JP2006294603A - Direct type fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池に関し、特に、直接型燃料電池のセパレータの流路に関する。 The present invention relates to a solid polymer electrolyte fuel cell, and more particularly to a separator flow path of a direct fuel cell.
携帯電話、携帯情報端末(PDA)、ノートPCおよびビデオカメラなどの携帯用小型電子機器の多機能化に伴って、消費電力の増大や連続使用時間の増加が必要とされており、これに対応するために搭載電池の高エネルギー密度化が強く要望されている。現在、上記搭載電池として主にリチウム二次電池が使用されているが、2006年頃にはエネルギー密度が600Wh/L程度で限界を迎えると予測されており、これに替わる電源として、高分子電解質型燃料電池(PEFC)の早期実用化が期侍されている。 With the increase in functionality of portable small electronic devices such as mobile phones, personal digital assistants (PDAs), notebook PCs, and video cameras, it is necessary to increase power consumption and continuous use time. Therefore, there is a strong demand for higher energy density of the on-board battery. Currently, lithium secondary batteries are mainly used as the above-mentioned on-board batteries, but it is predicted that the energy density will reach a limit at around 600 Wh / L around 2006. As an alternative power source, a polymer electrolyte type is used. Early commercialization of fuel cells (PEFC) is expected.
なかでも、燃料であるメタノールもしくはメタノール水溶液を、水素に改質することなく、直接セル内部に供給して電極酸化させて発電する直接メタノール型燃料電池(DMFC、以下、単に「直接型燃料電池」ともいう。)が注目されており、活発に研究開発されている。その理由としては、有機燃料が高い理論エネルギー密度を有するとともに、貯蔵が容易である点、さらには、直接型燃料電池のシステムは簡素化し易い点などが挙げられる。 In particular, a direct methanol fuel cell (DMFC, hereinafter simply referred to as “direct fuel cell”) that generates electricity by directly oxidizing the methanol or aqueous methanol solution, which is the fuel, into the cell without being reformed into hydrogen, and performing electrode oxidation. Is also attracting attention and is actively researched and developed. The reason is that the organic fuel has a high theoretical energy density and is easy to store, and further, the direct fuel cell system is easy to simplify.
直接型燃料電池のセル構造は、高分子電解質膜の両面に、触媒層と拡散層とを有するアノード(燃料極)および触媒層と拡散層とを有するカソード(空気極)を接合して得られる膜電極接合体(MEA)と、上記膜電極接合体の両側を挟む一対のセパレータと、を具備する。そして、アノード側に燃料であるメタノールもしくはメタノール水溶液を供給し、カソード側に空気を供給することで発電することができる。 The cell structure of the direct fuel cell is obtained by joining an anode (fuel electrode) having a catalyst layer and a diffusion layer and a cathode (air electrode) having a catalyst layer and a diffusion layer on both sides of the polymer electrolyte membrane. A membrane electrode assembly (MEA) and a pair of separators sandwiching both sides of the membrane electrode assembly are provided. Electric power can be generated by supplying methanol or an aqueous methanol solution as fuel to the anode side and supplying air to the cathode side.
直接型燃料電池の電極反応は以下のとおりである。
アノード:CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- ・・・(1)
カソード:(3/2)O2 +6H+ + 6e- → 3H2O ・・・(2)
式(1)および(2)より、アノードではメタノールと水が反応して、二酸化炭素、プロトンおよび電子を生成し、プロトンは高分子電解質膜を通ってカソードに到達すること、ならびに、カソードでは酸素、プロトンおよび外部回路を経由した電子が結合して水を生成することがわかる。
The electrode reaction of the direct fuel cell is as follows.
Anode: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − (1)
Cathode: (3/2) O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O (2)
From equations (1) and (2), methanol and water react at the anode to produce carbon dioxide, protons and electrons, and the protons reach the cathode through the polymer electrolyte membrane, and oxygen at the cathode. It can be seen that protons and electrons via an external circuit are combined to produce water.
しかしながら、この直接型燃料電池の実用化にはいくつかの問題点がある。その一つは、反応生成物である二酸化炭素ガスの排出に関する。アノード側で発生した二酸化炭素は、アノード側の拡散層を通過した後に、セバレータ流路内に到達し、流路を通って外部に排出される。この際に発生した二酸化炭素の一部が拡散層内部に滞留して触媒層への燃料の拡散を阻害し、徐々に集合して大きな気泡となる。そして、上記気泡によって燃料が拡散層の細孔部から押し出され、触媒層への燃料の供給が不足し、燃料の一部が未使用のまま排出されてしまう。その結果として、高電流密度側での発電特性が大幅に低下してしまうことがある。 However, there are some problems in putting this direct fuel cell into practical use. One of them relates to the discharge of carbon dioxide gas which is a reaction product. The carbon dioxide generated on the anode side passes through the diffusion layer on the anode side, then reaches the separator flow path, and is discharged outside through the flow path. A part of the carbon dioxide generated at this time stays in the diffusion layer and inhibits the diffusion of fuel to the catalyst layer, and gradually gathers into large bubbles. Then, the fuel is pushed out from the pores of the diffusion layer by the bubbles, the supply of the fuel to the catalyst layer is insufficient, and a part of the fuel is discharged unused. As a result, the power generation characteristics on the high current density side may be significantly degraded.
このような問題を改善する方法として、アノード側セパレータに、互いに独立した(即ち完全に分離された)液体燃料流路および排気流路を設けるとともに、液体燃料流路に対向して液体浸透性および気体難浸透性を有する拡散層を設け、排気流路に対向して気体透過性を有する拡散層を設けることが提案されている(例えば特開2002−175817号公報)。 As a method of improving such a problem, the anode separator is provided with a liquid fuel flow path and an exhaust flow path that are independent from each other (that is, completely separated), and has a liquid permeability and a liquid facing the liquid fuel flow path. It has been proposed to provide a diffusion layer having poor gas permeability and to provide a diffusion layer having gas permeability so as to face the exhaust passage (for example, JP-A-2002-175817).
