JP2006216449A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体燃料を気化させた気化燃料が供給される燃料極触媒層を備えた燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell including a fuel electrode catalyst layer to which vaporized fuel obtained by vaporizing liquid fuel is supplied.
近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の各種電子機器は、半導体技術の発達と共に小型化され、燃料電池をこれらの小型機器用の電源に用いることが試みられている。燃料電池は、燃料と酸化剤を供給するだけで発電することができ、燃料のみを交換すれば連続して発電できるという利点を有しているため、小型化が出来れば携帯電子機器の作動に極めて有利なシステムといえる。特に、直接メタノール型燃料電池(DMFC;direct methanol fuel cell)は、エネルギー密度の高いメタノールを燃料に用い、メタノールから電極触媒上で直接電流を取り出せるため、改質器も不要なことから小型化が可能であり、燃料の取り扱いも水素ガス燃料に比べて容易なことから小型機器用電源として有望である。 In recent years, various electronic devices such as personal computers and mobile phones have been miniaturized with the development of semiconductor technology, and attempts have been made to use fuel cells as power sources for these small devices. Fuel cells have the advantage that they can generate electricity simply by supplying fuel and oxidant, and can continuously generate electricity if only the fuel is replaced. This is a very advantageous system. In particular, direct methanol fuel cells (DMFCs) use methanol with high energy density as fuel and can directly extract current from methanol on the electrode catalyst, so a reformer is not required and the size can be reduced. It is possible and the fuel is easier to handle than hydrogen gas fuel, so it is promising as a power source for small equipment.
DMFCの燃料の供給方法としては、液体燃料を気化してからブロア等で燃料電池内に送り込む気体供給型DMFCと、液体燃料をそのままポンプ等で燃料電池内に送り込む液体供給型DMFC、更に、燃料電池内で液体燃料を気化して使用する内部気化型DMFC等が知られている。このうち、内部気化型DMFCでは、燃料供給のためのポンプやブロア等の大掛かりな装備を設ける必要がないことから、燃料のメタノール濃度を濃くして液体燃料タンクの小型化が達成できれば、高エネルギー密度の小型燃料電池の実現が可能である。 DMFC fuel supply methods include a gas supply type DMFC that vaporizes liquid fuel and then feeds it into the fuel cell with a blower, etc., a liquid supply type DMFC that feeds liquid fuel directly into the fuel cell with a pump or the like, and a fuel An internal vaporization type DMFC that vaporizes and uses liquid fuel in a battery is known. Of these, the internal vaporization type DMFC does not require large-scale equipment such as a pump or blower for fuel supply. Therefore, if the concentration of methanol in the fuel can be increased to reduce the size of the liquid fuel tank, high energy can be achieved. A small fuel cell with a high density can be realized.
しかしながら、この内部気化型DMFCには、燃料のメタノール濃度を濃くするに従ってメタノールクロスオーバ量が多くなるという問題点がある。 However, this internal vaporization type DMFC has a problem that the methanol crossover amount increases as the methanol concentration of the fuel increases.
ところで、特許文献1は、膨張黒鉛シートからなる不浸透性プレートの片面または両面に、複数本の平行なリブを有する炭素繊維体からなるリブ部材及び該リブ部材の両側の位置に緻密質の炭素材からなるシールプレートを接合してなるセパレータを使用することにより、リン酸型燃料電池のガス漏れが抑制されることを開示している。 By the way, Patent Document 1 discloses a rib member made of a carbon fiber body having a plurality of parallel ribs on one side or both sides of an impermeable plate made of an expanded graphite sheet, and dense charcoal at positions on both sides of the rib member. It discloses that gas leakage of a phosphoric acid fuel cell is suppressed by using a separator formed by joining a seal plate made of a material.
一方、特許文献2は、膨張黒鉛材、炭素繊維材あるいは導電性ゴムからなる導電性柔軟部をセパレータに形成することにより、膜電極複合体とセパレータとの電気的、熱的接触性が良好になることを開示している。
本発明の目的は、酸化剤極への燃料透過が抑制された燃料電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel cell in which fuel permeation to the oxidant electrode is suppressed.
上記の内部気化型DMFCでは、メタノールも水も気化させて燃料極に供給しているが、水はメタノールに比べて蒸気圧が低いため、液体燃料を高濃度にすると水供給量が著しく不足し、燃料極での内部改質反応(CH3OH+H2O → CO2+6H++6e−)の反応抵抗が大きくなる。この反応抵抗を下げるために固体電解質膜の厚さを薄くすると、酸化剤極で生成した水分の燃料極への拡散を促すことが可能であるものの、固体電解質膜のメタノール透過性が大きくなり、メタノールクロスオーバ量が多くなるのである。 In the above internal vaporization type DMFC, both methanol and water are vaporized and supplied to the fuel electrode. However, since water has a lower vapor pressure than methanol, if the liquid fuel is made highly concentrated, the amount of water supply will be significantly insufficient. The reaction resistance of the internal reforming reaction (CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − ) at the fuel electrode increases. Decreasing the thickness of the solid electrolyte membrane to reduce the reaction resistance can promote the diffusion of moisture generated at the oxidizer electrode to the fuel electrode, but increases the methanol permeability of the solid electrolyte membrane, The amount of methanol crossover increases.
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、固体電解質膜に、燃料極触媒層と酸化剤極触媒層それぞれの周囲を取り囲むように、疎水性の絶縁層を形成すると、酸化剤極への燃料透過が抑制されるだけでなく、酸化剤極触媒層で生成した水の燃料極触媒層への戻りが良くなるために内部改質反応の反応抵抗も改善できることを見出した。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have formed a hydrophobic insulating layer on the solid electrolyte membrane so as to surround each of the fuel electrode catalyst layer and the oxidant electrode catalyst layer. In addition to suppressing the permeation of fuel to the oxidant electrode, it has been found that the reaction resistance of the internal reforming reaction can be improved because the water generated in the oxidant electrode catalyst layer returns to the fuel electrode catalyst layer better. It was.
