JP2006164832A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質膜を介して燃料電極と酸素電極とが対向配置された燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell in which a fuel electrode and an oxygen electrode are arranged to face each other through an electrolyte membrane.
近年、携帯電子機器の小型軽量化に伴い容量の更なる向上が求められている。現在広く使用されているニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池では、エネルギー密度は理論限界を迎えつつあるので、高エネルギー密度を発現する新規な発電デバイスの実用化が強く望まれている。 In recent years, with the reduction in size and weight of portable electronic devices, further improvement in capacity has been demanded. In nickel hydride secondary batteries and lithium ion secondary batteries that are widely used at present, the energy density is approaching the theoretical limit, and therefore, it is strongly desired to put into practical use a new power generation device that exhibits a high energy density.
このような新規発電デバイスとしては、水素イオンを利用した高分子電解質型燃料電池が注目されている。高分子電解質型燃料電池は、水素イオンの供給方式により数種類に分類され、そのうち、近年ではメタノールを直接酸化するダイレクトメタノール型燃料電池に関する研究開発が精力的に検討されるようになっている。燃料の取扱い性と高エネルギー密度化との両立が比較的容易だからである。 As such a new power generation device, a polymer electrolyte fuel cell using hydrogen ions has attracted attention. Polymer electrolyte fuel cells are classified into several types according to the supply system of hydrogen ions. Among them, in recent years, research and development on direct methanol fuel cells that directly oxidize methanol have been energetically studied. This is because it is relatively easy to handle both fuel handling and high energy density.
一方、従来のダイレクトメタノール型燃料電池では、出力特性が不安定化しやすいことが問題であった。そこで、出力特性を安定化させる方法として、燃料電池の構成部材あるいは内部構成に関する工夫が種々提案されている。例えば、特許文献1には、燃料タンクからの燃料の漏出を防ぐための封止に関する工夫が開示されている。また、特許文献2には、単独セルを直列接続する方法や燃料漏れ対策等の工夫が開示されている。更に、特許文献3には、燃料電池内での燃料濃度調整を可能とするシステムが開示されている。
ところで、燃料電池の出力特性を安定化させるには、発電反応を司る触媒反応の高効率化が重要であると考えられる。特に、燃料物質が燃料電極における触媒表面に連続的に拡散供給されることが必要不可欠である。しかしながら、ダイレクトメタノール型燃料電池では、触媒表面において液体燃料が水素イオンに変換される反応と並行して、二酸化炭素が副生成する反応も進行し、この二酸化炭素が触媒と液体燃料との接触界面に滞在するので、燃料の連続的な拡散供給が阻害されてしまうという問題があった。 By the way, in order to stabilize the output characteristics of the fuel cell, it is considered important to increase the efficiency of the catalytic reaction that controls the power generation reaction. In particular, it is indispensable that the fuel material is continuously diffused and supplied to the catalyst surface of the fuel electrode. However, in a direct methanol fuel cell, a reaction in which carbon dioxide is by-produced also proceeds in parallel with a reaction in which liquid fuel is converted to hydrogen ions on the catalyst surface, and this carbon dioxide is a contact interface between the catalyst and liquid fuel. As a result, there is a problem that the continuous supply of fuel is hindered.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、副生成する二酸化炭素などによる燃料の連続的な拡散供給の阻害を抑制し、出力特性を向上させることができる燃料電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell capable of suppressing the inhibition of continuous diffusion supply of fuel due to by-produced carbon dioxide and the like and improving the output characteristics. There is to do.
本発明による燃料電池は、電解質膜を介して燃料電極と酸素電極とが対向配置された発電部を有し、燃料電極の表面に直交する直交線と、重力方向とのなす角度は、30°以上90°以下の範囲内にあるものである。 The fuel cell according to the present invention has a power generation unit in which a fuel electrode and an oxygen electrode are arranged to face each other through an electrolyte membrane, and an angle formed between an orthogonal line perpendicular to the surface of the fuel electrode and the direction of gravity is 30 °. It is within the range of 90 ° or less.
