JP2007026873A - Fuel cell - Google Patents

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Yumiko Takizawa
由美子 瀧澤
Nobuyasu Negishi
信保 根岸
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell in which permeation of fuel to an oxidant electrode is suppressed. <P>SOLUTION: The fuel cell is equipped with a solid electrolyte membrane 3, a plurality of fuel electrode catalyst layers 6 formed on the solid electrolyte membrane 3, hydrophobic insulating layers 9 for fuel electrode formed on the solid electrolyte membrane 3 so as to surround the respective surroundings of the plurality of fuel electrode catalyst layers 6, a plurality of oxidant electrode catalyst layers 4 formed on a face on the opposite side of the solid electrolyte membrane 3 where the plurality of fuel electrode catalyst layers 6 are formed, and hydrophobic insulating layers 8 for oxidant electrode which are formed on the opposite face of the solid electrolyte membrane 3 so as to surround the respective surroundings of the plurality of oxidant electrode catalyst layers 4. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、複数の単セルを備えた組電池構造の燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell having an assembled battery structure including a plurality of single cells.

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 gas supply type DMFC that vaporizes liquid fuel and then feeds it into the fuel cell with a blower, etc., liquid supply type DMFC that feeds liquid fuel directly into the fuel cell with a pump and the like, and 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.

これらDMFCでは、高出力を得るために複数の単セルが用いられているが、セル数が増えると、燃料極触媒層の周囲から漏れ出す燃料によるメタノールクロスオーバを無視できなくなり、これに対する対策が求められている。   In these DMFCs, a plurality of single cells are used to obtain a high output. However, as the number of cells increases, methanol crossover due to fuel leaking from the periphery of the fuel electrode catalyst layer cannot be ignored. It has been demanded.

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。
特開平3−138865号公報 特開2003−243002号公報
On the other hand, in Patent Document 2, by forming a conductive flexible portion made of expanded graphite material, carbon fiber material or conductive rubber in a separator, the electrical and thermal contact between the membrane electrode composite and the separator is good. Is disclosed.
Japanese Patent Laid-Open No. 3-138865 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-243002

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.

本発明に係る燃料電池は、固体電解質膜と、
前記固体電解質膜に形成された複数の燃料極触媒層と、
前記固体電解質膜に前記複数の燃料極触媒層それぞれ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複数の燃料極触媒層が形成されたのと反対側の面に形成された複数の酸化剤極触媒層と、
前記固体電解質膜の前記反対側の面に前記複数の酸化剤極触媒層それぞれ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。
A fuel cell according to the present invention includes a solid electrolyte membrane,
A plurality of fuel electrode catalyst layers formed on the solid electrolyte membrane;
A hydrophobic insulating layer for a fuel electrode formed on the solid electrolyte membrane so as to surround each of the plurality of fuel electrode catalyst layers;
A plurality of oxidant electrode catalyst layers formed on a surface of the solid electrolyte membrane opposite to the plurality of fuel electrode catalyst layers formed;
An oxidant electrode hydrophobic insulating layer formed so as to surround each of the plurality of oxidant electrode catalyst layers is provided on the opposite surface of the solid electrolyte membrane.