すなわち、本発明は、固体電解質膜と、
前記固体電解質膜に形成され、気化燃料が供給される燃料極触媒層と、
前記固体電解質膜に前記燃料極触媒層の周囲を囲むように形成された燃料極用疎水性絶縁層と、
前記固体電解質膜の前記燃料極触媒層が形成されたのと反対側の面に設けられた酸化剤極触媒層と、
前記固体電解質膜の前記反対側の面に前記酸化剤極触媒層の周囲を囲むように形成された酸化剤極用疎水性絶縁層と
を具備することを特徴とするものである。
That is, the present invention includes a solid electrolyte membrane,
A fuel electrode catalyst layer formed on the solid electrolyte membrane and supplied with vaporized fuel; and
A hydrophobic insulating layer for a fuel electrode formed on the solid electrolyte membrane so as to surround the periphery of the fuel electrode catalyst layer;
An oxidant electrode catalyst layer provided on the opposite surface of the solid electrolyte membrane from which the fuel electrode catalyst layer was formed;
And a hydrophobic insulating layer for an oxidant electrode formed so as to surround the periphery of the oxidant electrode catalyst layer on the opposite surface of the solid electrolyte membrane.
本発明によれば、固体電解質膜の両面に形成した酸化剤極用疎水性絶縁層と燃料極用疎水性絶縁層とによって、触媒層や固体電解質膜からの水分の蒸発を抑制することができるため、酸化剤極から燃料極への水拡散を促すことができ、高濃度の液体燃料を使用しても内部改質反応の反応抵抗を低く抑えることができる。また、これら疎水性絶縁層によると、液体燃料を高濃度にしても酸化剤極への燃料透過を抑制することが可能である。 According to the present invention, evaporation of moisture from the catalyst layer and the solid electrolyte membrane can be suppressed by the hydrophobic insulating layer for the oxidant electrode and the hydrophobic insulating layer for the fuel electrode formed on both surfaces of the solid electrolyte membrane. Therefore, water diffusion from the oxidizer electrode to the fuel electrode can be promoted, and the reaction resistance of the internal reforming reaction can be kept low even when a high concentration liquid fuel is used. Moreover, according to these hydrophobic insulating layers, it is possible to suppress fuel permeation to the oxidizer electrode even when the concentration of liquid fuel is high.
これらの結果、高濃度の液体燃料、特に化学量論比を超える濃厚な燃料を使用した際にも高い出力特性を得ることができるため、小型で高エネルギー密度の燃料電池を実現することができる。 As a result, a high output characteristic can be obtained even when a high-concentration liquid fuel, particularly a rich fuel exceeding the stoichiometric ratio, is used, so that a small and high energy density fuel cell can be realized. .
また、酸化剤極触媒層で発生した水を燃料極触媒層における液体燃料の内部改質反応に使用できるため、酸化剤極触媒層で発生した水の燃料電池外への排出等の処理が軽減できると共に、液体燃料への水の供給のための特別な構成を必要とせず、簡便な構成の燃料電池を提供することができる。 In addition, the water generated in the oxidant electrode catalyst layer can be used for the internal reforming reaction of the liquid fuel in the fuel electrode catalyst layer, so the treatment of the water generated in the oxidant electrode catalyst layer to the outside of the fuel cell is reduced. In addition, a special configuration for supplying water to the liquid fuel is not required, and a fuel cell having a simple configuration can be provided.
本発明によれば、酸化剤極への燃料透過が抑制された燃料電池を提供することが可能である。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell in which fuel permeation to the oxidant electrode is suppressed.
本発明の燃料電池で使用され得る固体電解質膜、燃料極触媒層、燃料極拡散層、酸化剤極触媒層、酸化剤極拡散層、燃料極用疎水性絶縁層、酸化剤極用疎水性絶縁層、液体燃料について説明する。 Solid electrolyte membrane, fuel electrode catalyst layer, fuel electrode diffusion layer, oxidant electrode catalyst layer, oxidant electrode diffusion layer, fuel electrode hydrophobic insulating layer, oxidant electrode hydrophobic insulation that can be used in the fuel cell of the present invention The layer and the liquid fuel will be described.
(1)固体電解質膜
固体電解質膜は、プロトン伝導性材料を主成分として含むものが好ましい。プロトン伝導性材料としては、例えば、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂(例えば、パーフルオロスルホン酸重合体)、スルホン酸基を有するハイドロカーボン系樹脂、タングステン酸やリンタングステン酸などの無機物等が挙げられるが、これらに限定される物ではない。
(1) Solid electrolyte membrane The solid electrolyte membrane preferably contains a proton conductive material as a main component. Examples of the proton conductive material include fluorine resins having a sulfonic acid group (for example, perfluorosulfonic acid polymer), hydrocarbon resins having a sulfonic acid group, and inorganic substances such as tungstic acid and phosphotungstic acid. However, it is not limited to these.
固体電解質膜の厚さは、100μm以下にすることが望ましい。これにより、酸化剤極触媒層から燃料極触媒層への水拡散を促すことが可能になり、出力特性をさらに向上することができる。但し、固体電解質膜の厚さを10μm未満にすると、疎水性絶縁層で電解質膜を補強しても電解質膜の破断が生じやすくなることから、固体電解質膜の厚さは10〜100μmの範囲にすることがより好ましい。より好ましくは、10〜80μmの範囲である。 The thickness of the solid electrolyte membrane is desirably 100 μm or less. As a result, water diffusion from the oxidant electrode catalyst layer to the fuel electrode catalyst layer can be promoted, and the output characteristics can be further improved. However, if the thickness of the solid electrolyte membrane is less than 10 μm, the electrolyte membrane is likely to break even if the electrolyte membrane is reinforced with the hydrophobic insulating layer. Therefore, the thickness of the solid electrolyte membrane is in the range of 10 to 100 μm. More preferably. More preferably, it is the range of 10-80 micrometers.
