The central part of this solid electrolyte membrane is impregnated with 2 μl / cm 2 of 10% polyoxyethylene diacrylate at a portion of about 3.5 cm × 3.5 cm shape, and irradiated with ultraviolet light having an intensity of 50 mJ / cm 2. A low transmittance region in which the methanol transmittance was reduced to 1/3 of the peripheral portion (high transmittance region) was formed.

各電極触媒層を以下のように作製した。先ず、ケッチェンブラック(ライオン社製の製品名ケッチェンブラックEC)に粒径2nm〜5nm程度のPt触媒を約50%担持させた触媒粒子2g、Nafion(デュポン社製)の溶液4.8g、水7g、プロパノール10gをボールミルで混合、脱泡してペースト状とした。これをテフロン(R)シートに塗布し、80℃で30分間乾燥し、前述した透過率の異なる部分を有するNafionの固体電解質膜を160℃で2分間ホットプレスし、正極触媒層を形成した。   Each electrode catalyst layer was produced as follows. First, 2 g of catalyst particles in which about 50% of a Pt catalyst having a particle size of about 2 nm to 5 nm is supported on Ketjen Black (product name Ketjen Black EC manufactured by Lion), 4.8 g of a solution of Nafion (manufactured by DuPont), 7 g of water and 10 g of propanol were mixed with a ball mill and defoamed to obtain a paste. This was applied to a Teflon (R) sheet, dried at 80 ° C. for 30 minutes, and the above-described Nafion solid electrolyte membrane having portions with different transmittances was hot-pressed at 160 ° C. for 2 minutes to form a positive electrode catalyst layer.

負極触媒層も同様に、ケッチェンブラック(ライオン社製の製品名ケッチェンブラックEC)に粒径2nm〜5nmのPt(白金)−Ru(ルテニウム)でモル比が1:1の合金触媒を約50%担持させた触媒粒子2g、Nafion(デュポン社製)の溶液4.8g、 水7g、プロパノール10gをボールミルで混合、脱泡してペースト状とした。これを同様にテフロン(R)シートに塗布し、80℃で30分間乾燥し、前述した透過率の異なる部分を有するNafionの固体電解質膜を160℃で2分間ホットプレスし、負極触媒層を形成してMEAを作製した。   Similarly, for the negative electrode catalyst layer, an alloy catalyst of Pt (platinum) -Ru (ruthenium) having a particle diameter of 2 nm to 5 nm and a molar ratio of 1: 1 is added to Ketjen Black (product name Ketjen Black EC manufactured by Lion). 2 g of 50% supported catalyst particles, 4.8 g of Nafion (DuPont) solution, 7 g of water and 10 g of propanol were mixed with a ball mill and defoamed to obtain a paste. Similarly, this was applied to a Teflon (R) sheet, dried at 80 ° C. for 30 minutes, and the above-mentioned Nafion solid electrolyte membrane having a portion with different transmittance was hot-pressed at 160 ° C. for 2 minutes to form a negative electrode catalyst layer. Thus, an MEA was produced.

続いて、このMEAの両側にカーボンペーパー(東レ社製の製品名TGP−H−090、290μm)をホットプレスにより圧着して発電部を作製した。作製した発電部の両極からそれぞれ集電体リードを取り出した後、燃料タンクを含む燃料極外装材、空気極外装材によって発電部をパッキングした。作製した燃料電池の燃料タンク内にメタノールの20vol%水溶液を充填し、外部負荷に接続して発電を行った。ここで、メタノール水溶液は10vol%の濃度とすることが好ましい。   Subsequently, carbon paper (product name TGP-H-090, 290 μm manufactured by Toray Industries, Inc.) was pressure-bonded by hot pressing on both sides of the MEA to produce a power generation unit. After the current collector leads were taken out from both electrodes of the produced power generation unit, the power generation unit was packed with a fuel electrode exterior material and an air electrode exterior material including a fuel tank. The fuel tank of the manufactured fuel cell was filled with a 20 vol% aqueous solution of methanol and connected to an external load to generate power. Here, it is preferable that the methanol aqueous solution has a concentration of 10 vol%.