また、本発明に係る別の燃料電池は、固体電解質膜と、前記固体電解質膜に形成された燃料極触媒層と、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形成された酸化剤極触媒層とを備えた複数の膜電極接合体を具備する燃料電池であって、
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。
Further, another fuel cell according to the present invention includes a solid electrolyte membrane, a fuel electrode catalyst layer formed on the solid electrolyte membrane, and a side opposite to the fuel electrode catalyst layer of the solid electrolyte membrane formed. A fuel cell comprising a plurality of membrane electrode assemblies provided with an oxidant electrode catalyst layer formed on a surface,
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;
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、固体電解質膜の表面に燃料極触媒層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、燃料極触媒層から漏れ出した燃料が固体電解質膜を透過するのを抑制することができる。また、燃料極触媒層から漏れ出した燃料が万一、固体電解質膜を透過しても、固体電解質膜の表面には酸化剤極触媒層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いるため、酸化剤極への燃料透過を抑制することが可能である。以上のことから、複数の単セルを用いた際の燃料透過を効果的に抑制することができるため、高出力な燃料電池を実現できるのである。   According to the present invention, since the hydrophobic insulating layer for the fuel electrode is integrated on the surface of the solid electrolyte membrane so as to surround the periphery of the fuel electrode catalyst layer, the fuel leaked from the fuel electrode catalyst layer is solid electrolyte membrane. Can be suppressed. In addition, even if the fuel leaked from the fuel electrode catalyst layer passes through the solid electrolyte membrane, the surface of the solid electrolyte membrane surrounds the periphery of the oxidant electrode catalyst layer so that the hydrophobic insulating layer for the oxidant electrode Is integrated, it is possible to suppress fuel permeation to the oxidant electrode. From the above, since fuel permeation when using a plurality of single cells can be effectively suppressed, a high output fuel cell can be realized.

さらに、燃料極用疎水性絶縁層及び酸化剤極用疎水性絶縁層は、固体電解質膜の強度を補強することが可能であるため、固体電解質膜のハンドリング性を良好にすることができると共に、燃料電池の信頼性を高めることができる。また、燃料極用疎水性絶縁層及び酸化剤極用疎水性絶縁層は、いずれも絶縁部材であるため、ガスケットを兼ねることができ、組立て性も改善することが可能である。   Furthermore, since the hydrophobic insulating layer for the fuel electrode and the hydrophobic insulating layer for the oxidant electrode can reinforce the strength of the solid electrolyte membrane, the handling property of the solid electrolyte membrane can be improved, The reliability of the fuel cell can be increased. In addition, since both the hydrophobic insulating layer for the fuel electrode and the hydrophobic insulating layer for the oxidant electrode are insulating members, they can also serve as gaskets and improve the assemblability.

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、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 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, inorganic substances such as tungstic acid and phosphotungstic acid, and the like. However, it is not limited to these.

(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.

(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)、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。中でも、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、フッ素含有樹脂あるいはフッ素含有ゴムが好ましい。   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.), silicon-containing resins and silicon-containing rubbers (eg, cyano) (Silicon rubber). Among these, a fluorine-containing resin or a fluorine-containing rubber is preferable because the adhesive strength with the solid electrolyte membrane is increased and the methanol permeation amount is also reduced.

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、後述する図1に示すような内部気化型の燃料電池では、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, it is possible to increase the methanol permeation suppressing effect. In the internal vaporization type fuel cell as shown in FIG. It is possible to promote water diffusion from the oxidant electrode to the fuel electrode by increasing the hydrophobicity of the hydrophobic insulating layer for use.

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。
(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.

(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)燃料
燃料には、液体燃料か、あるいは液体燃料を気化させた気化燃料を使用することが可能である。液体燃料をそのまま燃料極触媒層に供給する場合には、メタノール水溶液を使用することが望ましい。
(4) Fuel As the fuel, it is possible to use liquid fuel or vaporized fuel obtained by vaporizing liquid fuel. When liquid fuel is supplied as it is to the fuel electrode catalyst layer, it is desirable to use an aqueous methanol solution.

一方、液体燃料の気化成分を燃料極触媒層に供給する場合には、液体燃料としては、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。   On the other hand, when the vaporized component of liquid fuel is supplied to the fuel electrode catalyst layer, an aqueous methanol solution, pure methanol, or the like can be used as the liquid fuel. 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 desirably 95% by weight or more and 100% by weight or less.