(2)燃料極触媒層及び酸化剤極触媒層
酸化剤極触媒層及び燃料極触媒層に含有される触媒としては、例えば、白金族元素の単体金属(Pt、Ru、Rh、Ir、Os、Pd等)、白金族元素を含有する合金などを挙げることができる。燃料極触媒には、メタノールや一酸化炭素に対する耐性の強いPt−Ru、酸化剤極触媒には、白金を用いることが望ましいが、これに限定されるものでは無い。また、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒を使用しても、あるいは無担持触媒を使用しても良い。
(2) Fuel electrode catalyst layer and oxidant electrode catalyst layer Examples of the catalyst contained in the oxidant electrode catalyst layer and the fuel electrode catalyst layer include platinum group elemental metals (Pt, Ru, Rh, Ir, Os, Pd, etc.), alloys containing platinum group elements, and the like. Although it is desirable to use Pt-Ru, which is highly resistant to methanol and carbon monoxide, as the fuel electrode catalyst and platinum as the oxidant electrode catalyst, the present invention is not limited to this. Further, a supported catalyst using a conductive support such as a carbon material may be used, or an unsupported catalyst may be used.
(3)燃料極拡散層及び酸化剤極拡散層
燃料極拡散層及び酸化剤極拡散層は、例えば、カーボンペーパからそれぞれ形成することが可能である。
(3) Fuel electrode diffusion layer and oxidant electrode diffusion layer The fuel electrode diffusion layer and the oxidant electrode diffusion layer can be formed from, for example, carbon paper.
燃料極拡散層の厚さは、例えば、380〜430μmの範囲にすることができる。また、酸化剤極拡散層の厚さは、例えば、350〜380μmの範囲にすることができる。 The thickness of the fuel electrode diffusion layer can be in the range of 380 to 430 μm, for example. The thickness of the oxidant electrode diffusion layer can be set in the range of 350 to 380 μm, for example.
(4)燃料極用疎水性絶縁層および酸化剤極用疎水性絶縁層
燃料極用疎水性絶縁層および酸化剤極用疎水性絶縁層は、それぞれ、疎水性高分子材料を含有するものが望ましい。疎水性高分子材料は、固体電解質膜との接着強度を確保する観点、特に後述する塗工法もしくは熱圧着法で形成する場合には、接着性を有することが望ましい。また、耐メタノール性のような化学安定性が高いことが好ましい。
(4) Hydrophobic insulating layer for fuel electrode and hydrophobic insulating layer for oxidant electrode Preferably, the hydrophobic insulating layer for fuel electrode and the hydrophobic insulating layer for oxidant electrode each contain a hydrophobic polymer material. . The hydrophobic polymer material desirably has adhesiveness when it is formed by a coating method or a thermocompression bonding method, which will be described later, from the viewpoint of securing the adhesive strength with the solid electrolyte membrane. Moreover, it is preferable that chemical stability like methanol resistance is high.
接着性と耐メタノール性を有する疎水性高分子材料としては、例えば、フッ素含有樹脂およびフッ素含有ゴム(例えば、テトラフルオロエチレン(TFE)−ヘキサフルオロプロピレン(HFP)コポリマー、テトラフルオロエチレン(TFE)−ヘキサフルオロプロピレン(HFP)−ヘキサフルオロアセトン(HFA)のコポリマー、テトラフルオロエチレン(TFE)−ポリプロピレン(PP)コポリマー、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル等)、フッ素系表面処理剤、シリコン含有樹脂およびシリコン含有ゴム(例えば、シアノシリコンゴム)などを挙げることができる。使用する疎水性高分子材料の種類は、1種類もしくは2種類以上にすることが望ましい。例えばナフィオン(登録商標)膜(Du Pont社)のようなスルホン酸基を有するフッ素系樹脂の膜を固体電解質膜として採用した場合は、固体電解質膜との接着強度が高くなり、かつメタノール透過量も少なくなることから、フッ素含有樹脂、フッ素含有ゴムあるいはフッ素系表面処理剤が好ましい。 Examples of hydrophobic polymer materials having adhesiveness and methanol resistance include fluorine-containing resins and fluorine-containing rubbers (for example, tetrafluoroethylene (TFE) -hexafluoropropylene (HFP) copolymer, tetrafluoroethylene (TFE)- Hexafluoropropylene (HFP) -hexafluoroacetone (HFA) copolymer, tetrafluoroethylene (TFE) -polypropylene (PP) copolymer, polyvinylidene fluoride, polyvinyl fluoride, etc.), fluorine-based surface treatment agent, silicon-containing resin and silicon Examples thereof include rubber containing (for example, cyanosilicon rubber). It is desirable that the type of hydrophobic polymer material to be used is one type or two or more types. For example, when a fluororesin membrane having a sulfonic acid group such as Nafion (registered trademark) membrane (Du Pont) is adopted as the solid electrolyte membrane, the adhesive strength with the solid electrolyte membrane is increased, and the methanol permeation amount Therefore, a fluorine-containing resin, a fluorine-containing rubber, or a fluorine-based surface treatment agent is preferable.
燃料極用疎水性絶縁層および酸化剤極用疎水性絶縁層は、互いに同じ種類の材料から形成されていても、異なる種類の材料から形成されていても良い。疎水性絶縁層の疎水度を異ならせることにより、必要とする特性が強化された燃料電池を実現することができる。例えば、燃料極用疎水性絶縁層の疎水性を高くすることにより、メタノール透過抑制効果を高くすることができ、また、酸化剤極用疎水性絶縁層の疎水性を高くすることにより、酸化剤極から燃料極への水拡散を促すことが可能である。 The hydrophobic insulating layer for the fuel electrode and the hydrophobic insulating layer for the oxidant electrode may be formed of the same type of material or different types of materials. By varying the hydrophobicity of the hydrophobic insulating layer, it is possible to realize a fuel cell with enhanced required characteristics. For example, by increasing the hydrophobicity of the hydrophobic insulating layer for the fuel electrode, the effect of suppressing methanol permeation can be increased, and by increasing the hydrophobicity of the hydrophobic insulating layer for the oxidant electrode, the oxidizing agent can be increased. It is possible to promote water diffusion from the electrode to the fuel electrode.