本発明による燃料電池によれば、燃料電極の表面に直交する直交線と、重力方向とのなす角度を、30°以上90°以下の範囲内となるようにしたので、副生成する二酸化炭素などによる燃料の連続的な拡散供給の阻害を抑制することができ、出力特性を向上させることができる。 According to the fuel cell of the present invention, the angle formed by the orthogonal line orthogonal to the surface of the fuel electrode and the direction of gravity is within the range of 30 ° or more and 90 ° or less. Inhibition of continuous diffusion and supply of fuel due to fuel can be suppressed, and output characteristics can be improved.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
(第1の実施の形態)
図1は本発明の一実施の形態に係る燃料電池の構成を表すものである。この燃料電池は、エネルギーを発電可能な発電部10と、必要に応じてこれを支持する支持部材20とを有している。
(First embodiment)
FIG. 1 shows the configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. The fuel cell includes a
図2は、図1に示した燃料電池のI−I線に沿った断面構造を表すものである。発電部10は、電解質膜11を介して対向配置された燃料電極12と酸素電極13とを有している。また、燃料電極12に隣接して燃料室14が設けられると共に、酸素電極13に隣接して酸素室15が設けられている。燃料室14は、例えば、液体燃料を密閉することができるようになっており、液体燃料が自然対流により燃料電極12に供給されるようになっている。また、燃料室14には、例えば、図示しない燃料供給口が設けられており、発電時には閉口されるようになっている。更に、酸素室15には、外部と連通するように流通孔15Aが設けられており、この流通孔15Aから自然換気により空気すなわち酸素を酸素電極13に供給するようになっている。燃料室14と酸素室15とは、例えば螺子16により固定されている。
FIG. 2 shows a cross-sectional structure taken along line II of the fuel cell shown in FIG. The
発電部10は、その表面温度の最高値を、発電時において、10℃以上80℃以下の範囲内に制御するための図示しない制御手段を備えていてもよい。最高値をこの範囲内にすれば、高い出力特性が得られるからである。このような制御手段としては、電動ファンなどの機械的な冷却装置、あるいは放熱用の熱伝導率に優れた板を配する装置などがある。
The
電解質膜11は、例えば、プロトン伝導体により構成されている。プロトン伝導体としては、イオン伝導性を有していればよく、例えばパーフルオロスルホン酸重合体,ポリベンゾイミダゾール,ポリイミド,ポリエーテルエーテルケトン,ポリフェニレンスルファイド,ポリスチレン,フラーレンにスルホン酸基を導入したもの,あるいはこれらを基本骨格に含む誘導体が挙げられる。また、常温溶融塩を担持体に担持させたものも挙げられる。
The
電解質膜11の厚みは、5μm以上200μm以下の範囲内にあることが好ましい。これより薄いと、クロスオーバー現象により出力特性が低下してしまい、これより厚いと、触媒と液体燃料との反応の際に抵抗が増大して出力特性が低下してしまうからである。
The thickness of the
燃料電極12は、集電体12Aに触媒層12Bが形成された構成を有している。集電体12Aとしては、耐食性が高く、電気伝導性を示す材料を用いることができ、例えば、ニッケル(Ni),ステンレス鋼,金(Au),白金(Pt)あるいは銀(Ag)貴金属よりなるエキスパンドメタル、または炭素繊維が挙げられる。
The
図3は、その触媒層12Bの一部を拡大して模式的に表したものである。触媒層12Bは、例えば、導電助剤12Cと、これを集電体12Aに結着させるバインダー12Dとを含んで構成されており、導電助剤12Cの表面には、図4に示したように触媒12Eが担持されている。
FIG. 3 schematically shows an enlarged part of the
導電助剤12Cとしては、活性炭あるいはカーボンブラックなどの表面積が大きなものが好ましい。高い出力特性が得られるからである。 As the conductive auxiliary agent 12C, one having a large surface area such as activated carbon or carbon black is preferable. This is because high output characteristics can be obtained.