しかしながら、上記のような従来の技術にも、燃料の利用効率を低下させることなく、十分に優れた発電特性を有する直接型燃料電池を提供するという観点からは、未だ改善の余地がある。
上記技術によれば、二酸化炭素ガスの排出に関する問題は解決される可能性がある。ところが、完全に分離された液体燃料流路および排気流路が、アノード側のセパレータに設けられるため、拡散層の燃料浸透性が低い場合には、排気流路に対向する領域の触媒層の表面に供給される燃料量が不足し、出力低下を招く。
However, the conventional techniques as described above still have room for improvement from the viewpoint of providing a direct fuel cell having sufficiently excellent power generation characteristics without reducing the fuel utilization efficiency.
According to the above technique, the problem relating to the discharge of carbon dioxide gas may be solved. However, since the completely separated liquid fuel flow path and exhaust flow path are provided in the separator on the anode side, when the fuel permeability of the diffusion layer is low, the surface of the catalyst layer in the region facing the exhaust flow path The amount of fuel supplied to the engine is insufficient, resulting in a decrease in output.
そこで、本発明の目的は、上述のような従来の問題を解決するため、触媒層に供給される燃料量を確保するとともに、生成された二酸化炭素ガスをより確実に排出し、優れた発電特性を有する直接型燃料電池を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to secure the amount of fuel supplied to the catalyst layer in order to solve the conventional problems as described above, and to more reliably discharge the generated carbon dioxide gas, which has excellent power generation characteristics. It is an object of the present invention to provide a direct fuel cell having
上記の課題を解決するため、本発明の直接型燃料電池は、
高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の第1の面に接合されたアノードと、前記高分子電解質膜の前記第1の面に対向する第2の面に接合されたカソードと、を具備する膜電極接合体、ならびに
前記膜電極接合体の第1の面に配置されたアノード側セパレータ、および、前記膜電極接合体の前記第1の面に対向する第2の面に配置されたカソード側セパレータ、で構成される直接型燃料電池であって、
前記アノード側セパレータは前記アノード側にアノード側流路を有するとともに、前記カソード側セパレータは前記カソード側にカソード側流路を有し、
前記アノード側流路のうちの少なくとも一部が、当該アノード側流路の深さ方向において、液体難浸透性および気体透過性を有する膜によって、前記膜電極接合体側に位置する第1の部分流路と、前記アノード側流路の底部側に位置する第2の部分流路とに、二分割されており、
前記第1の部分流路には主として燃料が流れ、前記第2の部分流路には主として二酸化炭素が流れることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the direct fuel cell of the present invention is
A polymer electrolyte membrane; an anode joined to the first surface of the polymer electrolyte membrane; and a cathode joined to a second surface opposite to the first surface of the polymer electrolyte membrane. A membrane electrode assembly, an anode separator disposed on a first surface of the membrane electrode assembly, and a cathode disposed on a second surface opposite to the first surface of the membrane electrode assembly A direct fuel cell comprising a side separator,
The anode side separator has an anode side channel on the anode side, and the cathode side separator has a cathode side channel on the cathode side,
At least a part of the anode-side channel is a first partial flow located on the membrane electrode assembly side by a membrane having poor liquid permeability and gas permeability in the depth direction of the anode-side channel. Divided into a channel and a second partial channel located on the bottom side of the anode-side channel,
A fuel mainly flows through the first partial flow path, and carbon dioxide mainly flows through the second partial flow path.
このような構成により、発電によって生成する二酸化炭素ガスが特にアノード側流路内およびアノード側拡散層内で滞留することを防ぎ、特にアノード側触媒層への燃料の供給阻害を防ぐことが可能になる。また、アノード側流路を当該アノード側流路の深さ方向に対して分割し、かつ膜電極接合体と接触する側の部分に主として燃料が流れるようにしたことにより、アノード側流路の開口部全体から燃料をアノード側拡散層へ供給することができ、アノード側触媒層の表面全体にムラなく燃料を供給することが可能になる。 With such a configuration, it is possible to prevent carbon dioxide gas generated by power generation from staying in the anode-side flow path and the anode-side diffusion layer, and in particular, to prevent the fuel supply from being hindered to the anode-side catalyst layer. Become. In addition, the anode-side flow path is divided with respect to the depth direction of the anode-side flow path, and the fuel flows mainly to the portion in contact with the membrane electrode assembly. The fuel can be supplied from the entire portion to the anode side diffusion layer, and the fuel can be supplied uniformly to the entire surface of the anode side catalyst layer.
前記膜は、燃料による腐食や触媒層との反応による電池特性の劣化をより確実に抑制することができるという観点から、カーボン、セラミック、ガラスおよび樹脂よりなる群れから選択される少なくとも1種の材料で構成された多孔質体で構成されていることが好ましい。したがって、上記膜は、2種以上の材料を含む複合材料で構成されていてもよい。
前記膜の前記膜電極接合体側の面は、撥水処理が施されていることが好ましく、また、また、前記膜の前記膜電極接合体側の面が凹凸を有することも好ましい。
The film is at least one material selected from the group consisting of carbon, ceramic, glass and resin from the viewpoint of more reliably suppressing deterioration of battery characteristics due to corrosion by fuel and reaction with the catalyst layer. It is preferable that it is comprised with the porous body comprised by these. Therefore, the film may be composed of a composite material containing two or more materials.
The surface of the membrane on the membrane electrode assembly side is preferably subjected to water repellent treatment, and the surface of the membrane on the membrane electrode assembly side is preferably uneven.
ここで、上記膜を構成する上記多孔質体は、微細孔を含む気体透過性を有する部材である。この多孔質体は、例えば膜状、シート状または網状であってよい。そして、特に上記多孔質体の表面に撥水処理を施して撥水層を形成し、撥水層の厚さや当該撥水層の表面形状(凹凸)を制御することによって、上記膜の撥水能力および撥液能力を制御することが可能である。その結果、液体燃料を遮断しつつ気体を透過することが可能であり、また、液体燃料透過速度と気体透過速度との比を制御することが可能になる。
即ち上記液体難浸透性および気体透過性を有する膜は、撥水層および気体透過層とで構成されているのが好ましい。この場合、上記撥水層が液体難浸透性を有し、上記気体透過層が多孔質体で構成されるとともに気体透過性を有する。
Here, the porous body constituting the membrane is a gas-permeable member including micropores. This porous body may be, for example, a film, a sheet, or a net. In particular, the surface of the porous body is subjected to a water repellent treatment to form a water repellent layer, and the water repellent layer is controlled by controlling the thickness of the water repellent layer and the surface shape (unevenness) of the water repellent layer. It is possible to control the ability and the liquid repellency. As a result, it is possible to permeate the gas while blocking the liquid fuel, and to control the ratio of the liquid fuel permeation rate and the gas permeation rate.