燃料極用疎水性絶縁層の厚さは、燃料極触媒層の厚さ以上で、かつ燃料極触媒層と燃料極拡散層の合計厚さ以下にすることが望ましい。これは以下に説明する理由によるものである。燃料極用疎水性絶縁層の厚さを燃料極触媒層の厚さと同等もしくはそれ以上にすることによって、燃料の透過と水分の蒸発をさらに抑制することができる。燃料極用疎水性絶縁層が厚い方が、燃料透過と水分蒸発を抑制する効果が高くなるものの、燃料極触媒層と燃料極拡散層の合計厚さを超えると、燃料極および燃料極側集電体との接触不良による燃料電池出力特性の低下が起こりやすく、また燃料電池全体の厚さが増大して容積あたりの出力が低下する恐れがある。 The thickness of the hydrophobic insulating layer for the fuel electrode is preferably not less than the thickness of the fuel electrode catalyst layer and not more than the total thickness of the fuel electrode catalyst layer and the fuel electrode diffusion layer. This is due to the reason explained below. By making the thickness of the hydrophobic insulating layer for the fuel electrode equal to or greater than the thickness of the fuel electrode catalyst layer, fuel permeation and moisture evaporation can be further suppressed. The thicker the hydrophobic insulating layer for the fuel electrode, the more effective the suppression of fuel permeation and moisture evaporation is. However, if the total thickness of the fuel electrode catalyst layer and the fuel electrode diffusion layer is exceeded, the fuel electrode and the fuel electrode side collector The fuel cell output characteristics are likely to be deteriorated due to poor contact with the electric body, and the thickness of the entire fuel cell is increased, which may reduce the output per volume.
燃料極用疎水性絶縁層の厚さは、例えば、400〜450μmの範囲にすることができる。 The thickness of the hydrophobic insulating layer for the fuel electrode can be in the range of 400 to 450 μm, for example.
酸化剤極用疎水性絶縁層の厚さは、酸化剤極触媒層の厚さ以上で、かつ酸化剤極触媒層と酸化剤極拡散層の合計厚さ以下であることが望ましい。これは以下に説明する理由によるものである。酸化剤極用疎水性絶縁層の厚さを酸化剤極触媒層の厚さと同等もしくはそれ以上にすることによって、燃料透過と水分蒸発をさらに抑制することができる。酸化剤極用疎水性絶縁層が厚い方が、燃料透過と水分蒸発を抑制する効果が高くなるものの、酸化剤極触媒層と酸化剤極拡散層の合計厚さを超えると、酸化剤極および酸化剤極側集電体との接触不良による燃料電池出力特性の低下が起こりやすくなる。酸化剤極側で生じた水によるフラッディングが起こりやすく、また、酸素が充分に供給されないことによる出力の低下、燃料電池全体の厚さが増大することによる容積あたりの出力低下も生じる恐れがある。 The thickness of the hydrophobic insulating layer for the oxidant electrode is preferably not less than the thickness of the oxidant electrode catalyst layer and not more than the total thickness of the oxidant electrode catalyst layer and the oxidant electrode diffusion layer. This is due to the reason explained below. By making the thickness of the hydrophobic insulating layer for the oxidant electrode equal to or greater than the thickness of the oxidant electrode catalyst layer, fuel permeation and water evaporation can be further suppressed. The thicker the hydrophobic insulating layer for the oxidant electrode, the higher the effect of suppressing fuel permeation and moisture evaporation, but when the total thickness of the oxidant electrode catalyst layer and the oxidant electrode diffusion layer is exceeded, The fuel cell output characteristics are likely to deteriorate due to poor contact with the oxidant electrode side current collector. Flooding due to water generated on the oxidant electrode side is likely to occur, and there is also a possibility that the output is reduced due to insufficient supply of oxygen and the output per volume is reduced due to the increase in the thickness of the entire fuel cell.
酸化剤極用疎水性絶縁層の厚さは、例えば、350〜400μmの範囲にすることができる。 The thickness of the hydrophobic insulating layer for the oxidizer electrode can be set in the range of 350 to 400 μm, for example.
疎水性絶縁層の形成方法としては、塗工法、熱圧着法、接着法などを採用することができる。 As a method for forming the hydrophobic insulating layer, a coating method, a thermocompression bonding method, an adhesion method, or the like can be employed.
(A)塗工法
疎水性高分子樹脂を適切な溶剤で溶解後、あらかじめ形成した膜電極複合体の固体電解質膜上に塗工し、乾燥することにより得る方法である。固体電解質膜表面に均一に塗布するために、塗工前に固体電解質膜上にプラズマ処理、サンドブラスト処理、カップリング処理、酸処理、アルカリ処理等の表面処理を施しても良い。また、接着強度を高くするために、塗工し、乾燥した後に熱プレスを実施しても良い。熱プレス温度は、例えば、80〜150℃の範囲にすることが可能である。
(A) Coating method This is a method obtained by dissolving a hydrophobic polymer resin in an appropriate solvent, coating it on a solid electrolyte membrane of a membrane electrode assembly formed in advance, and drying it. In order to apply uniformly on the surface of the solid electrolyte membrane, surface treatment such as plasma treatment, sandblast treatment, coupling treatment, acid treatment, alkali treatment, etc. may be performed on the solid electrolyte membrane before coating. Moreover, in order to make adhesive strength high, you may heat-press after apply | coating and drying. The hot press temperature can be, for example, in the range of 80 to 150 ° C.
