JP2006344412A - Conductive porous material used for fuel cell, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に用いられる導電性多孔質体および燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a conductive porous body used in a fuel cell and a fuel cell.
この種の燃料電池としては、例えば固体高分子型燃料電池やダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)等が知られており、一般に、表面側から裏面側に向けて燃料または空気が通過される導電性多孔質体が備えられている。この導電性多孔質体としては、例えば下記特許文献1に示されるような、三次元網目構造を有する構成が知られている。
ところが、この燃料電池にあっては、近年、出力のさらなる向上が求められている。
本発明は、以上の課題に鑑みてなされたもので、出力のさらなる向上を図ることが可能になる燃料電池に用いられる導電性多孔質体および燃料電池を提供することを目的とする。
However, in this fuel cell, further improvement in output has been demanded in recent years.
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a conductive porous body and a fuel cell used for a fuel cell capable of further improving output.
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の燃料電池に用いられる導電性多孔質体は、燃料電池に用いられ、表面側から裏面側に向けて燃料または空気が通過される導電性多孔質体であって、同一の発泡孔が表裏面に開口するとともに、面方向で隣合う発泡孔同士が連通していることを特徴とする。 In order to solve such problems and achieve the above object, the conductive porous body used in the fuel cell of the present invention is used in a fuel cell, and fuel or air flows from the front side to the back side. A conductive porous body to be passed, wherein the same foaming holes are opened on the front and back surfaces, and the foaming holes adjacent in the surface direction communicate with each other.
この発明では、同一の発泡孔が導電性多孔質体の表裏面に開口しているので、この導電性多孔質体が燃料電池に備えられ、燃料または空気を、導電性多孔質体をその厚さ方向に通過させたときに、該通過後の前記燃料等の流速の低下、つまり圧力損失を最小限に抑えることが可能になる。したがって、この燃料電池に例えばポンプが備えられ、該ポンプにより前記燃料等を導電性多孔質体に供給する構成において、該ポンプの消費電力を最小限に抑制することが可能になり、またこのポンプを使用する構成に代えて、いわゆるパッシブ型の燃料電池においては、前記燃料等が導電性多孔質体を通過する流速を増大させることが可能になる。
以上より、燃料電池の出力の向上を図ることができる。
In the present invention, since the same foamed holes are opened on the front and back surfaces of the conductive porous body, the conductive porous body is provided in the fuel cell, and the fuel or air is supplied to the conductive porous body in the thickness thereof. When passing in the vertical direction, it is possible to minimize the decrease in the flow velocity of the fuel after the passage, that is, the pressure loss. Therefore, in this fuel cell, for example, a pump is provided, and in the configuration in which the fuel or the like is supplied to the conductive porous body by the pump, the power consumption of the pump can be minimized, and the pump In a so-called passive type fuel cell, the flow rate of the fuel and the like passing through the conductive porous body can be increased in place of the configuration using.
As described above, the output of the fuel cell can be improved.
また、前記導電性多孔質体が、いわゆるダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)に備えられた場合には、アノード極で副生成物として発生した二酸化炭素を、良好に導電性多孔質体を通過させることが可能になり、前記二酸化炭素が導電性多孔質体に付着して、前記発泡孔を塞ぐことを抑制することができる。したがって、前記DFMCを使用する過程において、前記二酸化炭素の付着により、反応場へのメタノール水溶液(燃料)の供給効率が低下することを抑えることが可能になる。
以上より、燃料電池の出力が使用の過程で徐々に低下することを抑制することができる。
Further, when the conductive porous body is provided in a so-called direct methanol fuel cell (DMFC), carbon dioxide generated as a by-product at the anode electrode is allowed to pass through the conductive porous body satisfactorily. It becomes possible to prevent the carbon dioxide from adhering to the conductive porous body and closing the foamed holes. Therefore, in the process of using the DFMC, it is possible to suppress a decrease in the supply efficiency of the aqueous methanol solution (fuel) to the reaction field due to the adhesion of the carbon dioxide.