バインダー12Dとしては、プロトン伝導性を有していればよく、例えば、パーフルオロスルホン酸重合体などのスルホン酸基を有する高分子化合物が挙げられる。
The
バインダー12Dの含有量は、導電助剤12Cとバインダー12Dと触媒12Eとの合計に対して、5質量%以上80質量%以下の範囲内にあることが好ましい。この範囲内で高い出力特性を得ることができるからである。
The content of the
触媒12Eとしては、液体燃料に対して触媒活性を有するものであれば特に限定はされないが、白金あるいはルテニウム(Ru)が好ましい。触媒被毒を緩和することができるからである。触媒12Eとしてルテニウムを用いる場合には、全触媒に対して5質量%以上60質量%以下の範囲内で含まれていることが好ましい。また、触媒12Eとして白金を用いる場合には、0.5mg・cm-2以上10mg・cm-2以下の範囲内で触媒層12Bに担持されていることが好ましい。これらの範囲内で高い出力特性を得ることができるからである。
The catalyst 12E is not particularly limited as long as it has catalytic activity for liquid fuel, but platinum or ruthenium (Ru) is preferable. This is because catalyst poisoning can be mitigated. When ruthenium is used as the catalyst 12E, it is preferably contained in the range of 5% by mass or more and 60% by mass or less with respect to the total catalyst. When platinum is used as the catalyst 12E, it is preferably supported on the
触媒12Eの直径は、小さいほど好ましく、具体的には数nm程度のものが好ましい。使用量を抑制しつつ、十分な反応量が得られるからである。 The diameter of the catalyst 12E is preferably as small as possible, and specifically, about 1 nm is preferable. This is because a sufficient reaction amount can be obtained while suppressing the amount used.
燃料電極12の表面に直交する直交線Tと、重力とのなす角度は、30°以上90°以下の範囲内にあることが好ましい。副生成する二酸化炭素などによる燃料の連続的な拡散供給の阻害を抑制することができ、出力特性を向上させることができるからである。但し、燃料室14が燃料電極12に対して重力方向側に位置している方が好ましい。高い効果が得られるからである。
The angle formed by the orthogonal line T orthogonal to the surface of the
燃料電極12の表面に直交する直交線Tとは、具体的には、図5に示したように、触媒層12Bに、平滑かつ反りのない金属板を押しつけた際に得られる平面に直交する線をいう。また、重力方向とは、測定点から地球の真中心に向かう方向をいう。
Specifically, the orthogonal line T orthogonal to the surface of the
なお、このような角度は、支持部材20の態様を適宜変化させることにより、制御することができる。
Such an angle can be controlled by appropriately changing the mode of the
燃料電極12に供給される燃料としては、例えば、メタノール,エタノールあるいはジメチルエーテルなどの有機物質、またはこれらを純水で希釈した溶液が挙げられる。有機物質を純水で希釈した場合には、有機物質の濃度は、5質量%以上60質量%以下の範囲内にあることが好ましい。低いと物質拡散律速による分極増大が大きくなり、出力特性が低下してしまい、高いとクロスオーバー現象による電圧低下により出力が低下してしまうからである。
Examples of the fuel supplied to the
酸素電極13は、例えば、燃料電極12と同様に、集電体13Aに触媒層13Bが形成された構成を有している。触媒層13Bは、触媒層12Bと同様に、触媒を担持させた導電助剤と、これを集電体に結着させるバインダーとを含んで構成されている。集電体13A、触媒層13Bに用いられる触媒,導電助剤およびバインダーとしては、燃料電極12に用いる材料と同様のものを挙げることができる。
The
燃料室14を構成する材質は、液体燃料に対して耐食性を有するものであれば好ましく、例えば、テトラフルオロエチレン,ポリカーボネートあるいはアクリルなどの高分子化合物、またはステンレスあるいはアルミニウムなどの金属、または硝子が挙げられる。
The material constituting the
酸素室15を構成する材質は、例えば燃料室14を構成する材質と同様である。
The material constituting the
この燃料電池は、例えば、次のようにして製造することができる。 This fuel cell can be manufactured, for example, as follows.