(B)熱圧着法
疎水性高分子シート(既に膜状になっているもの)を、膜電極複合体の固体電解質膜の表面に熱圧着により形成する。このとき、固体電解質膜を構成する成分を適当な溶媒に分散させたディスパージョンを接着のためにバインダーとして用いても良い。疎水性高分子シートの種類によって接着しにくい場合は、疎水性高分子シートおよび固体電解質膜の一方あるいは両方にプラズマ処理、サンドブラスト処理、カップリング処理、酸処理、アルカリ処理等の表面処理を施しても良い。
(B) Thermocompression bonding method A hydrophobic polymer sheet (already in the form of a film) is formed on the surface of the solid electrolyte membrane of the membrane electrode assembly by thermocompression bonding. At this time, a dispersion in which components constituting the solid electrolyte membrane are dispersed in an appropriate solvent may be used as a binder for adhesion. If it is difficult to adhere depending on the type of hydrophobic polymer sheet, surface treatment such as plasma treatment, sandblast treatment, coupling treatment, acid treatment, or alkali treatment is applied to one or both of the hydrophobic polymer sheet and the solid electrolyte membrane. Also good.
(C)接着法
疎水性高分子シートを、膜電極複合体の固体電解質膜の表面に接着剤で固定する。接着剤としては、例えば、耐メタノール性接着剤などを使用することが可能である。また、接着強度を高くするために、接着後に熱プレスを実施しても良い。
(C) Adhesion method A hydrophobic polymer sheet is fixed to the surface of the solid electrolyte membrane of the membrane electrode assembly with an adhesive. As the adhesive, for example, a methanol-resistant adhesive can be used. In order to increase the adhesive strength, a hot press may be performed after the bonding.
(4)液体燃料
液体燃料には、メタノール水溶液、純メタノールなどを使用することができる。液体燃料中のメタノール濃度は、50モル%以上であることが望ましく、さらに望ましい範囲は50モル%を超える濃度である。これにより、液体燃料タンクの小型化を図ることができると共に、エネルギー密度を高くすることが可能である。純メタノールの純度は95重量%以上100重量%以下にすることが望ましい
以下、本発明に係る燃料電池の一実施形態である直接メタノール型燃料電池を図面を参照して説明する。
(4) Liquid fuel As the liquid fuel, an aqueous methanol solution, pure methanol, or the like can be used. The methanol concentration in the liquid fuel is desirably 50 mol% or more, and a more desirable range is a concentration exceeding 50 mol%. Thereby, the liquid fuel tank can be miniaturized and the energy density can be increased. The purity of pure methanol is preferably 95% by weight or more and 100% by weight or less. Hereinafter, a direct methanol fuel cell which is an embodiment of a fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係る直接メタノール型燃料電池を示す模式的な断面図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a direct methanol fuel cell according to an embodiment of the present invention.
図1に示すように、膜電極接合体(MEA)1は、酸化剤極触媒層2及び酸化剤極ガス拡散層3からなる酸化剤極4と、燃料極触媒層5及び燃料極ガス拡散層6からなる燃料極7と、酸化剤極触媒層2と燃料極触媒層5の間に配置されるプロトン伝導性の固体電解質膜8とを備えるものである。
As shown in FIG. 1, a membrane electrode assembly (MEA) 1 includes an oxidant electrode 4 comprising an oxidant electrode catalyst layer 2 and an oxidant electrode gas diffusion layer 3, a fuel electrode catalyst layer 5 and a fuel electrode gas diffusion layer. 6 and a proton conductive
酸化剤極触媒層2は酸化剤極ガス拡散層3上に積層されている。酸化剤極ガス拡散層3は酸化剤極触媒層2に酸化剤を均一に供給する役割を担うものであるが、酸化剤極触媒層3の集電体も兼ねている。一方、燃料極触媒層5は燃料極ガス拡散層6上に積層されている。燃料極ガス拡散層6は燃料極触媒層5に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、燃料極触媒層5の集電体も兼ねている。酸化剤極ガス拡散層3および燃料極ガス拡散層6は、例えば、カーボンペーパからそれぞれ形成することが可能である。 The oxidant electrode catalyst layer 2 is laminated on the oxidant electrode gas diffusion layer 3. The oxidant electrode gas diffusion layer 3 plays a role of supplying the oxidant uniformly to the oxidant electrode catalyst layer 2, but also serves as a current collector for the oxidant electrode catalyst layer 3. On the other hand, the fuel electrode catalyst layer 5 is laminated on the fuel electrode gas diffusion layer 6. The fuel electrode gas diffusion layer 6 serves to uniformly supply fuel to the fuel electrode catalyst layer 5 and also serves as a current collector for the fuel electrode catalyst layer 5. The oxidant electrode gas diffusion layer 3 and the fuel electrode gas diffusion layer 6 can be formed from, for example, carbon paper.
矩形枠状の酸化剤極用疎水性絶縁層9は、酸化剤極触媒層2と酸化剤極ガス拡散層3それぞれの側面を囲む、つまり酸化剤極4の周囲を囲むように、固体電解質膜8上に接着されている。このため、酸化剤極用疎水性絶縁層9の厚さは、酸化剤極触媒層2と酸化剤極ガス拡散層3の合計厚さと等しくなっている。一方、矩形枠状の燃料極用疎水性絶縁層10は、固体電解質膜8の酸化剤極4が形成されているのとは反対側の面に形成され、燃料極触媒層5と燃料極ガス拡散層6双方の側面、すなわち燃料極7の周囲を囲んでいる。よって、燃料極用疎水性絶縁層10の厚さは、燃料極触媒層5と燃料極ガス拡散層6の合計厚さと等しい。
The rectangular frame-shaped hydrophobic insulating
燃料極7の下方には、液体燃料の気化成分を燃料極触媒層5に供給するための燃料室11が設けられている。燃料室11は、液体のメタノールあるいはメタノール水溶液が収容された液体燃料タンク(図示しない)と、液体燃料の気化成分のみを透過させて、液体燃料は透過できない、気液分離膜からなる燃料気化層(図示しない)とを備えるものである。気液分離膜としては、例えば、シリコーンゴムシートを挙げることができる。
A
また、燃料気化層と燃料極との間に、燃料気化層を拡散してきた気化燃料を一時的に収容しておく気化燃料収容室を設けたり、あるいは、液体燃料を一次的に保持する燃料浸透層を、液体燃料タンクと燃料気化層との間に配置することも可能である。 In addition, a vaporized fuel storage chamber for temporarily storing the vaporized fuel that has diffused through the fuel vaporized layer is provided between the fuel vaporized layer and the fuel electrode, or fuel penetration that temporarily holds liquid fuel. It is also possible to place the layer between the liquid fuel tank and the fuel vaporization layer.