That is, it is preferable that the film having poor liquid permeability and gas permeability is composed of a water repellent layer and a gas permeable layer. In this case, the water-repellent layer has poor liquid permeability, and the gas-permeable layer is composed of a porous body and has gas permeability.
また、主として二酸化炭素が流れる前記第2の部分流路が、前記第2の部分流路の長さ方向に略垂直な断面の面積が、上流から下流にむかって増大するように、構成されていることが好ましい。
アノード(特にアノード側触媒層)で発生した二酸化炭素は、アノード側拡散層を通過してアノード側セバレータのアノード側流路内に到達する。そして、二酸化炭素はアノード側流路を通って外部に排出されるため、アノード側流路では、燃料の流れ方向における上流側に比べて下流側のほうが、二酸化炭素ガス占有率が高くなる。したがって、主として二酸化炭素が流れる上記第2の部分流路は、前記第2の部分流路の長さ方向に略垂直な断面の面積が、上流から下流にむかって増大するように構成すれば、二酸化炭素をよりスムーズに排出することが可能になる。
Further, the second partial flow path through which carbon dioxide mainly flows is configured such that the area of a cross section substantially perpendicular to the length direction of the second partial flow path increases from upstream to downstream. Preferably it is.
Carbon dioxide generated at the anode (particularly the anode-side catalyst layer) passes through the anode-side diffusion layer and reaches the anode-side flow path of the anode-side separator. Since carbon dioxide is discharged to the outside through the anode-side flow path, the carbon dioxide gas occupancy is higher in the anode-side flow path on the downstream side than on the upstream side in the fuel flow direction. Therefore, if the second partial flow path through which carbon dioxide mainly flows is configured such that the area of the cross section substantially perpendicular to the length direction of the second partial flow path increases from upstream to downstream, Carbon dioxide can be discharged more smoothly.
また、主として燃料が流れる前記第1の部分流路は、前記第1の部分流路の長さ方向に略垂直な断面の面積が、上流から下流にむかって減少するように、構成されていることが好ましい。
燃料の量は、燃料が発電に利用されて減少するため、主として燃料が流れる前記第1の部分流路を、前記第1の部分流路の長さ方向に略垂直な断面の面積が、上流から下流にむかって減少するように構成することが可能であり、本構成によればスペースを有効に利用することができる。
In addition, the first partial flow path through which fuel mainly flows is configured such that the area of a cross section substantially perpendicular to the length direction of the first partial flow path decreases from upstream to downstream. It is preferable.
Since the amount of fuel decreases as the fuel is used for power generation, the area of the cross section substantially perpendicular to the length direction of the first partial flow path is upstream of the first partial flow path through which the fuel mainly flows. It is possible to configure so as to decrease toward the downstream side, and according to this configuration, the space can be used effectively.
以上述べた燃料電池において、液体難浸透性かつ気体透過性を有する膜は、アノード流路を構成する壁面のいずれかと、接着・溶着・圧着などによって固着されている事が必要である。本構造においては液体難浸透性かつ気体透過性を有する膜によって、二酸化炭素ガスが流れる流路の体積および燃料が流れる流路の体積が決定される。これらの流路の体積比は、二酸化炭素の排出量および燃料供給量を決定する重要因子である。従って、この二酸化炭素ガスを選択的に透過する膜を、アノード流路を構成する壁面のいずれかに固定して、流路体積比が変化しないようにする必要性がある。 In the fuel cell described above, the membrane having poor liquid permeability and gas permeability needs to be fixed to any one of the wall surfaces constituting the anode flow path by adhesion, welding, pressure bonding, or the like. In this structure, the volume of the flow path through which the carbon dioxide gas flows and the volume of the flow path through which the fuel flow are determined by the liquid hardly permeable and gas permeable membrane. The volume ratio of these flow paths is an important factor that determines carbon dioxide emission and fuel supply. Therefore, it is necessary to fix the membrane that selectively permeates carbon dioxide gas to one of the wall surfaces constituting the anode flow channel so that the flow channel volume ratio does not change.
以上のような本発明によれば、特にアノード側触媒層に供給される燃料量を確保することができるとともに、生成された二酸化炭素ガスをより確実に排出し、優れた発電特性を有する直接型燃料電池を実現することができる。 According to the present invention as described above, in particular, the amount of fuel supplied to the anode side catalyst layer can be secured, and the generated carbon dioxide gas can be discharged more reliably, and the direct type having excellent power generation characteristics A fuel cell can be realized.
