JP2006134808A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池に関し、特に小型でプロトン伝導性の固体電解質層を備える燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly, to a fuel cell including a small, proton-conductive solid electrolyte layer.
昨今、携帯端末機器、特に携帯電話機は、通信機能のみならず動画撮影機やゲーム機としての機能を備えるようになっている。このような多機能化や、これに伴う高性能化により、携帯電話機の消費電力がますます増大し、使用時間も長時間化している。このような状況の下、携帯電話機に電力を供給する電池の高容量化が求められている。 Nowadays, mobile terminal devices, particularly mobile phones, are provided with functions not only as a communication function but also as a video camera and a game machine. With such multi-functionality and high performance associated therewith, the power consumption of mobile phones has been increasing and the usage time has also been prolonged. Under such circumstances, it is required to increase the capacity of a battery that supplies power to a mobile phone.
現在、携帯電話機の電池には、リチウムイオン二次電池が搭載されている。リチウムイオン二次電池は、材料および構造面からの高容量化がほぼ限界に近づきつつある。 Currently, lithium ion secondary batteries are mounted on mobile phone batteries. In the lithium ion secondary battery, the increase in capacity in terms of material and structure is almost reaching its limit.
これに対して、高容量電源として、ダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)に注目が集まっている。DMFCは、同体積のリチウムイオン電池と比較して理論的に数倍の容量を有する。DMFCは、電解質に高分子固体電解質を用い、メタノールなどの有機燃料を直接電極上に供給して発電を行う。DMFCは、有機燃料を水素に改質する改質器を使用しないので小型化および軽量化が容易なため、携帯端末機器の電源として適している。 On the other hand, direct methanol fuel cells (DMFC) are attracting attention as high-capacity power supplies. The DMFC theoretically has a capacity several times that of a lithium ion battery having the same volume. The DMFC uses a solid polymer electrolyte as an electrolyte, and generates electricity by supplying an organic fuel such as methanol directly onto an electrode. Since DMFC does not use a reformer that reforms organic fuel into hydrogen, it can be easily reduced in size and weight, and is therefore suitable as a power source for portable terminal devices.
DMFCでは、液体燃料貯蔵部から燃料極の触媒層にメタノールと水を液体(メタノール水溶液)の状態で供給することにより、触媒上でプロトン(H+)、電子(e−)、および二酸化炭素が生成され(反応式:CH3OH+H2O→CO2+6H++6e−)、プロトンは高分子固体電解質膜中を透過して酸化剤極の触媒層で酸素と化合して水を生成する。この際、燃料極、酸化剤極を外部回路に接続することで、発生した電子により電力が取り出せる。生成した水は空気極から系外へ放出される。一方、燃料極で発生した二酸化炭素は、液体燃料を直接セルに供給する場合には燃料液相中を拡散し、ガスのみを透過するガス透過膜を介して燃料電池の系外へ排出される。 In the DMFC, by supplying methanol and water in a liquid (methanol aqueous solution) state from the liquid fuel storage unit to the catalyst layer of the fuel electrode, protons (H + ), electrons (e − ), and carbon dioxide are generated on the catalyst. (Reaction formula: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − ), protons permeate through the polymer solid electrolyte membrane and combine with oxygen in the catalyst layer of the oxidant electrode to generate water. At this time, electric power can be taken out by the generated electrons by connecting the fuel electrode and the oxidant electrode to an external circuit. The generated water is discharged from the air electrode to the outside of the system. On the other hand, carbon dioxide generated at the fuel electrode diffuses in the fuel liquid phase when liquid fuel is supplied directly to the cell, and is discharged out of the fuel cell system through a gas permeable membrane that allows only gas to permeate. .
ところで、メタノール水溶液を直接燃料極に供給するいわゆる液体供給型DMFCでは、燃料極でメタノールが発電により消費されると、液体燃料貯蔵部のメタノール濃度が次第に低下する。メタノール濃度が一定の濃度以下になると発電が停止してしまい、メタノール水溶液に含まれるメタノールは使い切れない。 By the way, in a so-called liquid supply type DMFC that supplies an aqueous methanol solution directly to the fuel electrode, when methanol is consumed by power generation at the fuel electrode, the methanol concentration in the liquid fuel storage section gradually decreases. When the methanol concentration falls below a certain concentration, power generation stops and the methanol contained in the methanol aqueous solution cannot be used up.
この問題を解決するために、メタノール水溶液を気化させて燃料極の触媒層にメタノールを気体の状態で供給する、いわゆる気化供給型DMFCが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。気化供給型DMFCでは、液体燃料貯蔵部のメタノール濃度が低下してもメタノールは蒸発するので発電が可能となり、液体燃料中のメタノールを使い切れるという利点がある。すなわち、同体積の液体燃料を用いた場合は気化供給型DMFCの方が高容量の燃料電池が得られることになる。 In order to solve this problem, a so-called vaporization supply type DMFC in which an aqueous methanol solution is vaporized and methanol is supplied to the catalyst layer of the fuel electrode in a gaseous state has been proposed (for example, see Patent Document 1). The vaporized supply type DMFC has an advantage that even if the methanol concentration in the liquid fuel storage unit is lowered, the methanol evaporates, so that power generation is possible and the methanol in the liquid fuel can be used up. That is, when the same volume of liquid fuel is used, the vaporized supply type DMFC provides a fuel cell with a higher capacity.
ところで、気化供給型DMFCでは、燃料極で生成された二酸化炭素ガスが燃料極側の内圧を増加させるので、メタノールガスと混合した二酸化炭素ガスを選択的に外部に排出する必要がある。 By the way, in the vaporization supply type DMFC, the carbon dioxide gas generated at the fuel electrode increases the internal pressure on the fuel electrode side, so it is necessary to selectively discharge the carbon dioxide gas mixed with methanol gas to the outside.
図1(A)は上記特許文献1の燃料電池の平面図、(B)は(A)の断面図である。図1(A)および(B)に示すように、上記特許文献1の燃料電池は、燃料保持層101によりメタノール水溶液が気化し、生じたメタノールガスが固体電解質層102に接する燃料極103に供給される。燃料極103の触媒層では上述した反応が進み、反応により生じた電子は燃料極103に接する端子104から取り出される。端子104にはガス放出口105と、液体とガスとを分離する液体・ガス分離膜106が設けられている。液体・ガス分離により燃料極103で生成された二酸化炭素ガスを外部に排出する。
しかしながら、特許文献1では、液体・ガス分離膜106が二酸化炭素ガスを透過することが開示されているが、液体・ガス分離膜106のメタノールガス遮断性については開示されていない。液体・ガス分離膜106がメタノールガスを遮断しない場合はメタノールガスが外部に漏洩してしまい、供給したメタノール量に対する発電電力量が減少するという問題が生ずる。またメタノールガスは可燃性であるので外部に過度に漏洩すると、引火や爆発等の火災が発生するおそれがある。
However, Patent Document 1 discloses that the liquid /
また、上述した反応により二酸化炭素ガスは燃料極103の全体で発生する。しかしながら、特許文献1では燃料極103の一部の小領域にしかガス放出口105が設けられていない。このような場合、排出しきれない二酸化炭素ガスにより燃料電池の内圧が高まり、燃料ガスの蒸発が抑制され、あるいは蒸発が停止するおそれがある。その結果、発電量の低下さらには発電の停止のおそれがある。また、燃料極103からガス放出口105までの二酸化炭素ガスの排出経路は、二酸化炭素ガスの透過量および透過速度が確保されない場合も同様の問題が生ずる。
Further, carbon dioxide gas is generated in the
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、燃料ガスの漏洩の抑制と二酸化炭素ガスの高排出能力を両立し、安定性の高い発電動作が可能な燃料電池を提供することである。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is a fuel that achieves both stable suppression of fuel gas leakage and high discharge capacity of carbon dioxide gas, and enables highly stable power generation operation. It is to provide a battery.