(比較例)
ここで、本実施例の比較例について説明する。
高メタノール透過性の固体電解質膜として、5cm×5cm形状(パッキング部分の周囲1cmを含まず)の製品名Nafion117(デュポン社製)を用いた。
(Comparative example)
Here, the comparative example of a present Example is demonstrated.
The product name Nafion 117 (manufactured by DuPont) having a shape of 5 cm × 5 cm (not including 1 cm around the packing portion) was used as the solid electrolyte membrane having high methanol permeability.

各電極触媒層を以下のように作製した。先ず、ケッチェンブラック(ライオン社製の製品名ケッチェンブラックEC)に粒径2nm〜5nm程度のPt触媒を約50%担持させた触媒粒子2g、Nafion(デュポン社製)の溶液4.8g、水7g、プロパノール10gをボールミルで混合、脱泡してペースト状とした。これをテフロン(R)シートに塗布し、80℃で30分間乾燥し、前述した透過率の異なる部分を有するNafionの固体電解質膜を160℃で2分間ホットプレスし、正極触媒層を形成した。   Each electrode catalyst layer was produced as follows. First, 2 g of catalyst particles in which about 50% of a Pt catalyst having a particle size of about 2 nm to 5 nm is supported on Ketjen Black (product name Ketjen Black EC manufactured by Lion), 4.8 g of a solution of Nafion (manufactured by DuPont), 7 g of water and 10 g of propanol were mixed with a ball mill and defoamed to obtain a paste. This was applied to a Teflon (R) sheet, dried at 80 ° C. for 30 minutes, and the above-described Nafion solid electrolyte membrane having portions with different transmittances was hot-pressed at 160 ° C. for 2 minutes to form a positive electrode catalyst layer.

負極触媒層も同様に、ケッチェンブラック(ライオン社製の製品名ケッチェンブラックEC)に粒径2nm〜5nmのPt−Ru(モル比が1:1)合金触媒を約50%担持させた触媒粒子2g、Nafion(デュポン社製)の溶液4.8g、 水7g、プロパノール10gをボールミルで混合、脱泡してペースト状とした。これを同様にテフロン(R)シートに塗布し、80℃で30分間乾燥し、前述した透過率の異なる部分を有するNafionの固体電解質膜を160℃で2分間ホットプレスし、負極触媒層を形成してMEAを作製した。   Similarly, the negative electrode catalyst layer is a catalyst in which about 50% of a Pt—Ru (molar ratio is 1: 1) alloy catalyst having a particle diameter of 2 nm to 5 nm is supported on Ketjen Black (product name Ketjen Black EC manufactured by Lion). 2 g of particles, 4.8 g of Nafion (manufactured by DuPont), 7 g of water, and 10 g of propanol were mixed with a ball mill and defoamed to obtain a paste. Similarly, this was applied to a Teflon (R) sheet, dried at 80 ° C. for 30 minutes, and the above-mentioned Nafion solid electrolyte membrane having a portion with different transmittance was hot-pressed at 160 ° C. for 2 minutes to form a negative electrode catalyst layer. Thus, an MEA was produced.

続いて、このMEAの両側にカーボンペーパー(東レ社製の製品名TGP−H−090、290μm)をホットプレスにより圧着して発電部を作製した。作製した発電部の両極からそれぞれ集電体リードを取り出した後、燃料タンクを含む燃料極外装材、空気極外装材によって発電部をパッキングした。作製した燃料電池の燃料タンク内にメタノールの20vol%水溶液を充填し、外部負荷に接続して発電を行った。   Subsequently, carbon paper (product name TGP-H-090, 290 μm manufactured by Toray Industries, Inc.) was pressure-bonded by hot pressing on both sides of the MEA to produce a power generation unit. After the current collector leads were taken out from both electrodes of the produced power generation unit, the power generation unit was packed with a fuel electrode exterior material and an air electrode exterior material including a fuel tank. The fuel tank of the manufactured fuel cell was filled with a 20 vol% aqueous solution of methanol and connected to an external load to generate power.