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。
図1は、本発明の直接型燃料電池1(単セル)の好適な一実施の形態を示す概略断面図である。図1における直接型燃料電池1は単セル1つを含むが、本発明の直接型燃料電池1は、複数の単セルを積層して構成されたスタックとして用いることもできる。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or an equivalent part, and the overlapping description may be abbreviate | omitted.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a preferred embodiment of a direct fuel cell 1 (single cell) according to the present invention. Although the
直接型燃料電池1は、膜電極接合体2と、膜電極接合体2を挟むアノード側セパレータ3aおよびカソード側セパレータ3cと、で構成されている。
膜電極接合体2は、水素イオン(陽イオン)伝導性を有する高分子電解質膜4と、高分子電解質膜4を挟むアノード7aおよびカソード7cと、で構成されている。また、アノード7aは、アノード側拡散層6aおよびアノード側触媒層5aを含み、高分子電解質膜4の第1の面に接合されている。一方、カソード7cは、カソード側拡散層6cおよびカソード側触媒層5cを含み、高分子電解質膜4の前記第1の面に対向する第2の面に接合されている。
The
The
図1に示すように、単セル1は、主として、後述する膜電極接合体2と、ガスケット11と、一対のセパレータ3a、3cとから構成されている。ガスケット11は、膜電極接合体2に供給される燃料の外部へのリーク防止、空気の外部へのリーク防止、並びに、燃料および空気の混合を防止するため、高分子電解質膜4の外延部分を挟持した状態で、アノード7aおよびカソード7cの周囲に配置されている。
まず、本発明の直接型燃料電池1の各構成要素について説明する。
As shown in FIG. 1, the
First, each component of the
高分子電解質膜4としては、水素イオン伝導性、耐熱性および化学的安定性に優れたものであれば、種々のものを用いることができ、特に制限されることはない。
アノード側触媒層5aおよびカソード側触媒層5cは薄膜状である。例えば、アノード側触媒層5aおよびカソード側触媒層5cは、主として、金属触媒を導電性粒子(例えば導電性炭素粒子)に担持させて得られる触媒粒子、または、金属触媒粒子と、陽イオン(水素イオン)伝導性を有する高分子電解質と、で構成される。
アノード側触媒層5aの金属触媒としては、例えば白金(Pt)−ルテニウム(Ru)合金微粒子が好適に用いられ、カソード側触媒層5cの金属には、Pt微粒子が好適に用いられる。
As the
The anode
For example, platinum (Pt) -ruthenium (Ru) alloy fine particles are suitably used as the metal catalyst of the anode
アノード側拡散層6aとしては、燃料の拡散性、発電により発生した二酸化炭素の排出性、および電子伝導性を併せ持つ、導電性多孔質材料で構成される。かかる導電性多孔質材料としては、例えばカーボンペーパーおよびカーボンクロスなどが挙げられる。
また、カソード側拡散層6cとしては、空気の拡散性、発電により発生した水の排出性、および電子伝導性を併せ持つ、導電性多孔質材料で構成される。かかる導電性多孔質材料としては、例えばカーボンペーパーおよびカーボンクロスなどが挙げられる。
The anode-
The cathode-
次に、膜電極接合体2の外側に配置されて膜電極接合体2を機械的に固定する板状のアノード側セパレータ3aおよびカソード側セパレータ3cを説明する。
アノード側セパレータ3aの膜電極接合体2と接触する部分には、アノード7aに燃料を供給し、電極反応生成物や未反応の反応物を直接型燃料電池1から排出するためのアノード側流路12aが形成されている。一方、カソード側セパレータ3cの膜電極接合体2と接触する部分には、カソード7cに空気を供給し、電極反応生成物や未反応の反応物を直接型燃料電池1から排出するためのカソード側流路12cが形成されている。
Next, the plate-like
An anode-side flow path for supplying fuel to the
アノード側セパレータ3aおよびカソード側セパレータ3cの材料としては、気密性、電子伝導性および電気化学的安定性を有するものであればよく、特に制限されることはない。例えば金属、カーボン、黒鉛と樹脂との混合材料などが挙げられる。
カソード側セパレータ3cのカソード側流路12cの構造については、特に制限はなく、従来から用いられている種々の構造を採用することができ、図1におけるカソード側流路12cは、リブ13で隔てられ、紙面に垂直な方向に延びる直線状の溝(複数)で構成されている。
The material of the
The structure of the cathode side flow path 12c of the
一方、ここで、本発明の直接型燃料電池1は、アノード側セパレータ3aのアノード側流路12aの構造に特徴を有する。
アノード側流路12aは、カソード側流路12cと同様にリブで隔てられ、紙面に平行な方向に延びる直線状の溝で構成されている(図示せず)。これに加えて、図1に示すように、本実施の形態におけるアノード側流路12aは、当該アノード側流路12aの深さ方向(図1における矢印Xの方向)において、液体難浸透性および気体透過性を有する膜16によって、膜電極接合体2側に位置する第1の部分流路18と、アノード側流路12aの底部側に位置する第2の部分流路19とに、二分割されている。そして、第1の部分流路18においては矢印Qの方向に主として燃料が流れ、第2の部分流路19においては矢印Rの方向に主として二酸化炭素が流れる。
On the other hand, the
The anode-
図2は、図1におけるアノード側セパレータ3aのアノード側流路12a側の概略斜視図(アノード側流路12aから膜16を取り外した状態)である。本実施の形態におけるアノード側流路12aは、図2に示す矢印Yの方向に延びる直線状の溝(複数)で構成されている。
また、図2における矢印Zの方向における上記溝の両端部には、矢印Yの方向に向かって高くなって延びるスロープ15が設けられている。このスロープ15に上記膜16が固定されることにより、アノード側流路12aは、矢印Xの方向において二分割され、図1に示すような第1の部分流路18および第2の部分流路19が形成されている。
2 is a schematic perspective view of the anode-
Further, slopes 15 extending in the direction of the arrow Y are provided at both ends of the groove in the direction of the arrow Z in FIG. When the
上記膜16は、撥水層16Aと、多孔質体からなる気体透過層16Bと、で構成されている。撥水層16Aが液体難浸透性を発揮し、気体透過層16Bが気体透過性を発揮する。
気体透過層16Bを構成する多孔質体としては、例えばカーボンペーパー、ホウケイ酸ソーダガラスを熱処理して分相させた後酸処理して得られる多孔質シリカガラス、ゼオライト、およびポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂などの撥水性樹脂多孔質体などを用いることができる。
The
Examples of the porous body constituting the gas
また、撥水層16Bは、主として撥水性樹脂で構成されており、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂微粒子またはポリテトラフルオロエチレン−ポリヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)樹脂微粒子などの撥水性樹脂微粒子と、フッ素樹脂またはシリコーン樹脂などの撥水性結着材と、を主成分とするペースト状の撥水インクを用いて形成することができる。例えばスプレーコート法を好適に用いることができる。
The water-
また、撥水層16Aの表面は凹凸形状を有している。この凹凸形状は、撥水インクの固形分濃度などの組成、ならびに乾燥温度および乾燥時間などの塗布条件などを適宜コントロールすることによって調整することが可能である。
ここで、図3は、本実施の形態の直接型燃料電池1が運転しているときの、図1に示す直接型燃料電池1のP−P線部分断面図である。図3に示すように、アノード側流路12aには、液体難浸透性および気体透過性を有する膜16が存在し、膜電極接合体2側に撥水層16Aが位置し、アノード側流路12aの底部側に気体透過層16Bが位置する。
このように膜電極接合体2側に撥水層16Aが位置し、アノード側流路12aの底部側に気体透過層16Bが位置することにより、第1の部分流路18には主として燃料が流れ、第2の部分流路19には主として二酸化炭素が流れる。
The surface of the
Here, FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the
As described above, the
以上、本発明の代表的な実施の形態について説明したが、本発明の直接型燃料電池は本発明の効果を損なわない範囲で種々の設計変更をすることが可能である。
例えば、上記実施の形態において、並行に延びるアノード側流路を構成する複数本の溝全てを、液体難浸透性および気体透過性を有する膜によって、第1の部分流路と第2の部分流路とに二分割する場合を説明したが、アノード側流路を構成する複数本の溝のうち、1本〜数本を二分割してもよい。
また、上記実施の形態においては、1本の溝を、一方の端部(開始端)から他方の端部(終端)まで二分割する態様を説明したが、本発明の効果が得られる範囲で、1本の溝の少なくとも一部が二分割されていてもよい。
As described above, the representative embodiments of the present invention have been described. However, the direct fuel cell of the present invention can be variously modified without departing from the effects of the present invention.