まず、例えば、触媒12Eを担持させた導電助剤12Cと、バインダー12Dと、水とを混合してスラリー状とし、これを集電体12Aに塗布したのち、自然乾燥して燃料電極12を作製する。
First, for example, the conductive assistant 12C carrying the catalyst 12E, the
また、燃料電極12と同様にして、触媒を担持させた導電助剤と、バインダーと、水とを混合してスラリー状とし、これを集電体13Aに塗布したのち、自然乾燥して酸素電極13を作製する。
In the same manner as the
次に、燃料電極12と、電解質膜11と、酸素電極13とをこの順に積層して積層体とし、これを例えば金属製の平板により挟みこみ、加熱加圧することにより、燃料電極12および酸素電極13と、電解質膜11とを界面接合させる。その際、加熱温度は、100℃以上180℃以下の範囲内であることが好ましい。低いと十分な接合強度が得られず、高いと電解質膜11が熱分解してしまうからである。
Next, the
続いて、積層体の燃料電極12側に隣接するように燃料室14を取り付けると共に、酸素電極13側に隣接するように酸素室15を取り付け、これらを例えば、螺子16により固定する。そののち、支持部材20により、直交線Tと、重力とのなす角度とを調整する。これにより図1に示した燃料電池が完成する。
Subsequently, the
この燃料電池では、燃料電極12に燃料が供給され、反応により水素イオンと電子とを生成する。水素イオンは電解質膜11を通って酸素電極13に移動し、電子および酸素と反応して水を生成する。その際、二酸化炭素が副生成するが、直交線Tと、重力とのなす角度が、30°以上90°以下の範囲内であるので、二酸化炭素が触媒と液体燃料との接触界面に滞在することが防止され、液体燃料が連続的に拡散供給される。
In this fuel cell, fuel is supplied to the
このように本実施の形態によれば、燃料電極12の表面に直交する直交線Tと、重力方向とのなす角度を、30°以上90°以下の範囲内となるようにしたので、副生成する二酸化炭素などによる燃料の連続的な拡散供給の阻害を抑制することができ、出力特性を向上させることができる。
As described above, according to the present embodiment, the angle formed between the orthogonal line T orthogonal to the surface of the
(第2の実施の形態)
図6は、本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池の構成を表すものである。この燃料電池は、エネルギーを発電可能な発電部30と、これを支持する支持部材40とを有している。
(Second Embodiment)
FIG. 6 shows the configuration of a fuel cell according to the second embodiment of the present invention. The fuel cell includes a
発電部30は、電解質膜31を介して対向配置された燃料電極32と酸素電極33とを有している。燃料電極32は、集電体32Aに触媒層32Bが形成された構成を有している。集電体32Aには、燃料の流路32Cが設けられており、この流路32Cは図示しない燃料供給部に連結され、例えばポンプにより連続的に燃料が供給されるようになっている。酸素電極33は、集電体33Aに触媒層33Bが形成された構成を有している。集電体33Aには、流路33Cが設けられており、この流路33Cは外部と連通され、自然換気により空気すなわち酸素が供給されるようになっている。電解質膜31,集電体32A,33A,触媒層32B,33Bの構成は、上述した電解質膜11,集電体12A,13A,触媒層12B,13Bと同様である。
The
この燃料電池は、例えば、次のようにして製造することができる。 This fuel cell can be manufactured, for example, as follows.
まず、触媒層32Bと、電解質膜31と、触媒層33Bとをこの順に積層して界面接合することにより積層体とする。続いて、この積層体の触媒層32B側に隣接するように集電体32Aを取り付けると共に、触媒層33B側に隣接するように集電体33Aを取り付ける。そののち、支持部材40により、直交線Tと、重力とのなす角度とを調整する。これにより図6に示した燃料電池が完成する。
First, the
この燃料電池は、第1の実施の形態の燃料電池と同一の作用および効果を有する。 This fuel cell has the same operation and effect as the fuel cell of the first embodiment.
更に、本発明の具体的な実施例について説明する。 Furthermore, specific examples of the present invention will be described.