本発明の一観点によれば、酸化剤ガスが供給される酸化剤極と、燃料ガスが供給される燃料極と、前記酸化剤極と燃料極とに狭持された固体電解質層と、からなる発電部と;前記燃料ガスを燃料極の表面に拡散させる第1のガス拡散層と、からなる燃料ガス供給部と;前記発電部の発電反応により燃料極で生成される生成ガスを排出する生成ガス排出部と;を備え、前記生成ガス排出部は、前記第1のガス拡散層の側縁に接続する第2のガス拡散層と、前記第2のガス拡散層に対向する第1の面と、該第1の面とは反対側に、当該燃料電池の外部に露出する第2の面を有する分離膜からなり、前記分離膜が、燃料ガスに対して生成ガスを選択的に透過する燃料電池が提供される。 According to one aspect of the present invention, an oxidant electrode to which an oxidant gas is supplied, a fuel electrode to which a fuel gas is supplied, and a solid electrolyte layer sandwiched between the oxidant electrode and the fuel electrode. A fuel gas supply unit comprising: a first gas diffusion layer for diffusing the fuel gas on the surface of the fuel electrode; and discharging a generated gas generated at the fuel electrode by a power generation reaction of the power generation unit. A generated gas discharge unit, wherein the generated gas discharge unit is connected to a side edge of the first gas diffusion layer, and the first gas diffusion layer is opposed to the second gas diffusion layer. A separation membrane having a surface and a second surface exposed to the outside of the fuel cell on a side opposite to the first surface, wherein the separation membrane selectively transmits the generated gas to the fuel gas. A fuel cell is provided.
本発明によれば、燃料ガスを燃料極に導入して発電を行う燃料電池において、燃料極側で生成された生成ガスを第1の拡散層を介して燃料電池の側部に第2の拡散層により拡散させ、燃料ガス、水蒸気、および生成ガスからなる混合ガスから生成ガスを選択的に透過するガス分離膜を第2のガス拡散層に対向して設けてある。ガス分離膜は、生成ガスを選択的に透過するので、燃料ガスの漏洩を抑制すると共に、生成ガスの発生による燃料極側の内圧の増加を防止できる。その結果、安定性の高い発電動作が可能となる。また燃料ガスの外部への漏洩を抑制して、安全性の高い燃料電池が実現できる。 According to the present invention, in a fuel cell that generates power by introducing a fuel gas into a fuel electrode, the generated gas generated on the fuel electrode side is diffused into the side portion of the fuel cell via the first diffusion layer. A gas separation membrane that is diffused by the layer and selectively permeates the generated gas from the mixed gas of fuel gas, water vapor, and generated gas is provided opposite to the second gas diffusion layer. Since the gas separation membrane selectively permeates the generated gas, it is possible to suppress the leakage of the fuel gas and to prevent an increase in the internal pressure on the fuel electrode side due to the generation of the generated gas. As a result, a highly stable power generation operation is possible. Further, it is possible to realize a highly safe fuel cell by suppressing leakage of fuel gas to the outside.
また、本発明によれば、第2のガス拡散層は、第1のガス拡散層の側縁に接するように設けられ、かつ、分離膜が第2のガス拡散層に対向して配置されているので、分離膜は混合ガスに接触する面積を広く確保できる。したがって、分離膜の生成ガスの透過速度を向上でき、生成ガスの排出能力を向上できる。その結果、燃料極側の内圧の増加をいっそう防止して安定性の高い発電が可能な燃料電池が実現できる。 Further, according to the present invention, the second gas diffusion layer is provided so as to be in contact with the side edge of the first gas diffusion layer, and the separation membrane is disposed so as to face the second gas diffusion layer. Therefore, the separation membrane can secure a wide area in contact with the mixed gas. Therefore, the permeation rate of the product gas through the separation membrane can be improved, and the product gas discharge capacity can be improved. As a result, it is possible to realize a fuel cell that can further prevent the increase in internal pressure on the fuel electrode side and can generate power with high stability.
本発明によれば、燃料ガスの漏洩を抑制すると共に二酸化炭素ガスの排出能力を高め、安定性の高い発電動作が可能な燃料電池を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell which can suppress the leakage of fuel gas, raises the discharge | emission capability of a carbon dioxide gas, and can perform highly stable electric power generation operation can be provided.
以下図面を参照しつつ本発明の燃料電池の実施の形態を具体的に説明する。 Embodiments of the fuel cell of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
図2は、本発明の第1の実施の形態の第1例に係る燃料電池の平面図である。図2を参照するに、第1例に係る燃料電池10は、筐体11と、筐体11の内部に発電部20と、空気供給部30と、燃料供給部40とからなる積層体と、発電部20の発電反応により生成された二酸化炭素ガスを燃料電池10の側面から外部に排出させる生成ガス排出部50等から構成される。液体燃料として、メタノール、ジメチルエーテル(DME)、エタノール、エチレングリコール等を用いることができるが、以下の実施の形態ではメタノールと水との混合溶液あるいは100%濃度のメタノール(以下「メタノール水溶液」と略称する。)を例に説明する。
(First embodiment)
FIG. 2 is a plan view of the fuel cell according to the first example of the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the
図3は、図2に示す燃料電池のA−A線断面図である。図3を参照するに、燃料電池10は、発電部20の空気極21側には酸素ガスを空気極21に供給する空気供給部30が設けられ、発電部20の燃料極23側には液体燃料を気化してメタノールガス等の燃料ガスを燃料極23に供給する燃料供給部40が設けられている。さらに、発電部20の燃料極23側で燃料供給部40の両側の筐体内に生成ガス排出部50が設けられている。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell shown in FIG. Referring to FIG. 3, the