For example, in the above-described embodiment, the first partial flow path and the second partial flow are all made up of the plurality of grooves constituting the anode-side flow paths extending in parallel by the membrane having poor liquid permeability and gas permeability. Although the case where it divides | segments into 2 to a path | route was demonstrated, you may divide | segment into 1 to several out of the several groove | channel which comprises an anode side flow path.
Moreover, in the said embodiment, although the aspect which divides one groove | channel from one edge part (start end) to the other edge part (terminal) was demonstrated, in the range with which the effect of this invention is acquired. At least a part of one groove may be divided into two.
なお、アノード側流路12aおよびカソード側流路12cにそれぞれ燃料および空気を供給するためには、燃料および空気を供給する配管であるマニホールドを用いる必要がある。このマニホールドとしては、従来公知の内部マニホールドおよび外部マニホールドのいずれを採用することもできる。
以下、実施例および比較例を挙げて本発明について更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
In addition, in order to supply fuel and air to the
EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated in more detail, this invention is not limited to these Examples at all.
《実施例1》
本実施例では、図1に示す構造を有する本発明の直接型燃料電池1を作製した。
平均一次粒子径30nmの導電性炭素粒子であるケッチェンブラックEC(AKZO Chemie社製)に、平均粒径30ÅのPtおよびRuを、それぞれ30重量%担持させてアノード側触媒粒子(Pt:30重量%、Ru:30重量%)を得た。また、ケッチェンブラックECに、平均粒径30ÅのPtを50重量%担持させてカソード側触媒粒子(Pt:50重量%)を得た。
Example 1
In this example, a
30% by weight of Pt and Ru having an average particle size of 30 mm are supported on Ketjen Black EC (manufactured by AKZO Chemie), which is conductive carbon particles having an average primary particle size of 30 nm, respectively, and anode side catalyst particles (Pt: 30 wt. %, Ru: 30% by weight). Further, 50% by weight of Pt having an average particle size of 30 mm was supported on Ketjen Black EC to obtain cathode side catalyst particles (Pt: 50% by weight).
次に、上記アノード側触媒粒子のイソプロパノール分散液と、高分子電解質のエタノール分散液と、を混合した後、得られた混合物をビーズミルで高分散させることにより、アノード側触媒層用ペーストを調製し、上記カソード側触媒粒子のイソプロパノール分散液と、高分子電解質のエタノール分散液と、を混合した後、得られた混合物をビーズミルで高分散させることにより、カソード側触媒層用ペーストを調製した。
なお、上記アノード側触媒層用ペーストおよび上記カソード側触媒層用ペーストにおいて、導電性炭素粒子と高分子電解質との重量比は2:1とした。また、高分子電解質としては、パーフルオロカーボンスルホン酸イオノマー(旭硝子(株)製のFlemion)を用いた。
Next, an anode-side catalyst layer paste is prepared by mixing the anode-side catalyst particle isopropanol dispersion and the polymer electrolyte ethanol dispersion, and then highly dispersing the resulting mixture with a bead mill. The cathode-side catalyst layer paste was prepared by mixing the cathode-side catalyst particle isopropanol dispersion and the polymer electrolyte ethanol dispersion, and then highly dispersing the resulting mixture with a bead mill.
In the anode side catalyst layer paste and the cathode side catalyst layer paste, the weight ratio of the conductive carbon particles to the polymer electrolyte was 2: 1. As the polymer electrolyte, perfluorocarbon sulfonic acid ionomer (Flemion manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) was used.
上記のようにして調製したアノード側触媒層用ペーストおよびカソード側触媒層用ペーストを、それぞれドクターブレードを用いて樹脂シート上に塗布した後、大気中常温で6時間乾燥させた。その後、塗布後の上記樹脂シートを6cm×6cmのサイズに切断し、アノード側触媒層付シート(アノード側触媒シート)およびカソード側触媒層付シート(カソード側触媒シート)を得た。 The anode-side catalyst layer paste and the cathode-side catalyst layer paste prepared as described above were each applied onto a resin sheet using a doctor blade, and then dried at room temperature in the atmosphere for 6 hours. Thereafter, the resin sheet after coating was cut into a size of 6 cm × 6 cm to obtain a sheet with an anode side catalyst layer (anode side catalyst sheet) and a sheet with a cathode side catalyst layer (cathode side catalyst sheet).