(実施例1−1〜1−7,2−1〜2−7,3−1〜3−7)
図1に示した燃料電池を作製した。まず、導電助剤12Cであるカーボンに触媒12Eである白金およびルテニウムの金属微粉を担持させたものと、バインダー12Dであるパーフルオロスルホン酸高分子を希釈した溶液(ナフィオン、デュポン株式会社)とを混合してスラリー状とし、これを集電体12Aである炭素繊維に塗布したのち、24時間自然乾燥して燃料電極12を作製した。その際、ルテニウムは、触媒全体に対して50質量%となるようにした。また、白金の担持量は3. 0mg・cm-2とした。更に、パーフルオロスルホン酸高分子の量は、導電助剤12Cとバインダー12Dと触媒12Eとの合計に対して、60質量%とした。
(Examples 1-1 to 1-7, 2-1 to 2-7, 3-1 to 3-7)
The fuel cell shown in FIG. 1 was produced. First, carbon in which the conductive auxiliary agent 12C is supported with platinum and ruthenium metal fine powders that are the catalyst 12E, and a solution (Nafion, DuPont) in which the perfluorosulfonic acid polymer that is the
また、導電助剤であるカーボンに、触媒である白金を担持させたものと、バインダーであるパーフルオロスルホン酸高分子を希釈した溶液とを混合してスラリー状とし、これを集電体13Aである炭素繊維に塗布したのち、24時間自然乾燥して酸素電極13を作製した。酸素電極13における白金の担持量は、60質量%とした。
In addition, a catalyst in which platinum as a catalyst is supported on carbon as a conductive auxiliary agent and a solution in which a perfluorosulfonic acid polymer as a binder is diluted are mixed to form a slurry, and this is collected by a
次に、電解質膜11としてパーフルオロスルホン酸高分子(ナフィオン、デュポン株式会社)を用意し、燃料電極12、電解質膜11と、酸素電極13とをこの順に積層して積層体とし、これを金属製の平板により挟みこみ、加熱加圧してこれらの界面を接合した。その際、燃料電極12および酸素電極13は、縦横が2. 5cmの直方体とし、電解質膜11は、縦横が3cmの直方体として用いた。続いて、積層体の燃料電極12側に隣接するように液体燃料5.5mlを注入した燃料室14を取り付けると共に、酸素電極13側に隣接するように酸素室15を取り付け、これらを螺子16により固定して発電部10を作製した。液体燃料は、メタノールを純水で希釈したメタノール溶液とし、メタノールの濃度は20質量%とした。
Next, a perfluorosulfonic acid polymer (Nafion, DuPont Co., Ltd.) is prepared as the
続いて、この発電部10を支持部材20で支持することにより、燃料電池を作製した。その際、図7に示したように、支持部材20を適宜調整することにより、直交線Tと、重力方向とのなす角度を30°以上90°以下の範囲内で変化させた。また、燃料室14が燃料電極12に対して重力方向側に位置するようにした。
Subsequently, the
実施例1−1〜1−7,2−1〜2−7,3−1〜3−7に対する比較例1−1〜1−3,2−1〜2−3,3−1〜3−3として、直交線Tと、重力方向とのなす角度を20°,10°または0°としたことを除き、他は実施例1−1〜1−7,2−1〜2−7,3−1〜3−7と同様にして燃料電池を作製した。 Comparative Examples 1-1 to 1-3, 2-1 to 2-3, 3-1 to 3-3- for Examples 1-1 to 1-7, 2-1 to 2-7, and 3-1 to 3-7 3 except that the angle between the orthogonal line T and the direction of gravity is 20 °, 10 °, or 0 °, and the other examples 1-1 to 1-7, 2-1 to 2-7, 3 Fuel cells were produced in the same manner as in -1 to 3-7.
実施例1−1〜1−7,2−1〜2−7,3−1〜3−7および比較例1−1〜1−3,2−1〜2−3,3−1〜3−3について、出力特性を調べた。それらの結果を表1〜3に示す。なお、出力特性は、次のようにして調べた。 Examples 1-1 to 1-7, 2-1 to 2-7, 3-1 to 3-7 and Comparative Examples 1-1 to 1-3, 2-1 to 2-3, 3-1 to 3- Regarding 3, the output characteristics were examined. The results are shown in Tables 1-3. The output characteristics were examined as follows.
まず、電流密度を50mA・cm-2、100mA・cm-2または200mA・cm-2として連続発電試験を行い、端子間電圧が0Vに達した時点で終了し、定電流法に基づく総発電量を求めた。また、発電中は、発電部10の周囲の温度が約10℃〜80℃の範囲内になるように制御し、酸素電極13の所定の位置における最高温度が30℃になるようにした。出力特性は、直交線Tと、重力方向とのなす角度が90°の場合の総発電量を100としたときの、総発電量の相対比率とした。
First, a continuous power generation test was conducted with a current density of 50 mA · cm −2 , 100 mA · cm −2 or 200 mA · cm −2 , and when the voltage between terminals reached 0 V, the total power generation based on the constant current method was completed. Asked. During power generation, the temperature around the
表1〜3から分かるように、直交線Tと、重力方向とのなす角度が90°より小さくなるにつれて総発電量の相対比率は徐々に低下したが、30°未満から急激に低下した。 As can be seen from Tables 1 to 3, the relative ratio of the total power generation gradually decreased as the angle formed between the orthogonal line T and the direction of gravity became smaller than 90 °, but rapidly decreased from less than 30 °.