発電部20は、空気極21と、固体電解質層22と、燃料極23とがこの順に積層され、さらに空気極21、燃料極23にはそれぞれの外側に空気極集電体24a、燃料極集電体24bが設けられている。
The
空気極21は、薄膜のため図示を省略したが、例えば、多孔質体のカーボンペーパと、カーボンペーパ上にPt(白金)の微粒子からなる触媒層から構成され、触媒層が固体電解質層22に接するように配置される。
Although the
空気極集電体24aは、Ni、SUS304、SUS316等の導電性を有し、耐蝕性の高い金属材料から構成される。また、その構造は、空気あるいは酸素ガスを空気極21に導入できるように、金属メッシュ、エキスパンドメタル、金属不織布、三次元網目構造の発泡金属等からなる。また、空気極集電体24aは、その表面に、高導電性でかつ高耐蝕性の金属膜、たとえば、Au膜を形成することが好ましい。このような金属膜を設けることで、空気極集電体24aの耐蝕性の向上および空気極21との接触抵抗の低減化を図ることができる。空気極集電体24aは、空気極21のカーボンペーパに接するように配置される。
The air electrode
固体電解質層22は、プロトン伝導性の高分子固体電解質層、例えばスルホン基、リン酸基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基など極性基を有する材料から構成される。固体電解質層22は、例えば、ナフィオン(登録商標)NF117(デュポン社製商品名)を用いることができる。
The
燃料極23は、薄膜のため図示を省略したが、例えば、多孔質体のカーボンペーパと、カーボンペーパ上にPt(白金)−Ru(ルテニウム)の合金の微粒子からなる触媒層から構成され、触媒層が固体電解質層22に接するように配置される。
The
燃料極集電体24bは、空気極集電体24aと同様に、Ni、SUS304、SUS316等の導電性を有し、耐蝕性の高い金属材料から構成される。また、その構造は、燃料極23にメタノールガスおよび水蒸気を導入できるように、金属メッシュ、エキスパンドメタル、金属不織布、三次元網目構造の発泡金属等からなる。また、燃料極集電体24bは、空気極集電体24aと同様に、その表面に、高導電性でかつ高耐蝕性の金属膜、たとえば、Au膜を形成することが好ましい。
Like the air electrode
燃料極23の触媒層では、CH3OH+H2O→CO2+6H++6e−(反応式1)の酸化反応が進み、メタノールガスと水蒸気が消費され、二酸化炭素ガス、プロトン(H+)、および電子が生成される。プロトンは固体電解質層22を伝導し空気極に達する。電子は、燃料電池の出力電力として負荷が接続された外部回路(不図示)を通じて空気極21に達する。二酸化炭素ガスは後述する生成ガス排出部50により外部に排出される。空気極21の触媒層では、3/2O2+6H++6e−→3H2O(反応式2)の還元反応が進み、プロトン、電子、および酸素ガスが消費され水蒸気が生成される。水蒸気は、空気極ガス拡散層32および酸素供給口31aを通じて外部に排出される。
In the catalyst layer of the
空気供給部30は、空気極側筐体31と、空気極側筐体31の酸素供給口31aから導入した酸素を拡散させ、空気極に酸素を導入する空気極ガス拡散層32とから構成される。
The
空気極側筐体31は樹脂材料から構成され、樹脂材料としては特に限定されないが、メタノール等のアルコール耐性の点で、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン類、PTFE、PFA等のフッ素樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルサルホン、ポリサルホン、ポリフェニレンオキサイド、ポリエーテルエーテルケトン等の樹脂を用いることが好ましい。
The air
また、空気極側筐体31には、厚さ方向に貫通する酸素供給口31aが多数設けられ、空気極ガス拡散層32の全体に均一に酸素が導入されるように設けられることが好ましい。
The air
空気極ガス拡散層32は多孔質材料から構成され、多孔質材料であれば特に制限されないが、例えば、好適な多孔質体としては、セラミックス多孔質体、カーボンペーパ、カーボン繊維不織布、フッ素樹脂多孔質体、ポリプロピレン多孔質体等の多孔質体が挙げられる。
The air electrode
空気供給部30では、空気極側筐体31の酸素供給口31aから空気中の酸素ガスが導入され、酸素ガスは空気極ガス拡散層32の細孔中を通じて拡散し空気極21の表面に一様に導入される。なお、空気極ガス拡散層32は、空気極の表面、例えばカーボンペーパにより十分に酸素が拡散される場合は設けなくてもよい。
In the
燃料供給部40は、燃料極側筐体41と、メタノール水溶液が例えば燃料タンク(不図示)から供給される燃料貯蔵部42と、メタノール水溶液を気化させてメタノールガスと水蒸気に変換する燃料気化膜43と、燃料気化膜43の燃料極23側に、メタノールガスと水蒸気を拡散させ燃料極23に導入する燃料ガス拡散層44から構成される。
The
燃料極側筐体41は樹脂材料から構成され、樹脂材料としては特に限定されないが、空気極側筐体31と同様に、メタノール等のアルコール耐性の点で、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン類、PTFE、PFA等のフッ素樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルサルホン、ポリサルホン、ポリフェニレンオキサイド、ポリエーテルエーテルケトン等の樹脂を用いることが好ましい。
The fuel
燃料貯蔵部42は、メタノール水溶液を貯蔵すると共に燃料気化膜43にメタノール水溶液を導入する。燃料貯蔵部42は、図3に示すように、燃料気化膜43と対向するように設けられ、燃料気化膜43の全体に液体燃料が直接接触するようする。なお、燃料気化膜43中のメタノール水溶液の拡散の程度に応じて、燃料気化膜43の一部に接触するように燃料貯蔵部42を設けてもよい。
The
燃料気化膜43は、メタノール等のアルコール耐性を有する高分子等からなる非多孔質材料、あるいは多孔質材料からなる。燃料気化膜43は、非多孔質材料としてはシリコーンゴム等が好ましく、多孔質材料としてはフッ素樹脂製の多孔質材料が好ましい。燃料気化膜43が非多孔質材料の場合、メタノール水溶液が気相となってその材料中を透過する。また、燃料気化膜43が多孔質材料の場合、その細孔を通過したメタノール水溶液が燃料ガス拡散層44側の表面でメタノールガスおよび水蒸気に気化される。
The
燃料ガス拡散層44は、メタノール等のアルコール耐性を有する多孔質材料から構成される。燃料ガス拡散層44に好適な多孔質材料としては、セラミックス、カーボンペーパ、カーボン繊維不織布、フッ素樹脂、ポリプロピレン等の多孔質材料が挙げられる。
The fuel
また、燃料ガス拡散層44の空孔率は、30%〜95%の範囲に設定されることが好ましく、40%〜90%の範囲に設定されることがより好ましい。空孔率が95%を超えると生成ガス拡散層51の機械的強度が低下する。
Further, the porosity of the fuel
燃料ガス拡散層44の厚さは、特に制限はないが、1mm以下であることが好ましい。燃料ガス拡散層44が1mmよりも厚いと燃料電池全体の厚さが過度に大きくなる。
The thickness of the fuel
燃料供給部40は、燃料貯蔵部42に供給されたメタノール水溶液を燃料気化膜43に導入し、燃料気化膜43は、細孔中を毛管現象によりメタノール水溶液を透過させると共に、燃料気化膜43の燃料ガス拡散層44側で自然蒸発によりメタノール水溶液をメタノールガスおよび水蒸気に変換し、燃料ガス拡散層44にメタノールガスおよび水蒸気を導入する。燃料ガス拡散層44では、その細孔中をメタノールガスおよび水蒸気を拡散させて燃料極に導入し、上述した反応式1の反応に使用される。
The
生成ガス排出部50は、図2および図3に示すように燃料供給部40の両側に設けられている。生成ガス排出部50を以下に詳細に説明する。
The product
図4は、第1の実施の形態の第1例に係る燃料電池の要部断面図である。図4を参照するに、生成ガス排出部50は、燃料ガス拡散層44の側縁に接するように設けられた生成ガス拡散層51と、生成ガス拡散層51に対向して接するように設けられたガス分離膜52と、ガス分離膜52の表面を露出すると共に燃料極側筐体41の側面41bに開口して形成された生成ガス排出孔53から構成される。
FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part of the fuel cell according to the first example of the first embodiment. Referring to FIG. 4, the product
生成ガス拡散層51はメタノール等のアルコール耐性を有する多孔質材料から構成される。生成ガス拡散層51に好適な多孔質材料としては、多孔質セラミックス、カーボンペーパ、カーボン繊維不織布、多孔質フッ素樹脂や多孔質ポリプロピレン等の多孔質樹脂等の材料が挙げられ、カーボンペーパ、カーボン繊維不織布、多孔質樹脂が特に好ましい。生成ガス拡散層51は、反応により燃料極23で生成された二酸化炭素ガスや、メタノールガス、水蒸気(以下、これらのガスを総称して「混合ガス」という。)をガス分離膜52側に拡散させる。
The generated
また、生成ガス拡散層51はその厚さを200μm〜1mmの範囲に設定することが好ましい。生成ガス拡散層51が200μmよりも薄いと、二酸化炭素ガスの透過速度が低下してしまい、1mmよりも厚いと燃料電池全体の厚さが過度に大きくなる。
Moreover, it is preferable to set the thickness of the product
生成ガス拡散層51は、燃料極23で生成された二酸化炭素ガスを円滑に透過・拡散させる観点から、空孔率が大きい程好ましく、空孔率が30%〜95%の範囲に設定されることが好ましく、30%〜90%の範囲に設定されることがより好ましい。空孔率が95%を超えると、生成ガス拡散層51の機械的強度が低下する。