本実施例及び比較例の連続放電特性と燃料タンク内温度の推移を図6に示す。図6から明らかなように、本実施例のように固体電解質膜に透過率の異なる領域を配置し、燃料濃度を20vol%程度に高濃度化したことにより、比較例の従来手法に比べて出力及び容量が共に向上することが判る。   FIG. 6 shows the transition of the continuous discharge characteristics and the temperature in the fuel tank of this example and the comparative example. As is clear from FIG. 6, the region having different permeability is arranged in the solid electrolyte membrane as in this embodiment, and the fuel concentration is increased to about 20 vol%, so that the output is higher than that of the conventional method of the comparative example. It can be seen that both capacity and capacity are improved.

(第2の実施形態)
燃料電池では、大容量化のためには高濃度のメタノール水溶液を用いることが効果的であると思われる。しかしながら実際には、クロスオーバーにより正極に流出したメタノールが酸化反応し、これにより熱が発生する。発生した熱は燃料温度を上げることになり、結果としてクロスオーバーが促進される。即ち、高濃度のメタノール水溶液を用いることにより放電容量の低下を招来することになる。
(Second Embodiment)
In a fuel cell, it is considered effective to use a high-concentration aqueous methanol solution to increase the capacity. However, in practice, methanol flowing out to the positive electrode due to crossover undergoes an oxidation reaction, thereby generating heat. The generated heat increases the fuel temperature, and as a result, crossover is promoted. That is, the discharge capacity is reduced by using a high-concentration aqueous methanol solution.

燃料電池において、正極触媒層には酸素の還元能力が強力な白金触媒を用いるのが一般的である。しかし白金触媒を用いた場合、クロスオーバーしたメタノールの酸化反応も同時に起こり易い。本発明者はこの事実に着目し、正極触媒層の触媒を相対的に減少させるべく、触媒を担持したカーボンに触媒を担持していないカーボンを混合して正極触媒層を形成することに想到した。これにより、高濃度のメタノール水溶液を用いるも温度上昇を抑制して、十分な放電容量を確保することが可能となる。   In a fuel cell, a platinum catalyst having a strong oxygen reducing ability is generally used for the positive electrode catalyst layer. However, when a platinum catalyst is used, the oxidation reaction of crossover methanol tends to occur simultaneously. The present inventor paid attention to this fact, and in order to relatively reduce the catalyst in the positive electrode catalyst layer, came up with the idea of forming a positive electrode catalyst layer by mixing carbon carrying a catalyst with carbon not carrying a catalyst. . As a result, even when a high-concentration aqueous methanol solution is used, it is possible to suppress a temperature rise and ensure a sufficient discharge capacity.

以下、本実施形態の詳細を説明する。
図7は、本実施形態による燃料電池セル(の主要部位)の原理構成を示す概略断面図である。
この燃料電池セルは、プロトン伝導性を有する固体電解質膜51と、燃料を酸化する負極触媒層(アノード電極触媒層)52と、この負極触媒層2と共に固体電解質膜51を挟持するように配され、酸素を還元する正極触媒層(カソード電極触媒層)52と、負極触媒層2上に配され、拡散層となるカーボンペーパー4と、正極触媒層52上に配され、拡散層となるカーボンペーパー5と、カーボンペーパー4上に配される負極集電体層6と、カーボンペーパー5上に配される正極集電体層7とを含み構成されている。
Details of this embodiment will be described below.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the principle configuration of (the main part of) the fuel battery cell according to the present embodiment.
The fuel battery cell is disposed so as to sandwich a solid electrolyte membrane 51 having proton conductivity, a negative electrode catalyst layer (anode electrode catalyst layer) 52 for oxidizing fuel, and the negative electrode catalyst layer 2 together with the solid electrolyte membrane 51. , A positive electrode catalyst layer (cathode electrode catalyst layer) 52 for reducing oxygen, a carbon paper 4 disposed on the negative electrode catalyst layer 2 and serving as a diffusion layer, and a carbon paper disposed on the positive electrode catalyst layer 52 and serving as a diffusion layer. 5, a negative electrode current collector layer 6 disposed on the carbon paper 4, and a positive electrode current collector layer 7 disposed on the carbon paper 5.