すなわち、燃料電極12の表面に直交する直交線Tと、重力方向とのなす角度は、30°以上90°以下の範囲内が好ましいことが分かった。
That is, it was found that the angle formed between the orthogonal line T orthogonal to the surface of the
(実施例4−1〜4−6)
図8に示したように、燃料室14が燃料電極12に対して重力反対側方向に位置するようにして、直交線Tと、重力方向とのなす角度を30°以上90°未満の範囲内で変化させたことを除き、他は実施例1−1〜1−7と同様にして燃料電池を作製した。
(Examples 4-1 to 4-6)
As shown in FIG. 8, the angle formed between the orthogonal line T and the direction of gravity is within the range of 30 ° or more and less than 90 ° so that the
実施例4−1〜4−6に対する比較例4−1〜4−3として、直交線Tと、重力方向とのなす角度を20°,10°または0°としたことを除き、他は実施例4−1〜4−6と同様にして燃料電池を作製した。 As Comparative Examples 4-1 to 4-3 with respect to Examples 4-1 to 4-6, except that the angle formed by the orthogonal line T and the direction of gravity is set to 20 °, 10 °, or 0 °, the others are implemented. Fuel cells were fabricated in the same manner as in Examples 4-1 to 4-6.
実施例4−1〜4−6および比較例4−1〜4−3について、実施例1−1〜1−7と同様にして出力特性を調べた。それらの結果を表4に示す。なお、出力特性は、実施例1−1の総発電量を100としたときの、総発電量の相対比率とした。 The output characteristics of Examples 4-1 to 4-6 and Comparative Examples 4-1 to 4-3 were examined in the same manner as in Examples 1-1 to 1-7. The results are shown in Table 4. In addition, the output characteristic was made into the relative ratio of the total power generation amount when the total power generation amount of Example 1-1 was set to 100.
表4から分かるように、実施例1−1〜1−7と同様の結果が得られた。但し、燃料室14が燃料電極12に対して重力方向側に位置するようにした方が、高い出力特性が得られた。
As can be seen from Table 4, the same results as in Examples 1-1 to 1-7 were obtained. However, higher output characteristics were obtained when the
(実施例5−1〜5−3)
触媒12Eにおけるルテニウムの含有量を、5質量%、40質量%、または60質量%として燃料電極12を作製したことを除き、他は実施例2−7と同様にして燃料電池を作製した。得られた実施例5−1〜5−3の燃料電池について、実施例2−1〜2−7と同様にして出力特性を調べた。それらの結果を表5に示す。なお、出力特性は、実施例2−1の総発電量を100としたときの、総発電量の相対比率とした。
(Examples 5-1 to 5-3)
A fuel cell was fabricated in the same manner as in Example 2-7, except that the
表5から分かるように、触媒12Eにおけるルテニウムの含有量が5質量%以上60質量%以下の範囲で高い総発電量比が得られ、40質量%付近に極大点が観測された。 As can be seen from Table 5, a high total power generation ratio was obtained when the ruthenium content in the catalyst 12E was in the range of 5 mass% to 60 mass%, and a maximum point was observed in the vicinity of 40 mass%.
すなわち、触媒12Eにおけるルテニウムの含有量は5質量%以上60質量%以下の範囲であることが好ましいことが分かった。 That is, it was found that the content of ruthenium in the catalyst 12E is preferably in the range of 5% by mass to 60% by mass.
(実施例6−1〜6−5)
触媒12Eである白金の担持量を表6に示したように0. 5mg・cm-2以上10mg・cm-2以下の範囲内で変化させて燃料電極12を作製したことを除き、他は実施例2−7と同様にして燃料電池を作製した。得られた実施例6−1〜6−5の燃料電池について、実施例2−1〜2−7と同様にして出力特性を調べた。それらの結果を表6に示す。なお、出力特性は、実施例2−1の総発電量を100としたときの、総発電量の相対比率とした。
(Examples 6-1 to 6-5)
The amount of supported platinum is a catalyst 12E except that to produce a
表6から分かるように、白金の担持量は0. 5mg・cm-2以上10mg・cm-2以下の範囲内で高い総発電量比が得られ、4. 0mg・cm-2付近に極大点が観測された。 As can be seen from Table 6, the amount of supported platinum is high total power generation ratio in the range of less than 0. 5 mg · cm -2 or more 10 mg · cm -2 was obtained, 4. 0mg · cm -2 maximum point in the vicinity of Was observed.