As mentioned above, it can suppress that the output of a fuel cell falls gradually in the process of use.
さらに、前記導電性多孔質体の面方向で隣合う発泡孔同士が連通しているので、前記燃料等が導電性多孔質体をその厚さ方向に通過する際に、該燃料等を、導電性多孔質体の内部を面方向に拡散させながら通過させることが可能になる。したがって、導電性多孔質体を通過する前記燃料等の流速が、該導電性多孔質体の表面に沿った方向でばらつくこと、つまり該表面に沿った方向で前記燃料等の圧力差が生ずることを抑制することが可能になり、この燃料電池の出力の向上を図ることができる。 Further, since the adjacent foam holes in the surface direction of the conductive porous body communicate with each other, when the fuel or the like passes through the conductive porous body in the thickness direction, the fuel or the like is electrically conductive. It is possible to pass through the inside of the porous porous body while diffusing in the surface direction. Therefore, the flow velocity of the fuel or the like passing through the conductive porous body varies in the direction along the surface of the conductive porous body, that is, the pressure difference of the fuel or the like occurs in the direction along the surface. And the output of the fuel cell can be improved.
また、本発明の燃料電池は、請求項1記載の燃料電池に用いられる導電性多孔質体を備えることを特徴とする。 A fuel cell according to the present invention includes a conductive porous body used in the fuel cell according to claim 1.
本発明に係る燃料電池に用いられる導電性多孔質体および燃料電池では、その出力のさらなる向上を図ることができる。 In the conductive porous body and the fuel cell used in the fuel cell according to the present invention, the output can be further improved.
本発明の一実施形態に係る燃料電池に用いられる導電性多孔質体11は、シート状とされるとともに、図1に示すように、その内部に無数の発泡孔11aが、該多孔質体11の表裏面11b、11bおよび側面に開口した状態で形成されている。すなわち、同一の発泡孔11aは、導電性多孔質体11の表裏面11b、11bに開口するとともに、面方向で隣合う発泡孔11a、11a同士が連通している。また、導電性多孔質体10の厚さは、発泡孔11aの仮想発泡径A以下とされている。なお、仮想発泡径Aは、導電性多孔質体11(後述するスラリーS)の厚さが十分に大きい場合に、後述する発泡剤が、図1の二点鎖線に示すように、最大限発泡したときの発泡孔11aの内径をいう。
The conductive
面方向で隣合う発泡孔11a、11a同士の間に位置される骨部12は、導電性多孔質体11の表裏面11b、11bからそれぞれ、その厚さ方向中央部に向かうに従い漸次、この導電性多孔質体11の表裏面11b、11bに沿った方向における大きさが小さくされる先細り形状とされ、面方向で隣合う発泡孔11a、11a同士は、この導電性多孔質体11の厚さ方向中央部で連通されている。なお、この導電性多孔質体11は、気孔率や厚さを適宜調節でき、使用できる原料金属も多様である発泡金属焼結シートから形成されている。
The
ここで、導電性多孔質体11に好適な発泡金属焼結シートの製造方法について説明する。この発泡金属焼結シートは、例えば金属粉末を含むスラリーSを薄く成形して乾燥させたグリーンシートGを焼成することにより製造される。
Here, the manufacturing method of the foam metal sintered sheet suitable for the electroconductive