負極触媒層2は、触媒微粒子、炭素粉末及び電解質層を形成する高分子からなり、転写法などにより形成されるものである。負極集電体層6は、SUSなどの金属メッシュからなるものである。正極は、酸素を還元して発生したイオンと負極で生成された電子及びプロトンから水を生成するものであり、上述のように固体電解質層51側から正極触媒層52、カーボンペーパー5、正極集電体層7の順に積層して配置されている。正極触媒層52は、触媒微粒子、炭素粉末及び電解質層を形成する高分子からなり、転写法などにより形成されるものであって、触媒を担持したカーボンと触媒を担持していないカーボンとが混合してなるものである。正極集電体層7は、SUSなどの金属メッシュからなるものである。   The negative electrode catalyst layer 2 is composed of catalyst fine particles, carbon powder, and a polymer that forms an electrolyte layer, and is formed by a transfer method or the like. The negative electrode current collector layer 6 is made of a metal mesh such as SUS. The positive electrode generates water from ions generated by reducing oxygen and electrons and protons generated at the negative electrode. As described above, from the solid electrolyte layer 51 side, the positive electrode catalyst layer 52, carbon paper 5, positive electrode collection. The electrical conductor layers 7 are stacked in this order. The positive electrode catalyst layer 52 is composed of catalyst fine particles, carbon powder, and a polymer that forms an electrolyte layer. The positive electrode catalyst layer 52 is formed by a transfer method or the like, and is a mixture of carbon carrying a catalyst and carbon not carrying a catalyst. It is made. The positive electrode current collector layer 7 is made of a metal mesh such as SUS.

固体電解質層51は、負極側において生成されたプロトンを正極側に輸送するための経路を構成しており、電子伝導性を持たないイオン導電体で形成されている。例えば、ポリパーフルオロスルホン酸系の樹脂膜、具体的にはデュポン社製の商品名Nafionなどである。   The solid electrolyte layer 51 constitutes a path for transporting protons generated on the negative electrode side to the positive electrode side, and is formed of an ionic conductor having no electronic conductivity. For example, a polyperfluorosulfonic acid resin film, specifically, a product name Nafion manufactured by DuPont.

固体電解質層51と対向しない負極面には燃料タンクが形成されており、燃料は流動、拡散などの自然の移動により燃料導入路を通して負極へ供給されるようにされている。また、固体電解質層51と対向しない正極面は、外気を自然拡散により導入できるように空隙を備えた形で解放されている。   A fuel tank is formed on the negative electrode surface not facing the solid electrolyte layer 51, and the fuel is supplied to the negative electrode through the fuel introduction path by natural movement such as flow and diffusion. Further, the positive electrode surface that does not face the solid electrolyte layer 51 is released in the form of a gap so that outside air can be introduced by natural diffusion.

以上説明したように、本実施形態の燃料電池によれば、正極触媒層53を触媒担持カーボンと触媒を担持していないカーボンとを混合して構成することにより、温度上昇を抑制し、クロスオーバーを低減させることができる。従って、高濃度メタノール水溶液を用いることが可能となり、放電容量の大幅な増加が実現する。   As described above, according to the fuel cell of the present embodiment, the cathode catalyst layer 53 is configured by mixing the catalyst-supporting carbon and the carbon not supporting the catalyst, thereby suppressing the temperature rise and crossover. Can be reduced. Accordingly, a high concentration aqueous methanol solution can be used, and a significant increase in discharge capacity is realized.

(実施例)
ここで、上述した第2の実施形態に基づく実施例について説明する。
上記に示した構造に基づき、以下のように燃料電池を作製した。
負極触媒層にはPt−Ruを担持させたカーボンを用い、正極触媒層にはPtを担持させたカーボン(50wt%)と触媒担持のないカーボンとを重量比1:0.5で混合したものを用いた。また、固体電解質膜には製品名Nafion117 (デュポン社製)を用い、有機燃料には10、20、30vol%のメタノール水溶液をそれぞれ3.0cc用いた。
(Example)
Here, an example based on the second embodiment will be described.
Based on the structure shown above, a fuel cell was fabricated as follows.
Carbon in which Pt—Ru is supported is used for the negative electrode catalyst layer, and carbon (50 wt%) in which Pt is supported and carbon without catalyst are mixed in a weight ratio of 1: 0.5 in the positive electrode catalyst layer. Was used. The product name Nafion 117 (manufactured by DuPont) was used for the solid electrolyte membrane, and 3.0 cc of each of 10, 20, and 30 vol% methanol aqueous solutions were used for the organic fuel.