得られたアノード側触媒シートおよびカソード側触媒シートで、触媒層が高分子電解質膜4に面するように、高分子電解質膜4を挟み、ホットプレス法(135℃、3MPa、15分間)にてアノード側触媒層およびカソード側触媒層を高分子電解質膜4に熱転写(接合)した。なお、高分子電解質膜4としては、パーフルオロアルキルスルホン酸イオン交換膜(Du Pont社製のNafion 117)を用いた。
With the obtained anode side catalyst sheet and cathode side catalyst sheet, the
次に、上記樹脂シートを剥がすことにより、アノード側触媒層5a、高分子電解質膜4およびカソード側触媒層5bの接合体を得た。アノード側触媒層5aおよびカソード側触媒層5bの白金(Pt)触媒量は2.0mg/cm2であった。
その後、上記接合体のアノード側触媒層5aおよびカソード側触媒層5bの外面に、それぞれアノード側拡散層6aおよびカソード側拡散層6cを積層し、ホットプレス(135℃、3MPa、15分間)により接合した。アノード側拡散層6aおよびカソード側拡散層6cには、カーボンペーパー(東レ(株)製のTGP−H120)を6cm×6cmのサイズに切断して用いた。
さらに、アノード7aおよびカソード7cの周囲に、高分子電解質膜4を挟んでガスシール材11を熱溶着(135℃、4MPa、30分間)により接合し、膜電極接合体(MEA)2を作製した。
Next, the joined body of the anode
Thereafter, the anode-
Further, a
図2に示す構造を有するアノード側セパレータ3a(外形寸法10cm×10cm、厚み4mm)を、樹脂含浸黒鉛材を切削加工することにより作製した。
具体的には、幅(2×t1+t4)4mm、開始端深さ(t2)1mm、終端深さ(t6)0.6mmの寸法を有する溝部を形成した。また、当該溝部内の両側には、幅(t1)1mm(即ちt4=2mm)、開始端深さ(t2)1mm(即ちスロープ15の開始端高さt5=0mm)、および終端高さ(t3)0.3mmを満たす2本のスロープ15を設けた。
An
Specifically, a groove having dimensions of width (2 × t 1 + t 4 ) 4 mm, start end depth (t 2 ) 1 mm, and end depth (t 6 ) 0.6 mm was formed. Further, on both sides in the groove, a width (t 1 ) of 1 mm (ie, t 4 = 2 mm), a start end depth (t 2 ) of 1 mm (ie, a start end height t 5 = 0 mm of the slope 15), and a terminal end Two
ついで、アノード側流路12aにおけるスロープ15に設置するための、撥水性および気体透過性を有する膜16を作製した。
膜16は、カーボンペーパー(東レ(株)製のTGP−H120)を、幅2mmに切断して得られた気体透過層16Bの表面に、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂微粒子とシリコーン樹脂とを主成分とする超撥水剤(NTTアドバンステクノロジ(株)製のHIREC1450)でスプレーコートし、その後、70℃で20分間乾燥することにより、撥水層16A(厚さ約40μm)を形成して得た。
Next, a
The
上記スロープ15の面にカーボン接着剤(日清紡(株)製のST−201)を塗布し、上記のようにして作製した膜16を、気体透過層16Bがアノード側流路12aの底部側に位置し、撥水層16Aが膜電極接合体2側に位置するように、上記スロープ15上に設置して、接着した。
A carbon adhesive (ST-201 manufactured by Nisshinbo Co., Ltd.) is applied to the surface of the
ここで、図4に示すように、アノード側セパレータ3aのアノード側流路12aを形成した。図4は、本実施例におけるアノード側セパレータ3aのアノード側流路12a側からみた正面図である。
図4に示すように、本実施例におけるアノード側セパレータ3aは略矩形状であり、アノード側流路12aは、供給口3a1と排出口3a2とを連通する7本の直線状溝部12a1で構成されている。本実施例においては、7本の直線状溝部12a1すべてに上記膜16を設置した。なお、図4において破線で示される部分は、アノード7aに対応する部分(電極部)である(図1参照)。
Here, as shown in FIG. 4, the anode
As shown in FIG. 4, the anode-
なお、カソード側セパレータ3cとしては、スロープ15および膜16を設けずに、流路を構成する溝の深さおよび幅を一定にした以外は、図4に示す構造と同じ構造を有するものを用いた。
ただし、直接型燃料電池1を組み立てる際には、アノード側流路12aの7本の直線状溝部12a1と、カソード側流路12cの直線状溝部(図示せず)と、が互いに直交するように、アノード側セパレータ3aおよびカソード側セパレータ3cを配置した。
As the cathode-
However, when assembling the direct
最後に、上記のようにして得た膜電極接合体2を、アノード側セパレータ3aおよびカソード側セパレータ3bで挟んで積層体を得、得られた積層体の両端に、それぞれ集電板、ヒータ、絶縁板および端板を配置し、全体を締結ロッドで固定した(図示せず)。このときの締結圧は、アノード側セパレータ3aおよびカソード側セパレータ3bの面積当り20kgf/cm2とした。
以上のような方法で本発明の直接型燃料電池(電池1)を作製した。
Finally, the membrane /
The direct fuel cell (cell 1) of the present invention was produced by the method as described above.