スラリーSは、導電性を有する金属粉末、発泡剤(例えば炭素数5〜8の非水溶性炭化水素系有機溶剤(例えばネオペンタン、ヘキサン、ヘプタン))、有機バインダ(例えばメチルセルロースやヒドロキシプロピルメチルセルロース)、溶媒(水)等を混合したものである。このスラリーSをドクターブレード法により薄く成形するグリーンシート製造装置50を図5に示す。
The slurry S is a conductive metal powder, a foaming agent (for example, a water-insoluble hydrocarbon-based organic solvent having 5 to 8 carbon atoms (for example, neopentane, hexane, heptane)), an organic binder (for example, methylcellulose or hydroxypropylmethylcellulose), A solvent (water) or the like is mixed. A green
グリーンシート製造装置50において、まず、スラリーSが貯蔵されたホッパー51から、キャリアシート52上にスラリーSが供給される。キャリアシート52はローラ53によって搬送されており、キャリアシート52上のスラリーSは、移動するキャリアシート52とドクターブレード54との間で延ばされ、所要の厚さに成形される。
In the green
成形されたスラリーSは、さらにキャリアシート52によって搬送され、加熱処理を行う発泡槽55および加熱炉56を順次通過する。発泡槽55では高湿度雰囲気下で加熱処理を行うので、スラリーSにひび割れを生じさせずに発泡剤を発泡させて発泡孔を形成することができる。この際、同一の発泡孔はスラリーSの表裏面に達して、該表裏面に開口するとともに、面方向で隣合う発泡孔同士は、スラリーSの厚さ方向中央部で連通される。そして、このスラリーSが加熱炉56で乾燥されると、金属粉末が有機バインダによって接合された状態のグリーンシートGが形成される。
The formed slurry S is further conveyed by the
このグリーンシートGを、キャリアシート52から取り外した後、図示しない真空炉で脱脂、焼成することにより、有機バインダが取り除かれ、金属粉末同士が焼結した発泡金属焼結シートが得られる。そして、この発泡金属焼結シートを任意の大きさに切断することにより、導電性多孔質体11が得られる。
The green sheet G is removed from the
次に、この導電性多孔質体11を燃料電池に用いた第1実施形態について図2に従い説明する。
この燃料電池20は、いわゆる平面配置型構造とされ、各々が導電性多孔質体11を有する一対の電極部材10、10と、これらの電極部材10、10の電極面10a、10aに挟まれた電解質層30と、燃料極Aとしての一方の電極部材10に燃料を供給する燃料供給部40とを備える概略構成とされている。電解質層30は、例えばフッ素樹脂系の高分子電解質膜で形成され、膜中では水素イオンが移動可能である反面、電子を通過させないという性質を有している。なお、一対の電極部材10、10のうち他方は空気極Bとされている。
Next, a first embodiment in which the conductive
The
ここで、電極部材10は、図3に示されるように、複数枚の導電性多孔質体11が面方向に間隔をおいて配置された状態で、各導電性多孔質体11間を埋めるとともに全体の外周を囲むように樹脂部13が設けられている。そして、各導電性多孔質体11の一端には、樹脂部13の外周まで延びる金属薄板タブ92が接続されている。
この電極部材10は、例えば導電性多孔質体11に金属薄板92を溶着したものをインサート部品として、射出成形により樹脂部13を成形することによって形成される。これにより、導電性多孔質体11と金属薄板92と樹脂部13とが一体とされた電極部材10が得られる。
Here, as shown in FIG. 3, the
The
燃料極Aは、電極面10aを構成する導電性多孔質体11の一方の表面11bが触媒層Cを介して電解質層30に接続されるとともに、この表面11bと反対側の裏面11bが燃料を保持および供給する燃料供給部40に接続されている。触媒層Cは空気極Bの導電性多孔質体11にも同様に形成され、各導電性多孔質体11の前記一方の表面11bに、白金系触媒微粒子を担持させたカーボン粒子を含む高分子電解質溶液を塗布することにより形成される。
In the fuel electrode A, one
燃料極Aおよび空気極Bにそれぞれ4つ連設された各導電性多孔質体11は、これら11に各別に設けられた金属薄板92を介して導電性多孔質体11の連設方向に直列に接続されるように、電解質層30を挟んでこの連設方向の隣に位置する導電性多孔質体11の金属薄板92に、配線16を介して接続されている。そして、前記連設方向の両端に位置する金属薄板92がこの燃料電池20の陽極21、陰極22として機能するようになっている。
Each of the four conductive