すなわち、触媒層12Bにおける白金の担持量は0. 5mg・cm-2以上10mg・cm-2以下の範囲内であることが好ましいことが分かった。
That is, the amount of supported platinum in the
(実施例7−1〜7−4)
バインダー12Cであるパーフルオロスルホン酸高分子の量を、表7に示したように導電助剤12Cとバインダー12Dと触媒12Eとの合計に対して、5質量%以上80質量%以下の範囲内で変化させて燃料電極12を作製したことを除き、他は実施例2−7と同様にして燃料電池を作製した。得られた実施例7−1〜7−4の燃料電池について、実施例2−1〜2−7と同様にして出力特性を調べた。それらの結果を表7に示す。なお、出力特性は、実施例2−1の総発電量を100としたときの、総発電量の相対比率とした。
(Examples 7-1 to 7-4)
As shown in Table 7, the amount of the perfluorosulfonic acid polymer as the binder 12C is within the range of 5% by mass to 80% by mass with respect to the total of the conductive auxiliary agent 12C, the
表7から分かるように、パーフルオロスルホン酸高分子の量が5質量%以上80質量%以下の範囲内で高い総発電量比が得られ、60質量%付近に極大点が観測された。 As can be seen from Table 7, a high total power generation ratio was obtained when the amount of perfluorosulfonic acid polymer was in the range of 5% by mass to 80% by mass, and a maximum point was observed in the vicinity of 60% by mass.
すなわち、燃料電極12におけるバインダー12Cの量は、導電助剤12Cとバインダー12Dと触媒12Eとの合計に対して5質量%以上80質量%以下の範囲内であることが好ましいことが分かった。
That is, it was found that the amount of the binder 12C in the
(実施例8−1〜8−5)
メタノールの濃度を5質量%以上60質量以下の範囲内で変化させたことを除き、他は実施例2−7と同様にして燃料電池を作製した。得られた実施例8−1〜8−5の燃料電池について、実施例2−1〜2−7と同様にして出力特性を調べた。それらの結果を表8に示す。なお、出力特性は、実施例2−1の総発電量を100としたときの総発電量の相対比率とした。
(Examples 8-1 to 8-5)
A fuel cell was fabricated in the same manner as in Example 2-7, except that the concentration of methanol was changed within the range of 5% by mass to 60% by mass. For the obtained fuel cells of Examples 8-1 to 8-5, the output characteristics were examined in the same manner as in Examples 2-1 to 2-7. The results are shown in Table 8. In addition, the output characteristic was made into the relative ratio of the total electric power generation amount when the total electric power generation amount of Example 2-1 was set to 100.
表8から分かるように、メタノールの濃度が5質量%以上60質量以下の範囲内で高い総発電量比が得られ、20質量%付近に極大点が観測された。 As can be seen from Table 8, a high total power generation ratio was obtained when the concentration of methanol was in the range of 5 mass% to 60 mass%, and a maximum point was observed in the vicinity of 20 mass%.
すなわち、液体燃料における有機物質の濃度は、5質量%以上60質量以下の範囲内であることが好ましいことが分かった。 That is, it was found that the concentration of the organic substance in the liquid fuel is preferably in the range of 5% by mass to 60% by mass.
(実施例9−1〜9−4)
実施例2−7で作製した燃料電池について、出力特性を調べる際に、酸素電極13の所定の位置における最高温度が表9に示したように10℃以上80℃以下の範囲内になるように温度環境を変化させた。このときの総発電量の相対比率を表9に示す。なお、出力特性は、実施例2−1の総発電量を100としたときの、総発電量の相対比率とした。
(Examples 9-1 to 9-4)
When examining the output characteristics of the fuel cell produced in Example 2-7, the maximum temperature at a predetermined position of the
表9から分かるように、最高温度が10℃以上80℃以下の範囲内にある場合に、高い総発電量比が得られ、60℃付近に極大点が観測された。 As can be seen from Table 9, when the maximum temperature was in the range of 10 ° C. or more and 80 ° C. or less, a high total power generation ratio was obtained, and a maximum point was observed around 60 ° C.