《比較例1》
アノード側セパレータ3aのアノード側流路12a内に膜16を設けなかったこと以外は、実施例1と同様にして燃料電池(電池2)を作製した。
<< Comparative Example 1 >>
A fuel cell (battery 2) was produced in the same manner as in Example 1 except that the
《比較例2》
アノード側拡散層6aとしてカーボンペーパー(東レ(株)製のTGP−H120)を6cm×6cmのサイズに切断し、熱硬化性樹脂である10重量%のポリテトラフルオロエチレン−ポリヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)を含浸した。次に燃料浸透性を有する吸水性高分子ゲル(日本純薬工業(株)製のジュンロンPW−150)と、Nafion(Du Pont社製)の水分散液と、結着材であるポリエチレンオキサイドと、を混合し、スラリー状の混合物を調整した。
<< Comparative Example 2 >>
Carbon paper (TGP-H120 manufactured by Toray Industries, Inc.) is cut into a size of 6 cm × 6 cm as the anode
次に、FEPを含浸させたカーボンペーパーを用意し、当該カーボンペーパーの片面において、当該カーボンペーパーをアノード側拡散層6aとして直接型燃料電池1に組み込んだときにアノード側流路12aに対向する部分以外の部分に、マスクを配置した。マスクを配置した上記カーボンペーパーの両面に、上記スラリー状の混合物を刷り込みながら塗布して乾燥し、その後にマスクを取り除いた。このようにして、燃料浸透性材料が塗り込まれた領域に燃料浸透層が形成されたアノード側拡散層6aを得た。
Next, carbon paper impregnated with FEP is prepared, and on one side of the carbon paper, a portion facing the anode-
本比較例においては、図5に示す構造を有するアノード側セパレータ33aを用いた。図5は、本比較例に用いたアノード側セパレータ33aのアノード側流路側からみた正面図である。
このアノード側セパレータ33aには、燃料ガスをアノード7aに供給するための燃料供給用流路38と、二酸化炭素などを排出するためのガス排気用流路39と、を交互に並列して設けた。
In this comparative example, an
In this
燃料供給用流路38の開口部面積は、実施例1で使用したアノード側流路12aの開口部面積と同じに設定した。また、燃料供給用流路38の間にガス排気用流路39を設け、かつ、燃料供給用流路38の終端部38Aおよびガス排気用流路39の開始部39Aが、破線で示されるアノード7aに対応する部分(電極部)内で閉じた。
The opening area of the fuel
上記のようにして作製したアノード側拡散層6aおよびアノード側セパレータ33aを用い、かつ膜16を使用しないこと以外は、実施例1と同様にして燃料電池(電池3)を作製した。
A fuel cell (cell 3) was produced in the same manner as in Example 1 except that the anode-
《比較例3》
膜16に撥水層16Aを設けなかったこと以外は、実施例1と同様にして燃料電池(電池4)を作製した。
<< Comparative Example 3 >>
A fuel cell (cell 4) was produced in the same manner as in Example 1 except that the
《実施例2》
アノード側セパレータ3aに設けたアノード側流路12aにおいて、スロープ15の開始端高さt5を0.3mmに設定したこと以外は、実施例1と同様にして燃料電池(電池5)を作製した。
Example 2
The
《実施例3》
アノード側セパレータ3aに設けたアノード側流路12aにおいて、開始端深さ(t2)0.6mm、終端深さ(t6)1mmの寸法を有する溝部を形成し、スロープ15の開始端高さt5を0.3mmとし、終端高さ(t3)を0.7mmと設定した以外は、実施例1と同様にして燃料電池(電池6)を作製した。
Example 3
In the anode-
《実施例4》
アノード側セパレータ3aに設けたアノード側流路12aにおいて、開始端深さ(t2)0.6mm、終端深さ(t6)0.6mmの寸法を有する溝部を形成し、スロープ15の開始端高さt5を0.3mmとし、終端高さ(t3)を0.3mmと設定した以外は、実施例1と同様にして燃料電池(電池7)を作製した。
Example 4
In the anode-
《実施例5》
アノード側セパレータ3aに設けたアノード側流路12aにおいて、終端深さ(t6)1mmの寸法を有する溝部を形成し、スロープ15の開始端高さt5を0mmとし、終端高さ(t3)を0.7mmと設定した以外は、実施例1と同様にして燃料電池(電池8)を作製した。
Example 5
In the anode-
[評価試験]
上記電池1〜8のアノード側流路12aに、4Mメタノール水溶液を流量0.5cc/minで供給し、カソード側流路12Cに空気を流量0.5L/minで供給し、電池温度60℃および電流密度150mA/cm2の条件で10分間発電を行った。
10分間の発電後の電圧を測定するとともに、アノード7a側から排出されるメタノール量を計測した。
[Evaluation test]
A 4M methanol aqueous solution is supplied at a flow rate of 0.5 cc / min to the anode
The voltage after power generation for 10 minutes was measured, and the amount of methanol discharged from the
ただし、電池2の電圧を100とし、電池1、3〜6の電圧は、電池2の電圧に対する指数として表した。また、メタノール排出量も、電池2のメタノール排出量を100とし、電池1、3〜6のメタノール排出量は、電池2のメタノール排出量に対する指数として表した。なお、単位は揃えた。
However, the voltage of the
なお、表1には、第2の部分流路(二酸化炭素(CO2)排出用流路)19の断面積の上流から下流への変化を記載した。また、第1の部分流路(燃料供給用流路)18の断面積の上流から下流への変化も記載した。
また、第1の部分流路18および第2の部分流路19とを含むアノード側流路12a(図4における直線状溝部12a1)の断面積の上流側から下流側への変化も記載した。
さらに表2には、アノード側流路を構成する溝部の深さ(開始端および終端)、ならびに溝部に設けたスロープの高さ(開始端および終端)を記載した。
In Table 1, the change from the upstream to the downstream of the cross-sectional area of the second partial flow path (carbon dioxide (CO 2 ) discharge flow path) 19 is described. The change from the upstream to the downstream of the cross-sectional area of the first partial flow path (fuel supply flow path) 18 is also described.
In addition, a change from the upstream side to the downstream side of the cross-sectional area of the anode-
Further, Table 2 shows the depth (start end and end) of the groove part constituting the anode side flow path, and the height (start end and end point) of the slope provided in the groove part.
表1に示すように、実施例1において、メタノールのアノード側からの排出量は、比較例1(膜を用いない場合)に比べて約1/3まで低減している。これは発電によって生成する二酸化炭素ガスが膜を通過することで、二酸化炭素ガスがアノード側流路内およびアノード側拡散層内で滞留することを抑制し、燃料と二酸化炭素ガスが混在し難くなっているためと推測される。 As shown in Table 1, in Example 1, the discharge amount of methanol from the anode side is reduced to about 3 compared to Comparative Example 1 (when no membrane is used). This is because carbon dioxide gas generated by power generation passes through the membrane, suppressing the carbon dioxide gas from staying in the anode-side flow path and the anode-side diffusion layer, making it difficult for the fuel and carbon dioxide gas to coexist. It is presumed that.