The generated
生成ガス拡散層51は、筐体と共に燃料電池10の機械的強度を確保する観点からは、機械的強度が高い方が好ましく、例えば、アルミナ多孔質膜等のセラミックス多孔質体や発泡金属を用いることができる。
From the viewpoint of securing the mechanical strength of the
ガス分離膜52は、生成ガス拡散層51の表面51aに対向すると共に接して設けられる。このような配置にすることで、ガス分離膜52が生成ガス拡散層51を拡散してくる混合ガスに接触する面積を増加させることができる。その結果、二酸化炭素ガスの単位時間当たりの透過量(いわゆる透過速度)を増加させることができる。もちろん、ガス分離膜52を生成ガス拡散層51の側端面51bに接するようにしてもよいが、混合ガスに接触する面積が減少する。例えば、生成ガス拡散層51の厚さが0.3mmで、生成ガス拡散層の側端面51bに接するようにガス分離膜52を設けた場合に対して、生成ガス拡散層の表面51aに対向して長さ6mmのガス分離膜52を設け、図3に示すY方向の長さを同様に設定する。混合ガスに接触するガス分離膜の面積の比は、6mm/0.3mm=20となり、成ガス拡散層の表面51aに対向してガス分離膜52を設けた場合が20倍のガス分離膜面積を確保できる。
The
また、ガス分離膜52は、生成ガス拡散層51に対向する面積が大きければ大きいほど好ましく、生成ガス拡散層51のほぼ全面を覆うように設けてもよい。すなわち、ガス分離膜52の形状を、図2に示す燃料供給部40のY方向の長さと筐体部分の制限をほぼ同様のY方向の長さに設定し、図3に示す生成ガス拡散層51のX方向の長さと筐体部分の制限を除き同様のX方向の長さに設定する。このように設定することで、ガス分離膜52の二酸化炭素ガスの透過速度を一層増加させることができる。
The
ガス分離膜52は、燃料極側筐体41により生成ガス拡散層51側に押圧して固定されている。なお、ガス分離膜52の固定手法はこれに制限されず、生成ガス拡散層51とガス分離膜52との間に、ガス分離膜52を生成ガス拡散層51に固定する接着層を設けてもよい。ただし、この場合、生成ガス拡散層51から混合ガスが生成ガス排出孔53側に漏洩しないようにすべきである。また、ガス分離膜52は生成ガス拡散層51と離隔するように設けてもよい。
The
ガス分離膜52は、混合ガスから二酸化炭素ガスを選択的に透過させる材料から構成される。すなわち、ガス分離膜52は生成ガス拡散層51から拡散してきた混合ガスから、二酸化炭素ガスを選択的に透過させて外部に放出する機能を有する。ガス分離膜52は、混合ガスから二酸化炭素ガスを選択的に透過させる点で、ゴム状またはガラス状ポリマーからなることが好ましく、例えば、シリコーンゴム、ポリイミド、ポリエーテルスルホン、ポリサルホン、ポリアミド等が挙げられる。
The
ガス分離膜52は、メタノールガスに対する二酸化炭素ガスの分離係数が4以上の材料を用いることが好ましい。この分離係数が4以上あれば十分な分離効果を得ることができる。また、この分離係数は高いほど好ましいが、100以下であることが好ましい。分離係数を100以下としたのは、現在のところ分離係数が100を超える材料は見出されていないからである。ここで、分離係数は、メタノールガスに対する二酸化炭素ガスの透過速度の比であり、具体的には、ガス分離膜52の一方の面に二酸化炭素とメタノールの混合液、あるいはそれらの混合ガスを接触させて圧力を印加し、ガス分離膜の他方の面に透過してくる成分組成を測定し、算出したものである。分離係数はこのような一般的手法により求める。
The
分離係数の観点からは、例えば、ポリイミドフィルムは本願発明者の検討によれば分離係数が4でありガス分離膜52として好適である。
From the viewpoint of the separation factor, for example, the polyimide film has a separation factor of 4 according to the study of the present inventor and is suitable as the
生成ガス排出孔53は、ガス分離膜52の表面から燃料電池10の側面、すなわち燃料極側筐体41の側面41bに達しており、ガス分離膜52を透過した二酸化炭素ガスを外部に排出する。
The generated
図5は、第1例の生成ガス排出部の第1変形例の要部拡大図である。図5を参照するに、ガス分離膜52aはそれ自体が厚さ方向に凹凸を有するように設けられて以外は、第1例の生成ガス排出部と同様に構成される。ガス分離膜52aのメタノールガスに対する二酸化炭素ガスの分離係数を維持しながら、ガス分離膜52aの実質的な面積を増して二酸化炭素ガスの透過速度を高めることができる。ガス分離膜52aの凹凸は、特に制限はなく、例えばガス分離膜52aの厚さ方向に円形や矩形の窪みを設けてもよく、ガス分離膜52aをひだ状に折りこんだ状態(いわゆる蛇腹状)でもよい。他方、このようにガス分離膜52aを設けることにより、二酸化炭素ガスの透過速度を維持しながらガス分離膜52aを小型化でき、その結果、燃料電池10を小型化できる。
FIG. 5 is an enlarged view of a main part of a first modification of the product gas discharge unit of the first example. Referring to FIG. 5, the
図6は、第1例の生成ガス排出部の第2変形例の要部拡大図である。図6を参照するに、生成ガス排出部50のガス分離膜52の外側にさらに多孔質膜55を設けた以外は、第1例の生成ガス排出部と同様に構成される。多孔質膜55は、例えば厚さが300μmであり、生成ガス拡散層51と同様の材料を用いることができる。多孔質膜55は、ガス分離膜52の支持体として機能する。また、多孔質膜55は、外部から生成ガス排出孔53を介して侵入する異物や有機ガス等によりガス分離膜52の表面が汚染されることを防止する。なお、生成ガス排出孔53を多孔質膜55で充填してもよい。
FIG. 6 is an enlarged view of a main part of a second modification of the product gas discharge unit of the first example. Referring to FIG. 6, the configuration is the same as the product gas discharge unit of the first example except that a
図7は、第1例の生成ガス排出部の第3変形例の要部拡大図である。図7を参照するに、生成ガス排出部50の生成ガス排出孔53aを燃料極側筐体41の表面41aに設けた以外は第1例の生成ガス排出部と同様に構成される。燃料極側筐体41の側面41bよりも燃料極側筐体41の表面41aの方が面積を確保し易いため、生成ガス排出孔53aをこのように設けることで、図4に示す第1例と比較して生成ガス排出孔53aの開口面積を広くとることができる。
FIG. 7 is an enlarged view of a main part of a third modification of the product gas discharge unit of the first example. Referring to FIG. 7, the configuration is the same as the product gas discharge unit of the first example except that the product gas discharge hole 53 a of the product
図8は、第1例の生成ガス排出部の第4変形例の要部拡大図である。図8を参照するに、燃料ガス拡散層44aをガス分離膜52に接するように設け、生成ガス拡散層を省略した以外は、第1例の生成ガス排出部と同様に構成される。燃料ガス拡散層44aは、図2に示す燃料ガス拡散層44と同様の材料からなり、ガス分離膜52に接するように燃料電池の側方向に延在するように設けられる。燃料ガス拡散層44aは、メタノールガスを燃料極23に供給すると共に生成された二酸化炭素ガスを拡散させる。二酸化炭素ガスは燃料ガス拡散層44aに接するガス分離膜52から生成ガス排出孔53を通じて外部に排出される。このように生成ガス拡散層を燃料ガス拡散層44aと一体化することにより、混合ガスの拡散が円滑となると共に、燃料電池の構造が単純化され燃料電池の組立が容易となる。
FIG. 8 is an enlarged view of a main part of a fourth modification of the product gas discharge unit of the first example. Referring to FIG. 8, the fuel
本実施の形態によれば、燃料ガスを燃料極に導入して発電を行う燃料電池において、燃料極23側で生成された二酸化炭素ガスを燃料電池10の側方向に生成ガス拡散層51により拡散させ、メタノールガス、水蒸気、および二酸化炭素ガスからなる混合ガスから二酸化炭素ガスを選択的に透過するガス分離膜52を生成ガス拡散層51に対向して設ける。ガス分離膜52は、二酸化炭素ガスを選択的に透過するので、メタノールガスの漏洩を抑制すると共に、二酸化炭素ガスの発生による燃料極23側の内圧の増加を防止できる。その結果、安定性の高い発電動作が可能となる。また、ガス分離膜52は、上記混合ガスから二酸化炭素ガスを選択的に透過させるので、メタノールガスの外部への漏洩を抑制して、安全性の高い燃料電池が実現できる。
According to the present embodiment, in the fuel cell in which fuel gas is introduced into the fuel electrode to generate power, the carbon dioxide gas generated on the