一方、酸化剤である空気を取り入れるための流路12が形成された酸化剤極側セパレータ13は、酸化剤極ガス拡散層3と酸化剤極用疎水性絶縁層9の双方の主面を覆うように積層されている。酸化剤極側セパレータ13は、例えば、カーボン結着板から形成することができる。
On the other hand, the oxidant
上述したような構成の直接メタノール型燃料電池によれば、燃料室11から燃料極ガス拡散層6を通して燃料極触媒層5に液体燃料(例えばメタノール水溶液)の気化成分が供給されると、以下の反応式(1)に示すメタノールの内部改質反応を生じる。
According to the direct methanol fuel cell having the above-described configuration, when a vaporized component of liquid fuel (for example, methanol aqueous solution) is supplied from the
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e− (1)
なお、液体燃料として純メタノールを使用した場合には、燃料室11からの水の供給がないため、酸化剤極触媒層2に混入したメタノールの酸化反応により生成した水や固体電解質膜8中の水分等がメタノールと反応して前述した(1)式の内部改質反応が生じるか、あるいは前述した(1)式によらない水不使用の反応機構で内部改質反応が生じる。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − (1)
When pure methanol is used as the liquid fuel, there is no supply of water from the
これら内部改質反応で生成したプロトン(H+)は固体電解質膜8を拡散して酸化剤極触媒層2に到達する。一方、酸化剤極側セパレータ13の流路12から取り入れられた空気は、酸化剤極ガス拡散層3を拡散して酸化剤極触媒層2に供給される。酸化剤極触媒層2では、下記(2)式に示す反応によって水が生成する、つまり発電反応が生じる。
Protons (H + ) generated by these internal reforming reactions diffuse through the
(3/2)O2+6H++6e− → 3H2O (2)
発電反応が進行すると、前述した(2)式の反応などによって酸化剤極触媒層2中に水が生成する。固体電解質膜8の両面に一体化された疎水性絶縁層9,10により、MEA1からの水の蒸発を抑制することができるため、酸化剤極触媒層2の水分保持量が燃料極触媒層5の水分保持量よりも多い状態を作り出すことができる。その結果、浸透圧現象によって、酸化剤極触媒層2から燃料極触媒層5への水拡散が促進されるため、液体燃料中のメタノール濃度を濃くしても前述した(1)式に示すメタノールの内部改質反応を円滑に進めることができる。
(3/2) O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O (2)
When the power generation reaction proceeds, water is generated in the oxidant electrode catalyst layer 2 by the reaction of the above-described formula (2). Since the hydrophobic insulating
また、燃料極触媒層5や燃料極拡散層6から未反応のメタノールが流出するが、これが固体電解質膜8へ透過するのを燃料極用疎水性絶縁層10によって抑制することができる。万一、固体電解質膜8にメタノールが透過してしまっても、酸化剤極用疎水性絶縁層9によって、酸化剤極触媒層2への透過を阻止することができる。従って、液体燃料中のメタノール濃度を高くした際のメタノールクロスオーバ現象を少なくすることが可能となる。
Further, unreacted methanol flows out from the fuel electrode catalyst layer 5 and the fuel electrode diffusion layer 6, but permeation of the unreacted methanol to the
以上のことから、メタノール濃度が高い液体燃料を使用した際にも高い出力特性を得ることが可能になる。 From the above, it is possible to obtain high output characteristics even when liquid fuel having a high methanol concentration is used.
さらに、上記構成の燃料電池では、気化燃料の取り込み及び空気の取り入れにより発電時のMEA1の膨張収縮が大きく、また、MEA1の両側をセパレータやエンドプレートで締付けてもいないため、固体電解質膜8の厚さを薄くする(例えば100μm以下)と、固体電解質膜8がよれやすくなる。固体電解質膜8の両面に一体化された疎水性絶縁層9,10が、固体電解質膜8の引っ張り強度を向上することができるため、固体電解質膜8の厚さを薄くした際の破断を抑制することができる。
Furthermore, in the fuel cell having the above-described configuration, the MEA 1 expands and contracts during power generation due to the intake of vaporized fuel and the intake of air, and both sides of the MEA 1 are not tightened with separators or end plates. When the thickness is reduced (for example, 100 μm or less), the
また、疎水性絶縁層9,10は、ガスケットの役割を兼ねることができるため、燃料電池組み立て時のMEA1のハンドリング性を向上することができる。
Moreover, since the hydrophobic insulating
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
[実施例]
以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。
[Example]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施例1)
<燃料極の作製>
燃料極用触媒(Pt:Ru=1:1)担持カーボンブラックにパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と水及びメトキシプロパノールを添加し、前記触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストを燃料極ガス拡散層としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより厚さが450μmの燃料極触媒層を得た。
Example 1
<Fabrication of fuel electrode>
A perfluorocarbon sulfonic acid solution, water and methoxypropanol were added to a fuel electrode catalyst (Pt: Ru = 1: 1) supported carbon black, and the catalyst supported carbon black was dispersed to prepare a paste. The obtained paste was applied to porous carbon paper as a fuel electrode gas diffusion layer to obtain a fuel electrode catalyst layer having a thickness of 450 μm.
<酸化剤極の作製>
酸化剤極用触媒(Pt)担持カーボンブラックにパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と水及びメトキシプロパノールを加え、前記触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストを酸化剤極ガス拡散層としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより厚さが400μmの酸化剤極触媒層を得た。
<Preparation of oxidizer electrode>
A perfluorocarbon sulfonic acid solution, water and methoxypropanol were added to the oxidant electrode catalyst (Pt) -carrying carbon black, and the catalyst-carrying carbon black was dispersed to prepare a paste. The obtained paste was applied to porous carbon paper as an oxidant electrode gas diffusion layer to obtain an oxidant electrode catalyst layer having a thickness of 400 μm.