(比較例)
本実施例の比較例として、以下のように燃料電池を作製した。
負極触媒層にはPt−Ruを担持させたカーボンを用い、正極触媒層にはPtを担持させたカーボン(50wt%)を用いた。また、固体電解質膜には製品名Nafion117(デュポン社製)を用い、有機燃料には10、20、30vol%のメタノール水溶液をそれぞれ3.0cc用いた。
(Comparative example)
As a comparative example of this example, a fuel cell was manufactured as follows.
Carbon carrying Pt—Ru was used for the negative electrode catalyst layer, and carbon carrying Pt (50 wt%) was used for the positive electrode catalyst layer. Further, the product name Nafion 117 (manufactured by DuPont) was used for the solid electrolyte membrane, and 3.0 cc each of 10, 20, and 30 vol% methanol aqueous solutions were used for the organic fuel.

放電容量の試験条件として、300mAの連続放電とし、そのときの電圧値と燃料温度を測定した。
電圧値及び燃料温度の評価結果を図8及び図9に示す。図8が比較例に、図9が本実施例にそれぞれ対応している。
メタノール水溶液濃度が10vol%の場合、放電容量は共に90〜100分間程度であり大差はない。20vol%の場合、温度上昇のため、比較例では放電容量が100分間程度と殆ど変化がないのに対して、本実施例では放電容量が130分間分以上と大きく増大する。また、30vol%では温度上昇が激しいため、両者共に放電容量は低下している。従って、本実施例の構成において、有機燃料として10〜30vol%未満、好ましくは20vol%前後のメタノール水溶液を用いることにより、長時間の放電容量を確保できることが判る。
As a test condition for the discharge capacity, a continuous discharge of 300 mA was performed, and the voltage value and fuel temperature at that time were measured.
The evaluation results of the voltage value and the fuel temperature are shown in FIGS. FIG. 8 corresponds to the comparative example, and FIG. 9 corresponds to the present embodiment.
When the methanol aqueous solution concentration is 10 vol%, the discharge capacities are both about 90 to 100 minutes and there is no big difference. In the case of 20 vol%, due to the temperature rise, in the comparative example there is almost no change in the discharge capacity of about 100 minutes, whereas in this example the discharge capacity is greatly increased to over 130 minutes. Further, at 30 vol%, since the temperature rises drastically, both discharge capacities are reduced. Therefore, it can be seen that long-term discharge capacity can be secured by using a methanol aqueous solution of less than 10-30 vol%, preferably around 20 vol%, as the organic fuel in the configuration of this example.

なお、本発明は上述した第1及び第2の実施形態に限定されるものではない。例えば、両実施形態を採用した構成、即ち、固体電解質膜を中央部位が有機燃料の低透過率領域、その周辺部位が高透過率領域となるように形成するとともに、正極触媒層を触媒を担持したカーボンに触媒を担持していないカーボンを混合した材料から形成してなる構成とすすることも好適である。   The present invention is not limited to the first and second embodiments described above. For example, the configuration adopting both embodiments, that is, the solid electrolyte membrane is formed so that the central portion is a low-permeability region of organic fuel and the peripheral portion is a high-permeability region, and the positive electrode catalyst layer carries a catalyst. It is also preferable to adopt a configuration in which the carbon is made of a material in which carbon that does not carry a catalyst is mixed.

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。   Hereinafter, various aspects of the present invention will be collectively described as supplementary notes.