すなわち、発電部10の表面温度の最高値を、発電時において、10℃以上80℃以下の範囲内に制御すれば、好ましいことが分かった。
That is, it has been found that it is preferable to control the maximum surface temperature of the
(実施例10−1〜10−7)
燃料電池の形状を図6に示したものとし、液体燃料を循環させたことを除き、他は実施例1−1〜1−7と同様にして二次電池を作製した。具体的には、表10に示したように直交線Tと、重力方向とのなす角度を30°以上90°以下の範囲内で変化させた。
(Examples 10-1 to 10-7)
The shape of the fuel cell was as shown in FIG. 6, and secondary batteries were fabricated in the same manner as in Examples 1-1 to 1-7, except that liquid fuel was circulated. Specifically, as shown in Table 10, the angle formed by the orthogonal line T and the direction of gravity was changed within a range of 30 ° to 90 °.
実施例10−1〜10−7に対する比較例10−1〜10−3として、直交線Tと、重力方向とのなす角度を20°,10°または0°としたことを除き、他は実施例10−1〜10−7と同様にして燃料電池を作製した。 As Comparative Examples 10-1 to 10-3 with respect to Examples 10-1 to 10-7, except that the angle formed by the orthogonal line T and the direction of gravity was set to 20 °, 10 °, or 0 °, the others were implemented. Fuel cells were fabricated in the same manner as in Examples 10-1 to 10-7.
実施例10−1〜10−7および比較例10−1〜10−3について、実施例1−1〜1−7と同様にして出力特性を調べた。それらの結果を表10に示す。なお、出力特性は、直交線Tと、重力方向とのなす角度が90°である実施例10−1の場合の総発電量を100としたときの、総発電量の相対比率とした。 The output characteristics of Examples 10-1 to 10-7 and Comparative Examples 10-1 to 10-3 were examined in the same manner as in Examples 1-1 to 1-7. The results are shown in Table 10. The output characteristic was the relative ratio of the total power generation amount when the total power generation amount in Example 10-1 in which the angle between the orthogonal line T and the direction of gravity was 90 ° was 100.
表10から分かるように、実施例1−1〜1−7と同様の結果が得られた。すなわち、液体燃料を循環させるようにしても、燃料電極12の表面に直交する直交線Tと、重力方向とのなす角度は、30°以上90°以下の範囲内が好ましいことが分かった。
As can be seen from Table 10, the same results as in Examples 1-1 to 1-7 were obtained. That is, even when liquid fuel is circulated, it has been found that the angle formed by the orthogonal line T perpendicular to the surface of the
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態および実施例では、電解質膜11,燃料電極12および酸素電極13の構成について具体的に説明したが、他の構造あるいは他の材料により構成するようにしてもよい。
The present invention has been described with reference to the embodiments and examples. However, the present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiments and examples, the configurations of the
また、上記実施の形態および実施例では、酸素電極13への空気の供給を自然換気とするようにしたが、ポンプなどを利用して強制的に供給するようにしてもよい。その場合、空気に変えて酸素または酸素を含むガスを供給するようにしてもよい。
Moreover, in the said embodiment and Example, although supply of the air to the
更に、上記実施の形態および実施例では、単セル型の燃料電池について説明したが、本発明は、複数のセルを積層した積層型のものについても適用することができる。 Furthermore, in the above-described embodiments and examples, the single cell type fuel cell has been described, but the present invention can also be applied to a stacked type in which a plurality of cells are stacked.
10,30…発電部、11,31…電解質膜、12,32…燃料電極、12A,13A,32A,33A…集電体、12B,13B,32B,33B…触媒層、12C…導電助剤、12D…バインダー、12E…触媒、13,33…酸素電極、14…燃料室、15…酸素室、15A…流通口、20,40…支持部材、32C,33C…流路
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記燃料電極の表面に直交する直交線と、重力方向とのなす角度は、30°以上90°以下の範囲内にある
ことを特徴とする燃料電池。 Having a power generation part in which a fuel electrode and an oxygen electrode are arranged to face each other through an electrolyte membrane;
An angle formed by an orthogonal line orthogonal to the surface of the fuel electrode and the direction of gravity is in a range of 30 ° to 90 °.
2. The fuel cell according to claim 1, further comprising means for controlling the maximum surface temperature in the power generation unit to be 10 ° C. or higher and 80 ° C. or lower during power generation.
Priority Applications (1)
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Country | Link |
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Citations (5)
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2004
- 2004-12-09 JP JP2004356660A patent/JP2006164832A/en active Pending
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