燃料極触媒層と酸化剤極触媒層の間に、プロトン伝導性電解質膜として厚さが30μmで、含水率が10〜20重量%のパーフルオロカーボンスルホン酸膜(nafion膜、デュポン社製)を配置し、これらにホットプレスを施すことにより、膜電極接合体(MEA)を得た。 Between the fuel electrode catalyst layer and the oxidant electrode catalyst layer, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane (nafion membrane, manufactured by DuPont) having a thickness of 30 μm and a water content of 10 to 20% by weight is disposed as a proton conductive electrolyte membrane. And membrane electrode assembly (MEA) was obtained by performing hot press to these.
疎水性高分子樹脂としてのフッ素系ゴムを溶剤としてのメチルイソブチルケトンに溶解することによりスラリーを調製した。得られたスラリーを、膜電極複合体の固体電解質膜上に酸化剤極の周囲を囲むように塗工し、乾燥した後、80〜150℃で熱プレスすることにより、酸化剤極用疎水性絶縁層を得た。 A slurry was prepared by dissolving fluorine rubber as a hydrophobic polymer resin in methyl isobutyl ketone as a solvent. The obtained slurry was coated on the solid electrolyte membrane of the membrane electrode composite so as to surround the oxidant electrode, dried, and then hot-pressed at 80 to 150 ° C. to thereby make the oxidant electrode hydrophobic. An insulating layer was obtained.
また、膜電極複合体の固体電解質膜の反対側の面に、前述したスラリーを燃料極の周囲を囲むように塗工し、乾燥した後、80〜150℃で熱プレスすることにより、燃料極用疎水性絶縁層を得た。 In addition, the slurry described above is coated on the surface opposite to the solid electrolyte membrane of the membrane electrode composite so as to surround the periphery of the fuel electrode, dried, and then hot-pressed at 80 to 150 ° C. A hydrophobic insulating layer was obtained.
得られた膜電極接合体と、酸化剤極側セパレータ及び燃料室を用いて前述した図1に示す構造を有する内部気化型の直接メタノール型燃料電池を組み立てた。この際、燃料タンクには、純度が99.9重量%の純メタノールを2mL収容した。 An internal vaporization type direct methanol fuel cell having the structure shown in FIG. 1 was assembled using the obtained membrane electrode assembly, the oxidant electrode side separator, and the fuel chamber. At this time, 2 mL of pure methanol having a purity of 99.9% by weight was stored in the fuel tank.
(実施例2)
疎水性高分子樹脂の種類をフッ素系樹脂に変更すること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にして直接メタノール型燃料電池を組み立てた。
(Example 2)
A direct methanol fuel cell was assembled in the same manner as described in Example 1 except that the type of the hydrophobic polymer resin was changed to a fluororesin.
(実施例3)
ハイドロフルオロエーテルを溶剤としてフッ素系表面処理剤を主なコーティング材料として使用すること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にして直接メタノール型燃料電池を組み立てた。
(Example 3)
A direct methanol fuel cell was assembled in the same manner as described in Example 1 except that hydrofluoroether was used as a solvent and a fluorinated surface treating agent was used as the main coating material.
(比較例1)
疎水性絶縁層を形成しないこと以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にして直接メタノール型燃料電池を組み立てた。
(Comparative Example 1)
A direct methanol fuel cell was assembled in the same manner as described in Example 1 except that the hydrophobic insulating layer was not formed.
まず、実施例1〜3の燃料電池について、JIS K-6854(接着剤のはく離接着強さ試験方法)に記載のT形はく離試験を実施し、疎水性絶縁層と固体電解質膜との接着強度を求めたところ、実施例1〜3の疎水性絶縁層は固体電解質膜に十分な接着強度で固定されていることを確認することができた。実際に、実施例1〜3の燃料電池を室温にて一定負荷で発電を行ったところ、発電中に疎水性絶縁層が剥離することはなかった。 First, the fuel cells of Examples 1 to 3 were subjected to a T-type peel test described in JIS K-6854 (Adhesive peel adhesion strength test method), and the adhesive strength between the hydrophobic insulating layer and the solid electrolyte membrane. As a result, it was confirmed that the hydrophobic insulating layers of Examples 1 to 3 were fixed to the solid electrolyte membrane with sufficient adhesive strength. Actually, when the fuel cells of Examples 1 to 3 were subjected to power generation at a constant load at room temperature, the hydrophobic insulating layer did not peel off during power generation.
また、T形はく離試験の結果を図2に示す。図2の縦軸は相対はく離荷重で、横軸はG(dyn/cm2)の相対値を示す。図2に示すように、T形はく離試験の結果、疎水性高分子の種類により、はく離強度が異なり、固体電解質膜との接着強度の点からは実施例3が望ましいことがわかった。 The results of the T-type peel test are shown in FIG. The vertical axis in FIG. 2 represents the relative peeling load, and the horizontal axis represents the relative value of G (dyn / cm 2 ). As shown in FIG. 2, as a result of the T-shaped peeling test, it was found that the peeling strength differs depending on the type of the hydrophobic polymer, and that Example 3 is desirable from the viewpoint of the adhesive strength with the solid electrolyte membrane.
また、実施例1〜3及び比較例1の燃料電池について、メタノールクロスオーバ量の測定を行った。試験用セルを供試する膜で仕切り、片方のセルに純メタノールを所定量入れ、もう片方のセルに純水を入れた。室温で一定時間経過後、純水を入れたセル側のメタノール濃度をガスクロマトグラフィーで測定し、メタノールの透過量を求め、その結果を図3に示す。図3の縦軸は、相対的なメタノール透過量を表し、横軸は相対時間を示す。 Moreover, about the fuel cell of Examples 1-3 and the comparative example 1, the methanol crossover amount was measured. A test cell was partitioned with a membrane to be tested, a predetermined amount of pure methanol was placed in one cell, and pure water was placed in the other cell. After a certain time at room temperature, the methanol concentration on the cell side containing pure water was measured by gas chromatography to determine the amount of methanol permeation, and the results are shown in FIG. The vertical axis in FIG. 3 represents the relative methanol permeation amount, and the horizontal axis represents the relative time.