燃料供給部40は、燃料(ここではメタノール水溶液)を保持し、かつこの燃料を燃料極Aの導電性多孔質体11に供給するフェルト等からなる多孔質部41が、樹脂枠42によって被覆された構成とされている。そして、燃料供給部40の多孔質部41を燃料極Aの導電性多孔質体11に接触させて配置することにより、多孔質部41に保持された燃料を、浸透圧によって導電性多孔質体11に供給できるようになっている。燃料供給部40の樹脂枠42と電極部材10の樹脂部13とは、例えば超音波接合される。
The
以上より、燃料極Aおよび空気極Bの導電性多孔質体11は、この燃料電池20において通気性および導電性を備えることにより、いわゆるガス拡散層と集電板とを兼ねるようになっている。
なお、触媒層Cは、本実施形態では、燃料極Aおよび空気極Bにおいて、各導電性多孔質体11の、前記電極面10aを構成する表面11bに塗布形成したが、導電性多孔質体11と電解質層30との界面に設けられていればよいので、電解質層30の表面に形成してもよい。
As described above, the conductive
In the present embodiment, the catalyst layer C is formed on the
以上のように構成された燃料電池20は、燃料供給部40から燃料極Aの導電性多孔質体11に供給された燃料中の水素が、触媒層C上で電極反応によりイオン化して電解質層30中を空気極Bに向かって移動する。そして、この空気極Bに到達した水素イオンは、空気極Bにおいて、電解質層30と触媒層Cとの界面で、導電性多孔質体11の、前記電極面10aを構成する表面11bと反対側の裏面11bから供給された空気中の酸素と電極反応して水を生成する。
一方で、前記水素のイオン化により燃料極Aで発生した電子は、燃料極Aから金属薄板92を介して空気極Bへ移動し、該移動により電気エネルギが発生する。
In the
On the other hand, the electrons generated at the fuel electrode A due to the ionization of hydrogen move from the fuel electrode A to the air electrode B through the metal
次に、導電性多孔質体11を燃料電池に用いた第2実施形態について図4に従い説明する。なお、図1から図3で示した形態と同一の部位には同一符号を付してその説明は省略する。
Next, a second embodiment in which the conductive
この燃料電池60は、いわゆるスタック型構造とされ、各々が導電性多孔質体11を有する一対の電極部材61、61と、これらの電極部材61、61の電極面61a、61aに挟まれた電解質層30とを備える積層構造体60aが、セパレータ62を介して積層された概略構成とされている。各積層構造体60aにおいて、一方の電極部材61が燃料極A、他方の電極部材61が空気極Bとされている。図示の例では、一の積層構造体60aの燃料極Aが、セパレータ62を介して他の積層構造体60aの空気極Bと対向するように配置されている。なお、セパレータ62は、空気や燃料となるガスまたは液体を通過させず導電性を有する材質、例えばカーボン板や耐食性のある金属(ステンレス鋼)板等により形成されている。
The
本実施形態の電極部材61は、導電性多孔質体11の外周縁をその全域に亙って囲み、該多孔質体11の面方向に延びる樹脂部13が、導電性多孔質体11の外周縁部に接合された概略構成とされている。
また、燃料電池60には、導電性多孔質体11の配設位置を回避した位置に、前記積層された方向に貫通する複数の貫通孔60bが形成されている。
The
The
前記積層構造体60aにおいて、前記電極面61a、61a、すなわち一対の電極部材61、61をそれぞれ構成する導電性多孔質体11の互いに対向する一方の表面には、前記第1実施形態と同様に触媒層Cが形成されており、該触媒層Cを介して各導電性多孔質体11が電解質層30に接続されている。
In the
以上の構成において、一の前記貫通孔61bに供給された燃料が、各燃料極Aの導電性多孔質体11を厚さ方向に通過しながら電解質層30と触媒層Cとの界面に水素を供給することにより、該水素が前記第1実施形態と同様にイオン化する。そして、この水素イオンは、電解質層30を挟んで対向して位置された空気極Bに到達したときに、この空気極Bにおける電解質層30と触媒層Cとの界面で、燃料電池60に供給された空気中の酸素と電極反応して水を生成する。その一方で、前記水素のイオン化により発生した電子は、前記水素イオンとともに燃料極Aから空気極Bへと移動し、該移動により電気エネルギが発生する。なお、本実施形態では、セパレータ62が設けられたことにより、一の積層構造体60aと他の積層構造体60aとを気密に隔てるとともに、セパレータ62を通じて各積層構造体60a同士の間で電子のやりとりが行われることになる。
In the above configuration, the fuel supplied to one through-hole 61b passes hydrogen through the conductive