また、電圧は、実施例1において、比較例2(つまり二酸化炭素排出のためにアノード側流路を燃料供給のための第1の部分流路と、排気用の第2の部分流路に分けた場合)に比べて、約23%向上した。
比較例2では、図6に示すように、アノード側セパレータ33aに別途ガス排気用流路39を設けたため、ガス排気用流路39に対向する領域のアノード側触媒層6a表面では燃料供給量が不足し、結果電圧低下に至ったものと考えられる。なお、図6は、比較例2の燃料電池を、図5におけるS−S線に対応する部分で切断して得られる概略部分断面図である。
In Example 1, the voltage is divided into Comparative Example 2 (that is, the anode side channel for carbon dioxide emission is divided into a first partial channel for fuel supply and a second partial channel for exhaust gas). ) About 23%.
In Comparative Example 2, as shown in FIG. 6, since the
それに対し、実施例1の場合には、図3に示すように、アノード側流路12aを、アノード側流路12aの深さ方向において、膜電極接合体2側に位置する第1の部分流路18と、アノード側流路12aの底部側に位置する第2の部分流路19とに、二分割した。そのため、第1の部分流路18の開口部全体から燃料をアノード側拡散層6aへ供給することができ、アノード側触媒層5a表面全体にムラなく燃料を供給することができたためであると考えられる。
比較例2のように、燃料供給用流路38とガス排気用流路39との開口部面積比を変更し、燃料供給用流路38の開口部面積占有率を増やすことで、ガス排気用流路39に対向する領域への燃料供給量不足をある程度低減することは可能である。しかし、ガス排気用流路39を別途設ける以上、実施例1と同様の燃料供給状態を形成することはできない。
On the other hand, in the case of Example 1, as shown in FIG. 3, the first partial flow located on the
As in Comparative Example 2, the ratio of the opening area between the fuel
比較例3では、実施例1の気体透過層16Bだけを用い、撥水層16Aを設けなかったが、比較例3のメタノール排出量は比較例1と大差なかった。これは、撥水層16Aがないことから、気体透過層16Bが二酸化炭素ガスだけでなく燃料も通過させたためであると考えられる。
In Comparative Example 3, only the gas
実施例2は、実施例1の二酸化炭素ガスの流れる第2の部分流路19の寸法を、燃料の流れの上流から下流まで一定にしたものであり、メタノール排出量は実施例1よりも多くなっている。これは、燃料の流れの上流側での気体層の体積が大きいために液体燃料の一部が気化し、気体透過層を透過し、未使用のまま排出されてしまったためであると考えられる。
また、実施例5は、実施例1のアノード側流路を、燃料の流れの上流から下流まで一定にしたものであり、メタノール排出量は実施例1よりも若干多くなっている。これは、燃料の流れの下流側での、気体層の体積が大きいために、液体燃料の一部が気化し、気体透過層を通過し、未使用のまま排出してしまったためだと推測される。
In the second embodiment, the size of the second
In the fifth embodiment, the anode-side flow path of the first embodiment is made constant from the upstream to the downstream of the fuel flow, and the methanol discharge amount is slightly larger than that of the first embodiment. This is presumed to be because part of the liquid fuel vaporized, passed through the gas permeable layer, and was discharged unused because the volume of the gas layer on the downstream side of the fuel flow was large. The
燃料であるメタノールまたはメタノール水溶液を、水素に改質せずに、直接用いる本発明の高分子電解質型燃料電池は、携帯電話、携帯情報端末(PDA)、ノートPCおよびビデオカメラなどの携帯用小型電子機器用の電源として有用である。また、電動スクータ用電源などにも応用できる。 The polymer electrolyte fuel cell of the present invention, which is used directly without reforming methanol or aqueous methanol as a fuel into hydrogen, is a portable compact such as a mobile phone, a personal digital assistant (PDA), a notebook PC and a video camera. It is useful as a power source for electronic equipment. It can also be applied to power sources for electric scooters.
1・・・単セル、2・・・膜電極接合体、3a・・・アノード側セパレータ、3c・・・カソード側セパレータ、4・・・高分子電解質膜、5a・・・アノード側触媒層、5c・・・カソード側触媒層、6a・・・アノード側ガス拡散層、6c・・・カソード側ガス拡散層、7a・・・アノード、7c・・・カソード、11・・・ガスケット、12a・・・アノード側流路、13・・・リブ、16・・・液体難浸透性および気体透過性を有する膜、16A・・・撥水層、16B・・・気体透過層、18・・・第1の部分流路、19・・・第2の部分流路
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記膜電極接合体の第1の面に配置されたアノード側セパレータ、および、前記膜電極接合体の前記第1の面に対向する第2の面に配置されたカソード側セパレータ、で構成される直接型燃料電池であって、
前記アノード側セパレータは前記アノード側の面にアノード側流路を有するとともに、前記カソード側セパレータは前記カソード側の面にカソード側流路を有し、
前記アノード側流路のうちの少なくとも一部が、当該アノード側流路の深さ方向において、液体難浸透性および気体透過性を有する膜によって、前記膜電極接合体側に位置する第1の部分流路と、前記アノード側流路の底部側に位置する第2の部分流路とに、二分割されており、
前記第1の部分流路には主として燃料が流れ、前記第2の部分流路には主として二酸化炭素が流れることを特徴とする直接型燃料電池。 A polymer electrolyte membrane; an anode joined to the first surface of the polymer electrolyte membrane; and a cathode joined to a second surface opposite to the first surface of the polymer electrolyte membrane. A membrane electrode assembly, an anode separator disposed on a first surface of the membrane electrode assembly, and a cathode disposed on a second surface opposite to the first surface of the membrane electrode assembly A direct fuel cell comprising a side separator,
The anode-side separator has an anode-side channel on the anode-side surface, and the cathode-side separator has a cathode-side channel on the cathode-side surface,
At least a part of the anode-side channel is a first partial flow located on the membrane electrode assembly side by a membrane having poor liquid permeability and gas permeability in the depth direction of the anode-side channel. Divided into a channel and a second partial channel located on the bottom side of the anode-side channel,
A direct fuel cell characterized in that fuel mainly flows through the first partial flow path and carbon dioxide flows mainly through the second partial flow path.
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