なお、供試する膜は、実施例1〜3については、酸化剤極と燃料極が形成されていない固体電解質膜を用意し、その両方の面全体に各実施例と同様な手順で疎水性絶縁層を形成した三層膜を使用した。また、比較例1については、固体電解質膜のみを使用したが、固体電解質膜の厚さは、実施例1〜3の場合に使用した三層膜と同じ厚さに設定した。 As for the membranes to be tested, for Examples 1 to 3, a solid electrolyte membrane in which the oxidant electrode and the fuel electrode are not formed is prepared, and both surfaces are hydrophobic in the same procedure as each example. A three-layer film having an insulating layer was used. Moreover, about the comparative example 1, although only the solid electrolyte membrane was used, the thickness of the solid electrolyte membrane was set to the same thickness as the three-layer membrane used in the case of Examples 1-3.
図3から明らかなように、固体電解質膜の両面に疎水性絶縁層を形成した実施例1〜3では、疎水性絶縁層を形成せずに固体電解質膜を厚くした比較例に比して、メタノール透過量が少なく、メタノールクロスオーバ抑制に有効であることが理解できる。実施例1〜3の中でも、実施例3がメタノールクロスオーバ抑制の点から望ましい。 As is clear from FIG. 3, in Examples 1 to 3 in which the hydrophobic insulating layers were formed on both surfaces of the solid electrolyte membrane, compared to the comparative example in which the solid electrolyte membrane was thickened without forming the hydrophobic insulating layer, It can be understood that the amount of methanol permeation is small and effective in suppressing methanol crossover. Among Examples 1 to 3, Example 3 is desirable from the viewpoint of methanol crossover suppression.
以上説明した通り、実施例1〜3の燃料電池によると、図2において確認したように、固体電解質膜上の酸化剤極の周囲を囲むように酸化剤極用疎水性絶縁層が一体化されており、かつ固体電解質膜の反対側の面に形成された燃料極の周囲を囲むように燃料極用疎水性絶縁層が一体化されているため、MEAからの水分の蒸発を抑制することができ、酸化剤極から燃料極への水拡散を良好にすることができる。同時に、燃料電池組立て時や発電時の固体電解質膜の破断を抑えることが可能となる。 As described above, according to the fuel cells of Examples 1 to 3, as confirmed in FIG. 2, the hydrophobic insulating layer for the oxidant electrode is integrated so as to surround the periphery of the oxidant electrode on the solid electrolyte membrane. And the hydrophobic insulating layer for the fuel electrode is integrated so as to surround the periphery of the fuel electrode formed on the opposite surface of the solid electrolyte membrane, so that evaporation of moisture from the MEA can be suppressed. It is possible to improve water diffusion from the oxidizer electrode to the fuel electrode. At the same time, it is possible to suppress breakage of the solid electrolyte membrane during fuel cell assembly or power generation.
また、前述した図3において確認したように、実施例1〜3の燃料電池によると、メタノールクロスオーバを抑制することができる。 Moreover, as confirmed in FIG. 3 described above, according to the fuel cells of Examples 1 to 3, methanol crossover can be suppressed.
以上のことから、実施例1〜3の燃料電池によると、液体燃料中のメタノール濃度を50モル%よりも多くした際にも高い出力特性を得ることが可能である。 From the above, according to the fuel cells of Examples 1 to 3, it is possible to obtain high output characteristics even when the methanol concentration in the liquid fuel is increased from 50 mol%.
1…膜電極接合体(MEA)、2…酸化剤極触媒層、3…酸化剤極ガス拡散層、4…酸化剤極、5…燃料極触媒層、6…燃料極ガス拡散層、7…燃料極、8…固体電解質膜、9…酸化剤極用疎水性絶縁層、10…燃料極用疎水性絶縁層、11…燃料室、12…酸化剤流路、13…酸化剤極側セパレータ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Membrane electrode assembly (MEA), 2 ... Oxidant electrode catalyst layer, 3 ... Oxidant electrode gas diffusion layer, 4 ... Oxidant electrode gas, 5 ... Fuel electrode catalyst layer, 6 ... Fuel electrode gas diffusion layer, 7 ... Fuel electrode, 8 ... Solid electrolyte membrane, 9 ... Hydrophobic insulating layer for oxidant electrode, 10 ... Hydrophobic insulating layer for fuel electrode, 11 ... Fuel chamber, 12 ... Oxidant channel, 13 ... Oxide electrode side separator.
Claims (3)
前記固体電解質膜に形成され、気化燃料が供給される燃料極触媒層と、
前記固体電解質膜に前記燃料極触媒層の周囲を囲むように形成された燃料極用疎水性絶縁層と、
前記固体電解質膜の前記燃料極触媒層が形成されたのと反対側の面に設けられた酸化剤極触媒層と、
前記固体電解質膜の前記反対側の面に前記酸化剤極触媒層の周囲を囲むように形成された酸化剤極用疎水性絶縁層と
を具備することを特徴とする燃料電池。 A solid electrolyte membrane;
A fuel electrode catalyst layer formed on the solid electrolyte membrane and supplied with vaporized fuel; and
A hydrophobic insulating layer for a fuel electrode formed on the solid electrolyte membrane so as to surround the periphery of the fuel electrode catalyst layer;
An oxidant electrode catalyst layer provided on the opposite surface of the solid electrolyte membrane from which the fuel electrode catalyst layer was formed;
A fuel cell comprising: a hydrophobic insulating layer for an oxidant electrode formed on the opposite surface of the solid electrolyte membrane so as to surround the periphery of the oxidant electrode catalyst layer.
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JP2011192655A (en) * | 2011-05-31 | 2011-09-29 | Dainippon Printing Co Ltd | Electrolyte membrane-electrode assembly with mask film for solid polymer fuel cell, and its manufacturing method |
-
2005
- 2005-02-04 JP JP2005029163A patent/JP2006216449A/en not_active Abandoned
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