また、本実施の形態によれば、生成ガス拡散層51は、燃料ガス拡散層44の側縁に接するように設けられ、かつ、ガス分離膜52を生成ガス拡散層51に対向して配置されているので、ガス分離膜52は、混合ガスに接触する面積を広く確保できる。したがって、ガス分離膜52の二酸化炭素ガスの透過速度を向上でき、二酸化炭素ガスの排出能力を向上できる。その結果、燃料極23側の内圧の増加をいっそう防止して安定性の高い発電が可能な燃料電池が実現できる。
Further, according to the present embodiment, the generated
また、二酸化炭素ガスを誘導する生成ガス拡散層51を燃料ガス拡散層44に接するように、あるいは生成ガス拡散層51を燃料ガス拡散層44と一体化したので、二酸化炭素ガスの発生領域である燃料極23に接する燃料ガス拡散層44から二酸化炭素ガスを排出するガス分離膜52までの排出経路が形成される。この排出経路は、混合ガスが透過する断面積が広いので、二酸化炭素ガスの高透過速度を確保できる。したがって、排出経路の二酸化炭素の透過速度の点でも二酸化炭素ガスの排出能力を向上できる。
Further, since the produced
なお、第1の実施の形態では、生成ガス排出部50を燃料供給部40の両側に設けたが、いずれか一方の側部に設けてもよく、燃料供給口45側の筐体や、燃料供給口45とは反対側の筐体に生成ガス排出部50に設けてもよい。
In the first embodiment, the product
次に第1の実施の形態に係る実施例を説明する。 Next, an example according to the first embodiment will be described.
[実施例]
図2および図3に示す燃料電池の構成と同様の構成の燃料電池を形成した。また、2つの生成ガス排出部のうちの一方のみを使用し、生成ガス排出部の具体的な構成は、図6に示す第1例の第2変形例と同様とした。具体的には、発電部、燃料ガス拡散層および燃料気化膜の大きさを長さ40mm×幅40mmに形成し、燃料ガス拡散層の側面に接するように生成ガス拡散層(長さ10mm×幅6mm)を設け、生成ガス拡散層の表面に、ガス分離膜(長さ10mm×幅6mm)および多孔質膜を積層した。また、燃料電池の評価は定電流放電法により電流値を540mAに設定し電圧および放電時間を測定した。
[Example]
A fuel cell having the same configuration as that of the fuel cell shown in FIGS. 2 and 3 was formed. Further, only one of the two product gas discharge units is used, and the specific configuration of the product gas discharge unit is the same as that of the second modification of the first example shown in FIG. Specifically, the size of the power generation unit, the fuel gas diffusion layer, and the fuel vaporization film is 40 mm long × 40 mm wide, and the generated gas diffusion layer (
燃料電池には下記の材料を用いた。 The following materials were used for the fuel cell.
[発電部]
燃料極触媒層:Pt−Ru合金担持触媒TEC61E54(田中貴金属社製)
空気極触媒層:白金担持触媒TEC10E50E(田中貴金属社製)
固体電解質層:固体電解質ナフィオン(登録商標)NF117(デュポン社製商品名 燃料極集電体、空気極集電体:メッシュ状のSUS304
[燃料供給部]
燃料:メタノール水溶液(メタノール濃度70体積%)
燃料気化膜:シリコーンゴム、厚さ50μm、信越化学社製
燃料ガス拡散層:カーボンペーパ、厚さ280μm、東レ社製
[生成ガス排出部]
生成ガス拡散層:カーボンペーパ、厚さ280μm、東レ社製
ガス分離膜:シリコーンゴム、厚さ300μm、信越化学社製
多孔質膜:フッ素樹脂多孔質膜、厚さ500μm、住友電工社製
[比較例」
本発明によらない比較例は、ガス分離膜を設けなかった以外は実施例と同様の構成とした。なお、燃料量は実施例と同量とした。
[Power generation section]
Fuel electrode catalyst layer: Pt—Ru alloy supported catalyst TEC61E54 (Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.)
Air electrode catalyst layer: platinum-supported catalyst TEC10E50E (Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.)
Solid electrolyte layer: Solid electrolyte Nafion (registered trademark) NF117 (trade name, manufactured by DuPont) Fuel electrode current collector, air electrode current collector: mesh-like SUS304
[Fuel supply section]
Fuel: Methanol aqueous solution (
Fuel vaporization membrane: Silicone rubber,
Gas diffusion layer: carbon paper, thickness 280 μm, manufactured by Toray Industries, Inc. Gas separation membrane: silicone rubber, thickness 300 μm, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Porous membrane: porous fluororesin membrane, thickness 500 μm, manufactured by Sumitomo Electric Example "
The comparative example not according to the present invention had the same configuration as the example except that no gas separation membrane was provided. The fuel amount was the same as in the example.
図9は、実施例および比較例の燃料電池の電圧と放電時間との関係を示す図である。図9を参照するに、比較例の燃料電池は発電開始から約38分まで発電が持続したのに対して、実施例の燃料電池は発電開始から約57分まで発電が持続している。比較例は、生成ガス排出部にガス分離膜を設けなかったため、二酸化炭素ガスと共にメタノールガスが漏洩したために短時間で発電が停止したのに対し、実施例の燃料電池は、生成ガス排出部から二酸化炭素ガスが選択的に排出され、メタノールガスの漏洩が少なかったことによると考えられる。 FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the voltage and the discharge time of the fuel cells of Examples and Comparative Examples. Referring to FIG. 9, the fuel cell of the comparative example continued to generate power until about 38 minutes from the start of power generation, whereas the fuel cell of the example continued to generate power from about 57 minutes after the start of power generation. In the comparative example, since the gas separation membrane was not provided in the product gas discharge part, the power generation was stopped in a short time because methanol gas leaked together with the carbon dioxide gas, whereas the fuel cell of the example was removed from the product gas discharge part. This is probably because carbon dioxide gas was selectively discharged and there was little leakage of methanol gas.
したがって、実施例及び比較例によれば、ガス分離膜にシリコーンゴムを用いることにより、メタノールガスの漏洩を抑制し、選択的に二酸化炭素ガスを排出できる。 Therefore, according to Examples and Comparative Examples, by using silicone rubber for the gas separation membrane, leakage of methanol gas can be suppressed and carbon dioxide gas can be selectively discharged.