(付記1)電解質膜と、
燃料を酸化する負極触媒層と、
酸素を還元する正極触媒層と
を含む電池セルを備え、
前記負極触媒層に前記燃料を供給すると共に前記正極触媒層に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池であって、
前記電解質膜は、その面内において前記燃料の透過率が変化していることを特徴とする燃料電池。
(Appendix 1) an electrolyte membrane;
A negative electrode catalyst layer that oxidizes the fuel;
A battery cell including a positive electrode catalyst layer for reducing oxygen,
A fuel cell for supplying power to the negative electrode catalyst layer and generating power by supplying an oxidant gas to the positive electrode catalyst layer;
The fuel membrane, wherein the electrolyte membrane has a change in the transmittance of the fuel in a plane thereof.

(付記2)前記電解質膜は、その一部に他部よりも前記燃料の透過率の低い領域が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   (Supplementary note 2) The fuel cell according to claim 1, wherein a region of the electrolyte membrane having a lower fuel permeability than other portions is formed in a part thereof.

(付記3)前記電解質膜は、前記燃料の透過率の異なる少なくとも2種類の電解質層が同一面内に積層配置されてなるものであり、低透過率の前記電解質層が前記一部を、高透過率の前記電解質層が前記他部をそれぞれ構成することを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池。   (Supplementary Note 3) The electrolyte membrane is formed by laminating and arranging at least two types of electrolyte layers having different fuel transmittances in the same plane, and the electrolyte layer having a low transmittance has a high portion of the electrolyte layer. The fuel cell according to claim 1, wherein the electrolyte layer having a transmittance constitutes the other part.

(付記4)前記低透過率の前記電解質層が前記正極触媒層側に、前記高透過率の前記電解質層が前記負極触媒層側となるように配置されることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池。   (Supplementary note 4) The low-permeability electrolyte layer is disposed on the positive electrode catalyst layer side, and the high-permeability electrolyte layer is disposed on the negative electrode catalyst layer side. The fuel cell as described.

(付記5)前記電解質膜は、前記一部が前記他部よりも前記燃料の透過率の低い状態に表面構造が変質してなることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池。   (Supplementary note 5) The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the electrolyte membrane has a surface structure altered to a state in which the part has a lower fuel permeability than the other part.

(付記6)前記電解質膜は、前記燃料の透過率の低い前記一部が当該電解質膜の一方の表面から厚み方向の途中まで形成されていることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池。   (Appendix 6) The fuel cell according to claim 5, wherein the electrolyte membrane is formed such that the part of the fuel having a low transmittance is formed from one surface of the electrolyte membrane to the middle in the thickness direction. .

(付記7)前記電解質膜は、前記一部に含浸された反応性化合物に加熱処理、紫外線、放射線又は電子線が照射されて前記低透過率の状態に変質してなることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池。   (Additional remark 7) The said electrolyte membrane changes in the state of the said low transmittance | permeability by irradiating the heat treatment, the ultraviolet-ray, a radiation, or an electron beam to the reactive compound impregnated in the said part. Item 7. The fuel cell according to Item 6.

(付記8)前記燃料の透過率の低い前記一部が前記正極触媒層側に、前記燃料の透過率の高い前記他部が前記負極触媒層側となるように配置されることを特徴とする請求項6又は7に記載の燃料電池。   (Supplementary Note 8) The low fuel permeability is arranged so that the part of the fuel having a low transmittance is on the positive electrode catalyst layer side and the other part having the high fuel permeability is on the negative electrode catalyst layer side. The fuel cell according to claim 6 or 7.

(付記9)電解質膜と、
燃料を酸化する負極触媒層と、
酸素を還元する正極触媒層と
を含む電池セルを備え、
前記負極触媒層に前記燃料を供給すると共に前記正極触媒層に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池であって、
前記正極触媒層は、触媒を担持したカーボンと触媒を担持していないカーボンとの混合物を含有してなることを特徴とする燃料電池。
(Supplementary note 9) an electrolyte membrane;
A negative electrode catalyst layer that oxidizes the fuel;
A battery cell including a positive electrode catalyst layer for reducing oxygen,
A fuel cell for supplying power to the negative electrode catalyst layer and generating power by supplying an oxidant gas to the positive electrode catalyst layer;
The positive electrode catalyst layer comprises a mixture of carbon carrying a catalyst and carbon not carrying a catalyst.