以上説明したように、本実施形態による導電性多孔質体11によれば、同一の発泡孔11aが導電性多孔質体11の表裏面11b、11bに開口しているので、この導電性多孔質体11が燃料電池20、60の電極部材10、61に備えられ、燃料または空気を、導電性多孔質体11をその厚さ方向に通過させたときに、該通過後の前記燃料等の流速の低下、つまり圧力損失を最小限に抑えることが可能になる。
As described above, according to the conductive
したがって、この燃料電池に例えばポンプが備えられ、該ポンプにより燃料または空気を導電性多孔質体11に供給する構成において、該ポンプの消費電力を最小限に抑制することが可能になり、またこのポンプを使用する構成に代えて、いわゆるパッシブ型の燃料電池においては、前記燃料等が導電性多孔質体11を通過する流速を増大させることが可能になる。
以上より、燃料電池の出力の向上を図ることができる。
Therefore, in this fuel cell, for example, a pump is provided, and in the configuration in which fuel or air is supplied to the conductive
As described above, the output of the fuel cell can be improved.
また、導電性多孔質体11が、いわゆるダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)に備えられた場合には、アノード極で副生成物として発生した二酸化炭素を、良好に導電性多孔質体11を通過させることが可能になり、前記二酸化炭素が導電性多孔質体11の骨部12に付着して、発泡孔11aを塞ぐことを抑制することができる。したがって、前記DFMCを使用する過程において、前記二酸化炭素の付着により、反応場へのメタノール水溶液(燃料)の供給効率が低下することを抑えることが可能になる。
ことを抑えることが可能になる。
以上より、燃料電池の出力が使用の過程で徐々に低下することを抑制することができる。
Further, when the conductive
It becomes possible to suppress this.
As mentioned above, it can suppress that the output of a fuel cell falls gradually in the process of use.
さらに、導電性多孔質体11の面方向で隣合う発泡孔11a同士が連通しているので、前記燃料等が導電性多孔質体11をその厚さ方向に通過する際に、該燃料等を、導電性多孔質体11の内部を面方向に拡散させながら通過させることが可能になる。したがって、導電性多孔質体11を通過する前記燃料等の流速が、該導電性多孔質体11の表面に沿った方向でばらつくこと、つまり該表面11b、11bに沿った方向で前記燃料等の圧力差が生ずることを抑制することが可能になり、この燃料電池の出力の向上を図ることができる。
Further, since the
なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。 The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
燃料電池の出力のさらなる向上を図ることができる。 The output of the fuel cell can be further improved.
10、61 電極部材
11 導電性多孔質体
11a 発泡孔
11b 導電性多孔質体の表面または裏面
20、60 燃料電池
DESCRIPTION OF
Claims (2)
同一の発泡孔が表裏面に開口するとともに、面方向で隣合う発泡孔同士が連通していることを特徴とする燃料電池に用いられる導電性多孔質体。 A conductive porous body that is used in a fuel cell and through which fuel or air passes from the front side to the back side,
A conductive porous body used for a fuel cell, wherein the same foaming holes are opened on the front and back surfaces, and the foaming holes adjacent in the surface direction communicate with each other.
A fuel cell comprising a conductive porous body used in the fuel cell according to claim 1.
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