(第2の実施の形態)
図10は、本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池を示し、(A)はその平面図、(B)は(A)のB−B線断面図である。第2の実施の形態に係る燃料電池は、第1の実施の形態に係る燃料電池の変形例である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
(Second Embodiment)
10A and 10B show a fuel cell according to a second embodiment of the present invention, in which FIG. 10A is a plan view thereof, and FIG. 10B is a sectional view taken along line BB of FIG. The fuel cell according to the second embodiment is a modification of the fuel cell according to the first embodiment. In the figure, portions corresponding to the portions described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図10(A)および(B)を参照するに、第2の実施の形態に係る燃料電池70は、燃料ガスと酸素ガスにより発電を行う発電部20と、空気供給部30と、燃料供給部40と、燃料供給部40の両側に設けられた生成ガス排出部50等から構成され、燃料供給部40の燃料貯蔵部42に貯蔵されている液体燃料に圧力を印加する圧力印加部71と、燃料気化膜73が異なる以外は、図2に示す第1の実施の形態の第1例に係る燃料電池と同様の構成からなる。
Referring to FIGS. 10A and 10B, a
燃料気化膜73は、メタノール水溶液を浸透・移動しやすく、かつその表面からメタノールガスおよび水蒸気を容易に放出可能な非多孔質膜で形成されている。この非多孔質膜としては、パーフルオロスルホン酸系の樹脂膜(例えば、デュポン社製のナフィオン(登録商標)、旭化成社製の製品名アシプレックス等)、カルボキシル基を有するパーフルオロカーボン系の樹脂膜(例えば、旭硝子社製の製品名フレミオン等)、シリコーン膜(例えば三菱樹脂社製の商品名桂樹等)、ポリイミド膜などを用いることできる。 The fuel vaporization film 73 is formed of a non-porous film that is easy to permeate / move an aqueous methanol solution and that can easily release methanol gas and water vapor from its surface. As this non-porous film, perfluorosulfonic acid resin film (for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, product name Aciplex manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), perfluorocarbon resin film having a carboxyl group (For example, product name Flemion manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), silicone film (for example, trade name Katsuragi manufactured by Mitsubishi Plastics, Inc.), polyimide film, and the like can be used.
圧力印加部71は、燃料貯蔵部42に貯蔵されている液体燃料に、窒素ガスやArガス等の不活性ガス等により圧力(例えば与圧0.1MPaに設定する。)を印加する。液体燃料は圧力が印加されることで、燃料気化膜73への液体燃料の浸透を促進すると共に、燃料気化膜73の燃料ガス拡散層44へのメタノールガスの供給量を増加させる。したがって、燃料極23へのメタノールガスの供給が円滑に行われ、発電反応を安定して維持できる。
The pressure application unit 71 applies a pressure (for example, a pressure of 0.1 MPa) to the liquid fuel stored in the
本実施の形態によれば、第1の実施の形態の効果に加え、圧力印加部71によりメタノール水溶液に圧力を印加して、燃料気化膜73からの燃料ガスの供給を強制的に促進することにより、発電反応を安定して維持できる。さらに、発電反応の継続によりメタノール水溶液が減少しても圧力が印加されているので、メタノール水溶液の燃料気化膜73への浸透が進む。したがって、圧力を印加しない場合よりも、より高い割合の液体燃料を使用することができる。 According to the present embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the pressure application unit 71 applies pressure to the aqueous methanol solution to forcibly promote the supply of fuel gas from the fuel vaporization film 73. Thus, the power generation reaction can be stably maintained. Furthermore, since the pressure is applied even if the methanol aqueous solution decreases due to the continuation of the power generation reaction, the methanol aqueous solution penetrates into the fuel vaporization film 73. Therefore, a higher proportion of liquid fuel can be used than when no pressure is applied.
なお、高濃度のメタノール水溶液あるいは100%濃度のメタノールを液体燃料に用いる場合は、燃料極の触媒層に必要な水が不足する場合がある。この場合は、燃料ガス拡散層44に酸素ガスを供給しメタノールガスの一部を酸化して水を生成し、燃料極23に水を供給してもよい。すなわち、燃料極23の触媒層の表面では、CH3OH + (3/2)O2 → CO2 + 2H2Oの反応が進むと考えられ、生成された水が触媒層で用いられる。なお、この反応で生じた二酸化炭素ガスは、発電により生成された二酸化炭素ガスと同様の経路で外部に排出される。また、空気極21側で反応により生成した水を燃料ガス拡散層44に供給してもよい。これらの水の供給手法は、第2の実施の形態の燃料電池のみならず、第1の実施の形態の燃料電池に適用してもよい。
In addition, when using high concentration methanol aqueous solution or 100% concentration methanol for liquid fuel, water required for the catalyst layer of a fuel electrode may be insufficient. In this case, oxygen gas may be supplied to the fuel
また、第2の実施の形態の燃料電池に第1の実施の形態の生成ガス排出部の第1変形例〜第4変形例を適用してもよい。 In addition, the first to fourth modifications of the product gas discharge unit of the first embodiment may be applied to the fuel cell of the second embodiment.
(第3の実施の形態)
図11は、本発明の第3の実施の形態に係る燃料電池の平面図である。また、図12(A)は図11に示す燃料電池のC−C線模式的断面図、図12(B)は図12(A)のD部拡大図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
(Third embodiment)
FIG. 11 is a plan view of a fuel cell according to the third embodiment of the present invention. 12A is a schematic cross-sectional view taken along the line C-C of the fuel cell shown in FIG. 11, and FIG. 12B is an enlarged view of a portion D in FIG. In the figure, portions corresponding to the portions described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図11、図12(A)および(B)を参照するに、燃料電池80は、燃料貯蔵部42の上側および下側にそれぞれ3個の燃料電池セル81a1〜81a3、81b1〜81b3が配置されている。各々の燃料電池セルは、図12(B)に示す断面図の構成を有しており、この構成は図3に示す第1の実施の形態の第1例に係る燃料電池と同様であるのでその説明を省略する。
11, 12 in reference (A) and the (B), the
燃料電池80は、各々の燃料電池セル81a1〜81a3、81b1〜81b3(以下、燃料電池セルを特定する必要がない場合は、符号を “81”とする。)がリード線82を介して電気的に直列に接続されている。例えば、上側の3つの燃料電池セル81a1〜81a3は、図の左側から、燃料電池セル81a1の燃料極とその右側に隣接する燃料電池セル81a2の空気極、燃料電池セル81a2の燃料極とその右側に隣接する燃料電池セル81a3の空気極がリード線82により接続されている。また、下側の3つの燃料電池セル81b1〜81b3は、図の左側から、燃料電池セル81b1の空気極とその右側に隣接する燃料電池セル81b2の燃料極、燃料電池セル81b2の空気極とその右側に隣接する燃料電池セル81b3の燃料極がリード線82により接続されている。さらに上側の燃料電池セル81a3の燃料極と下側の燃料電池セル81b3の空気極がリード線82により接続されている。このように接続することで、上側の燃料電池セル81a1の空気極および下側の燃料電池セル81b1の空気極にそれぞれ接続された燃料電池の出力端子83a、83bに負荷を接続することで、各々の燃料電池セル81の出力電圧を加算した総出力電圧が得られる。例えば1個の燃料電池セル81の出力電圧は、出力電流にもよるが0.4V程度であるので、6個の燃料電池セル81を接続することにより、2.4Vの総出力電圧が得られる。リード線82は、隣接する燃料電池セル81の境界部に設けてもよく、燃料電池80の側面に設けてもよい。リード線82は電気的に接続可能な導電性の線材、板材、配線パターンのいずれでもよい。なお、燃料電池セル81の接続パターンはこれに限定されず、上述したように上側の3つの燃料電池セル81a1〜81a3と下側の3つの燃料電池セル81b1〜81b3をそれぞれ電気的に直列接続し、さらに、直列接続された上側の燃料電池セル81a1〜81a3と下側の燃料電池セル81b1〜81b3とを電気的に並列に接続してもよい。
In the
図11に示すように、燃料電池は、生成ガス排出部50a1〜50a3、50b1〜50b3(以下、生成ガス排出部を特定する必要がない場合は、符号を “50”とする。)が燃料電池セル81の両側に設けられ、その具体的構造は図4に示した第1の実施の形態の第1例と同様である。したがって、生成ガス排出部50のガス分離膜52の面積を十分に確保できる。さらに、燃料電池セル81を互いに近接して配置できるので、隣接する燃料電池セル82間を接続するリード線82を短小化して、燃料電池セル82間の電気抵抗値を低減できる。
As shown in FIG. 11, in the fuel cell, the product gas discharge parts 50a 1 to 50a 3 , 50b 1 to 50b 3 (hereinafter, when the product gas discharge part does not need to be specified, the symbol is “50”. ) Are provided on both sides of the fuel cell 81, and its specific structure is the same as that of the first example of the first embodiment shown in FIG. Therefore, a sufficient area of the
また、燃料貯蔵部42の上下の両面に燃料電池セル81を設けているが、生成ガス排出孔53を燃料電池の側面に設けたので、生成ガス排出孔53が互いに干渉しない。なお、本実施の形態の生成ガス排出部50を図5および図6に示す生成ガス排出部の第1変形例および第2変形例と同様に構成してもよい。
In addition, although the fuel cell 81 is provided on both the upper and lower surfaces of the
本実施の形態によれば、複数の燃料電池セル81からなる燃料電池において、各々の燃料電池セル81の両側に生成ガス排出部50を設けることで、高出力電圧が得られると共に、燃料電池80の大型化を抑制しつつ二酸化炭素の排出能力を向上できる。その結果、安定性の高い発電動作が可能な燃料電池が実現できる。
According to the present embodiment, in the fuel cell composed of the plurality of fuel cells 81, by providing the generated
なお、各々の燃料電池セル81の生成ガス排出部50を互いに接続してもよい。例えば、上側の3つの燃料電池セル81a1〜81a3に接続された生成ガス拡散層51およびガス分離膜52をそれぞれ一体化する。このようにすることで、ガス分離膜52の面積をさらに増加することができる。ただし、この場合は生成ガス拡散層51には絶縁性材料を用いるべきである。下側の3つの燃料電池セル81b1〜81b3についても同様に構成してもよい。
In addition, the produced
また、生成ガス排出部50を燃料電池セル81の一方の側部のみに設けてもよく、燃料供給口45側の筐体や、燃料供給口45とは反対側の筐体に生成ガス排出部50をさらに設けてもよい。
In addition, the product
以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, but the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the present invention described in the claims. It can be changed.