(付記10)前記電解質膜は、その一部に他部よりも前記燃料の透過率の低い領域が形成されていることを特徴とする請求項9に記載の燃料電池。   (Supplementary note 10) The fuel cell according to claim 9, wherein a region of the electrolyte membrane having a lower fuel permeability than the other portion is formed in a part thereof.

(付記11)前記電解質膜は、前記燃料の透過率の異なる少なくとも2種類の電解質層が同一面内に積層配置されてなるものであり、低透過率の前記電解質層が前記一部を、高透過率の前記電解質層が前記他部をそれぞれ構成することを特徴とする請求項10に記載の燃料電池。   (Supplementary Note 11) The electrolyte membrane is formed by laminating and arranging at least two types of electrolyte layers having different fuel transmittances in the same plane, and the electrolyte layer having a low transmittance has the high part. The fuel cell according to claim 10, wherein the electrolyte layer having a transmittance constitutes the other part.

(付記12)前記電解質膜は、前記低透過率の前記電解質層が前記正極触媒層側に、前記高透過率の前記電解質層が前記負極触媒層側となるように配置されてなることを特徴とする請求項11に記載の燃料電池。   (Supplementary Note 12) The electrolyte membrane is arranged such that the electrolyte layer with low transmittance is on the positive electrode catalyst layer side and the electrolyte layer with high transmittance is on the negative electrode catalyst layer side. The fuel cell according to claim 11.

(付記13)前記電解質膜は、前記一部が前記他部よりも前記燃料の透過率の低い状態に表面構造が変質してなることを特徴とする請求項10に記載の燃料電池。   (Supplementary note 13) The fuel cell according to claim 10, wherein the electrolyte membrane has a surface structure altered to a state in which the part has a lower permeability of the fuel than the other part.

(付記14)前記電解質膜は、前記一部に含浸された反応性化合物に加熱処理、紫外線、放射線又は電子線が照射されて前記低透過率の状態に変質してなることを特徴とする請求項13に記載の燃料電池。   (Additional remark 14) The said electrolyte membrane changes in the state of the said low transmittance | permeability by irradiating the reactive compound impregnated in the said part with heat processing, an ultraviolet-ray, a radiation, or an electron beam, It is characterized by the above-mentioned. Item 14. The fuel cell according to Item 13.

(付記15)前記触媒が白金又はその合金であることを特徴とする請求項1〜14のいずれか1項に記載の燃料電池。   (Additional remark 15) The said catalyst is platinum or its alloy, The fuel cell of any one of Claims 1-14 characterized by the above-mentioned.

(付記16)前記カーボンがケッチェンブラックであることを特徴とする請求項1〜15のいずれか1項に記載の燃料電池。   (Supplementary note 16) The fuel cell according to any one of claims 1 to 15, wherein the carbon is ketjen black.

(付記17)前記燃料がメタノール水溶液であることを特徴とする請求項1〜16のいずれか1項に記載の燃料電池。   (Supplementary note 17) The fuel cell according to any one of claims 1 to 16, wherein the fuel is an aqueous methanol solution.