なお、以上の説明に関して更に以下の付記を開示する。
(付記1) 酸化剤ガスが供給される酸化剤極と、
燃料ガスが供給される燃料極と、
前記酸化剤極と燃料極とに狭持された固体電解質層と、からなる発電部と;
前記燃料ガスを燃料極の表面に拡散させる第1のガス拡散層と、からなる燃料ガス供給部と;
前記発電部の発電反応により燃料極で生成される生成ガスを排出する生成ガス排出部とを備え、
前記生成ガス排出部は、
前記第1のガス拡散層の側縁に接続する第2のガス拡散層と、
前記第2のガス拡散層に対向する第1の面と、該第1の面とは反対側に、当該燃料電池の外部に露出する第2の面を有する分離膜からなり、
前記分離膜が、燃料ガスに対して生成ガスを選択的に透過することを特徴とする燃料電池。
(付記2) 前記燃料ガス供給部は、
液体燃料を貯蔵する液体燃料貯蔵部と、
前記液体燃料貯蔵部から供給された液体燃料を燃料ガスに変換させ、該燃料ガスを第1のガス拡散層に供給する気化膜をさらに備えることを特徴とする付記1記載の燃料電池。
(付記3) 前記第2のガス拡散層は、第1のガス拡散層と略同一面に配置され、前記分離膜は第2のガス拡散層の略全面に亘って配設されてなることを特徴とする付記1または2記載の燃料電池。
(付記4) 前記第2のガス拡散層は、第1のガス拡散層と同一の材料からなることを特徴とする付記1〜3のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
(付記5) 前記第2のガス拡散層は、第1のガス拡散層と一体化されてなることを特徴とする付記4記載の燃料電池。
(付記6) 前記第2のガス拡散層は、多孔質セラミックス、カーボンペーパ、カーボン繊維不織布、多孔質フッ素樹脂、および多孔質ポリプロピレンからなる群のうち、いずれか1種からなることを特徴とする付記1〜5のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
(付記7) 前記分離膜は、ゴム状またはガラス状ポリマーからなることを特徴とする付記1〜6のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
(付記8) 前記分離膜は、燃料ガスに対する生成ガスの分離係数が4以上あることを特徴とする付記1〜7のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
(付記9) 前記分離膜は、それ自体が厚さ方向に沿って凹凸形状に形成されてなることを特徴とする付記1〜8のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
(付記10) 前記分離膜の第2の面上に多孔質膜をさらに備えることを特徴とする付記7〜9のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
(付記11) 前記生成ガス排出部は、前記分離膜の第2の面側に当該燃料電池の外部に開口してなる生成ガス排出孔をさらに備えることを特徴とする付記1〜10のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
(付記12) 前記生成ガス排出孔は、当該燃料電池の側面に形成されてなることを特徴とする付記11記載の燃料電池。
(付記13) 前記燃料ガス供給部の周囲に複数の生成ガス排出部を配置してなることを特徴とする付記1〜12のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
(付記14) 前記複数の生成ガス排出部の各々の第2のガス拡散層が互いに接続されていることを特徴とする付記13記載の燃料電池。
(付記15) 酸化剤ガスが供給される酸化剤極と、燃料ガスが供給される燃料極と、該酸化剤極と燃料極とに狭持された固体電解質層と、からなる発電部と、
前記燃料ガスを燃料極の表面に拡散させる第1のガス拡散層と、からなる燃料ガス供給部とを有する複数の燃料電池セルと;
液体燃料を貯蔵する液体燃料貯蔵部と;
前記発電部の発電反応により燃料極で生成される生成ガスを排出する生成ガス排出部と;を備え、
前記複数の燃料電池セルは、液体燃料貯蔵部の少なくとも一面に第1の方向に沿って配設され、
前記生成ガス排出部は、
各々の燃料電池セルの前記第1の方向と直交する第2の方向の少なくとも一側部に配置され、
前記第1のガス拡散層の側縁に接続する第2のガス拡散層と、
前記第2のガス拡散層に対向する第1の面と、該第1の面とは反対側に、当該燃料電池の外部に露出する第2の面を有する分離膜からなり、
前記分離膜が、燃料ガスに対して生成ガスを選択的に透過することを特徴とする燃料電池。
(付記16) 前記生成ガス排出部は、前記分離膜の第2の面側に生成ガス排出孔をさらに備え、
前記生成ガス排出孔は、当該燃料電池の側面に開口してなることを特徴とする付記15記載の燃料電池。
In addition, the following additional notes are disclosed regarding the above description.
(Appendix 1) An oxidant electrode to which an oxidant gas is supplied;
A fuel electrode to which fuel gas is supplied; and
A power generation unit comprising a solid electrolyte layer sandwiched between the oxidant electrode and the fuel electrode;
A fuel gas supply unit comprising: a first gas diffusion layer for diffusing the fuel gas on the surface of the fuel electrode;
A product gas discharge unit for discharging the generated gas generated at the fuel electrode by the power generation reaction of the power generation unit,
The product gas discharge unit
A second gas diffusion layer connected to a side edge of the first gas diffusion layer;
A separation membrane having a first surface facing the second gas diffusion layer and a second surface exposed to the outside of the fuel cell on the opposite side of the first surface;
The fuel cell, wherein the separation membrane selectively transmits the generated gas with respect to the fuel gas.
(Supplementary Note 2) The fuel gas supply unit
A liquid fuel storage unit for storing liquid fuel;
The fuel cell according to claim 1, further comprising a vaporization film that converts the liquid fuel supplied from the liquid fuel storage unit into fuel gas and supplies the fuel gas to the first gas diffusion layer.
(Supplementary Note 3) The second gas diffusion layer is disposed substantially on the same surface as the first gas diffusion layer, and the separation membrane is disposed over substantially the entire surface of the second gas diffusion layer. The fuel cell according to Supplementary Note 1 or 2, which is characterized.
(Supplementary note 4) The fuel cell according to any one of Supplementary notes 1 to 3, wherein the second gas diffusion layer is made of the same material as the first gas diffusion layer.
(Additional remark 5) The said 2nd gas diffusion layer is integrated with the 1st gas diffusion layer, The fuel cell of Additional remark 4 characterized by the above-mentioned.
(Appendix 6) The second gas diffusion layer is made of any one of a group consisting of porous ceramics, carbon paper, carbon fiber nonwoven fabric, porous fluororesin, and porous polypropylene. The fuel cell according to any one of supplementary notes 1 to 5.
(Additional remark 7) The said separation membrane consists of rubber-like or glassy polymer, The fuel cell as described in any one of Additional remarks 1-6 characterized by the above-mentioned.
(Supplementary note 8) The fuel cell according to any one of supplementary notes 1 to 7, wherein the separation membrane has a separation factor of the produced gas with respect to the fuel gas of 4 or more.
(Additional remark 9) The said separation membrane itself is formed in uneven | corrugated shape along the thickness direction, The fuel cell as described in any one of Additional remarks 1-8 characterized by the above-mentioned.
(Supplementary note 10) The fuel cell according to any one of supplementary notes 7 to 9, further comprising a porous membrane on the second surface of the separation membrane.
(Additional remark 11) The said generated gas discharge part is further equipped with the generated gas discharge hole opened to the exterior of the said fuel cell in the 2nd surface side of the said separation membrane, Of additional remarks 1-10 characterized by the above-mentioned. The fuel cell according to any one of claims.
(Additional remark 12) The said production gas discharge hole is formed in the side surface of the said fuel cell, The fuel cell of Additional remark 11 characterized by the above-mentioned.
(Supplementary note 13) The fuel cell according to any one of supplementary notes 1 to 12, wherein a plurality of generated gas discharge portions are arranged around the fuel gas supply portion.
(Supplementary note 14) The fuel cell according to supplementary note 13, wherein the second gas diffusion layers of each of the plurality of product gas discharge portions are connected to each other.
(Supplementary Note 15) A power generation unit including an oxidant electrode to which an oxidant gas is supplied, a fuel electrode to which fuel gas is supplied, and a solid electrolyte layer sandwiched between the oxidant electrode and the fuel electrode,
A plurality of fuel cells having a fuel gas supply section comprising a first gas diffusion layer for diffusing the fuel gas on the surface of the fuel electrode;
A liquid fuel storage unit for storing liquid fuel;
A product gas discharge unit that discharges a product gas generated at the fuel electrode by a power generation reaction of the power generation unit;
The plurality of fuel cells are disposed along a first direction on at least one surface of the liquid fuel storage unit,
The product gas discharge unit
Arranged on at least one side of a second direction orthogonal to the first direction of each fuel cell;
A second gas diffusion layer connected to a side edge of the first gas diffusion layer;
A separation membrane having a first surface facing the second gas diffusion layer and a second surface exposed to the outside of the fuel cell on the opposite side of the first surface;
The fuel cell, wherein the separation membrane selectively permeates the generated gas with respect to the fuel gas.
(Supplementary Note 16) The product gas discharge part further includes a product gas discharge hole on the second surface side of the separation membrane,
16. The fuel cell according to appendix 15, wherein the generated gas discharge hole is formed in a side surface of the fuel cell.
10、70、80 燃料電池
20 発電部
21 空気極
22 固体電解質層
23 燃料極
24a 空気極集電体
24b 燃料極集電体
30 空気供給部
31 空気極側筐体
31a 酸素供給口
32 空気極ガス拡散層
40 燃料供給部
41 燃料極側筐体
41b 燃料極側筐体の側面
42 燃料貯蔵部
43 燃料気化膜
44 燃料ガス拡散層
50、50a1〜50a3、50b1〜50b3 生成ガス排出部
51 生成ガス拡散層
52 ガス分離膜
53、53a 生成ガス排出孔
71 圧力印加部
73 燃料気化膜(非多孔質膜)
81、81a1〜81a3、81b1〜81b3 燃料電池セル
10, 70, 80
81,
Claims (5)
燃料ガスが供給される燃料極と、
前記酸化剤極と燃料極とに狭持された固体電解質層と、からなる発電部と;
前記燃料ガスを燃料極の表面に拡散させる第1のガス拡散層と、からなる燃料ガス供給部と;
前記発電部の発電反応により燃料極で生成される生成ガスを排出する生成ガス排出部と;を備え、
前記生成ガス排出部は、
前記第1のガス拡散層の側縁に接続する第2のガス拡散層と、
前記第2のガス拡散層に対向する第1の面と、該第1の面とは反対側に、当該燃料電池の外部に露出する第2の面を有する分離膜からなり、
前記分離膜が、燃料ガスに対して生成ガスを選択的に透過することを特徴とする燃料電池。 An oxidant electrode to which an oxidant gas is supplied;
A fuel electrode to which fuel gas is supplied; and
A power generation unit comprising a solid electrolyte layer sandwiched between the oxidant electrode and the fuel electrode;
A fuel gas supply unit comprising: a first gas diffusion layer for diffusing the fuel gas on the surface of the fuel electrode;
A product gas discharge unit that discharges a product gas generated at the fuel electrode by a power generation reaction of the power generation unit;
The product gas discharge unit
A second gas diffusion layer connected to a side edge of the first gas diffusion layer;
A separation membrane having a first surface facing the second gas diffusion layer and a second surface exposed to the outside of the fuel cell on the opposite side of the first surface;
The fuel cell, wherein the separation membrane selectively transmits the generated gas with respect to the fuel gas.
前記燃料ガスを燃料極の表面に拡散させる第1のガス拡散層と、からなる燃料ガス供給部とを有する複数の燃料電池セルと;
液体燃料を貯蔵する液体燃料貯蔵部と;
前記発電部の発電反応により燃料極で生成される生成ガスを排出する生成ガス排出部と;を備え、
前記複数の燃料電池セルは、液体燃料貯蔵部の少なくとも一面に第1の方向に沿って配設され、
前記生成ガス排出部は、
各々の燃料電池セルの前記第1の方向と直交する第2の方向の少なくとも一側部に配置され、
前記第1のガス拡散層の側縁に接続する第2のガス拡散層と、
前記第2のガス拡散層に対向する第1の面と、該第1の面とは反対側に、当該燃料電池の外部に露出する第2の面を有する分離膜からなり、
前記分離膜が、燃料ガスに対して生成ガスを選択的に透過することを特徴とする燃料電池。
A power generation unit including an oxidant electrode to which an oxidant gas is supplied, a fuel electrode to which a fuel gas is supplied, and a solid electrolyte layer sandwiched between the oxidant electrode and the fuel electrode;
A plurality of fuel cells having a fuel gas supply section comprising a first gas diffusion layer for diffusing the fuel gas on the surface of the fuel electrode;
A liquid fuel storage unit for storing liquid fuel;
A product gas discharge unit that discharges a product gas generated at the fuel electrode by a power generation reaction of the power generation unit;
The plurality of fuel cells are disposed along a first direction on at least one surface of the liquid fuel storage unit,
The product gas discharge unit
Arranged on at least one side of a second direction orthogonal to the first direction of each fuel cell;
A second gas diffusion layer connected to a side edge of the first gas diffusion layer;
A separation membrane having a first surface facing the second gas diffusion layer and a second surface exposed to the outside of the fuel cell on the opposite side of the first surface;
The fuel cell, wherein the separation membrane selectively transmits the generated gas with respect to the fuel gas.
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