第1の実施形態による燃料電池セルの構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the fuel battery cell by 1st Embodiment. 燃料電池セルを有する燃料電池を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view showing typically a fuel cell which has a fuel cell. 第1の実施形態による燃料電池セル(の主要部位)の原理構成を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the principle structure of the fuel battery cell by 1st Embodiment (the main part). 第1の実施形態による燃料電池セル(の主要部位)の変形例1を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the modification 1 of the fuel battery cell by 1st Embodiment (the main part). 第1の実施形態による燃料電池セル(の主要部位)の変形例2を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the modification 2 of the fuel battery cell by 1st Embodiment (the main part). 第1の実施形態の実施例及び比較例の連続放電特性と燃料タンク内温度の推移を示す特性図である。It is a characteristic view which shows transition of the continuous discharge characteristic and fuel tank temperature of the Example and comparative example of 1st Embodiment. 第2の実施形態による燃料電池セル(の主要部位)の原理構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the principle structure of the fuel cell by 2nd Embodiment. 第2の実施形態の比較例における電圧値及び燃料温度の評価結果を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the evaluation result of the voltage value and fuel temperature in the comparative example of 2nd Embodiment. 第2の実施形態の実施例における電圧値及び燃料温度の評価結果を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the evaluation result of the voltage value and fuel temperature in the Example of 2nd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1,31,32,51 固体電解質膜
2 負極触媒層(アノード電極触媒層)
3,52 正極触媒層(カソード電極触媒層)
4 負極触媒層側のカーボンペーパー
5 正極触媒層側のカーボンペーパー
6 負極集電体層
7 正極集電体層
8 セル筐体
9 負極端子
10 燃料電池セル
11 正極端子
21,23 低透過率領域
22 高透過率領域
41,42 電解質層
1, 31, 32, 51 Solid electrolyte membrane 2 Negative electrode catalyst layer (anode electrode catalyst layer)
3,52 Cathode catalyst layer (cathode electrode catalyst layer)
4 Carbon paper on the negative electrode catalyst layer side 5 Carbon paper on the positive electrode catalyst layer side 6 Negative electrode current collector layer 7 Positive electrode current collector layer 8 Cell housing 9 Negative electrode terminal 10 Fuel cell 11 Positive electrode terminals 21 and 23 Low transmittance region 22 High transmittance region 41, 42 Electrolyte layer

Claims (5)

電解質膜と、
燃料を酸化する負極触媒層と、
酸素を還元する正極触媒層と
を含む電池セルを備え、
前記負極触媒層に前記燃料を供給すると共に前記正極触媒層に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池であって、
前記電解質膜は、その面内において前記燃料の透過率が変化していることを特徴とする燃料電池。
An electrolyte membrane;
A negative electrode catalyst layer that oxidizes the fuel;
A battery cell including a positive electrode catalyst layer for reducing oxygen,
A fuel cell for supplying power to the negative electrode catalyst layer and generating power by supplying an oxidant gas to the positive electrode catalyst layer;
The fuel membrane, wherein the electrolyte membrane has a change in the transmittance of the fuel in a plane thereof.
前記電解質膜は、その一部に他部よりも前記燃料の透過率の低い領域が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein a region of the electrolyte membrane having a lower fuel permeability than the other portion is formed in a part thereof. 前記電解質膜は、前記燃料の透過率の異なる少なくとも2種類の電解質層が同一面内に積層配置されてなるものであり、低透過率の前記電解質層が前記一部を、高透過率の前記電解質層が前記他部をそれぞれ構成することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池。   The electrolyte membrane is formed by laminating and arranging at least two types of electrolyte layers having different fuel transmittances in the same plane, the electrolyte layer having a low transmittance having the portion having the high transmittance. The fuel cell according to claim 2, wherein an electrolyte layer constitutes each of the other portions. 前記電解質膜は、前記一部が前記他部よりも前記燃料の透過率の低い状態に表面構造が変質してなることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池。   3. The fuel cell according to claim 1, wherein a part of the electrolyte membrane is modified in a surface structure so that the fuel permeability is lower than that of the other part. 電解質膜と、
燃料を酸化する負極触媒層と、
酸素を還元する正極触媒層と
を含む電池セルを備え、
前記負極触媒層に前記燃料を供給すると共に前記正極触媒層に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池であって、
前記正極触媒層は、触媒を担持したカーボンと触媒を担持していないカーボンとの混合物を含有してなることを特徴とする燃料電池。
An electrolyte membrane;
A negative electrode catalyst layer that oxidizes the fuel;
A battery cell including a positive electrode catalyst layer for reducing oxygen,
A fuel cell for supplying power to the negative electrode catalyst layer and generating power by supplying an oxidant gas to the positive electrode catalyst layer;
The positive electrode catalyst layer comprises a mixture of carbon carrying a catalyst and carbon not carrying a catalyst.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010244721A (en) * 2009-04-01 2010-10-28 Sharp Corp Fuel cell stack
CN110571437A (en) * 2018-05-16 2019-12-13 嘉兴市兆业新能源技术有限公司 anode structure of fuel cell

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