以下、本発明の第1の実施形態である内部気化型の直接メタノール型燃料電池を図1〜図2を参照して説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る内部気化型の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。図2は、図1の燃料電池に用いられる酸化剤極用疎水性絶縁層を示す模式的な平面図である。   Hereinafter, an internal vaporization type direct methanol fuel cell according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an internal vaporization type direct methanol fuel cell according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic plan view showing a hydrophobic insulating layer for an oxidant electrode used in the fuel cell of FIG.

図1に示すように、この燃料電池は、複数の単セルを備える組電池である。各単セルは、酸化剤極1と、燃料極2と、酸化剤極1と燃料極2との間に配置されたプロトン伝導性の固体電解質膜3とを有する膜電極接合体(MEA)を備える。1枚の固体電解質膜3が全ての膜電極接合体(MEA)で共有されている。また、単セル間は、リード(図示しない)により直列もしくは並列に接続されている。各単セルの外形面積は、等しいことが望ましい。これにより、単セル間の容量バラツキを少なくすることができるため、燃料電池の出力及び寿命を向上することができる。   As shown in FIG. 1, this fuel cell is an assembled battery including a plurality of single cells. Each unit cell includes a membrane electrode assembly (MEA) having an oxidant electrode 1, a fuel electrode 2, and a proton conductive solid electrolyte membrane 3 disposed between the oxidant electrode 1 and the fuel electrode 2. Prepare. One solid electrolyte membrane 3 is shared by all membrane electrode assemblies (MEA). The single cells are connected in series or in parallel by leads (not shown). It is desirable that the outer area of each single cell is equal. Thereby, since the capacity variation between single cells can be reduced, the output and life of the fuel cell can be improved.

各酸化剤極1は、固体電解質膜3の一方の面(図1では上面)に形成された酸化剤極触媒層4と、酸化剤極触媒層4上に積層された酸化剤極拡散層5とを備える。酸化剤極拡散層5は酸化剤極触媒層4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4の集電体も兼ねている。一方、各燃料極2は、固体電解質膜3の反対側の面(図1では下面)に形成された燃料極触媒層6と、燃料極触媒層6上に積層された燃料極拡散層7とを備える。燃料極触媒層6は、酸化剤極触媒層4と固体電解質膜3を挟んで対向するように固体電解質膜3に設けられている。燃料極拡散層7は燃料極触媒層6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6の集電体も兼ねている。酸化剤極拡散層5および燃料極拡散層7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。燃料極拡散層7の厚さは380〜430μmの範囲にすることが好ましい。一方、酸化剤極拡散層5の厚さは350〜380μmの範囲にすることが好ましい。   Each oxidant electrode 1 includes an oxidant electrode catalyst layer 4 formed on one surface (the upper surface in FIG. 1) of the solid electrolyte membrane 3, and an oxidant electrode diffusion layer 5 laminated on the oxidant electrode catalyst layer 4. With. The oxidant electrode diffusion layer 5 plays a role of uniformly supplying the oxidant electrode catalyst layer 4 to the oxidant electrode catalyst layer 4, but also serves as a current collector for the oxidant electrode catalyst layer 4. On the other hand, each fuel electrode 2 includes a fuel electrode catalyst layer 6 formed on the opposite surface (the lower surface in FIG. 1) of the solid electrolyte membrane 3, and a fuel electrode diffusion layer 7 stacked on the fuel electrode catalyst layer 6. Is provided. The fuel electrode catalyst layer 6 is provided on the solid electrolyte membrane 3 so as to face the oxidant electrode catalyst layer 4 with the solid electrolyte membrane 3 interposed therebetween. The fuel electrode diffusion layer 7 serves to supply fuel uniformly to the fuel electrode catalyst layer 6 and also serves as a current collector for the fuel electrode catalyst layer 6. The oxidant electrode diffusion layer 5 and the fuel electrode diffusion layer 7 can be formed of carbon paper, for example. The thickness of the fuel electrode diffusion layer 7 is preferably in the range of 380 to 430 μm. On the other hand, the thickness of the oxidant electrode diffusion layer 5 is preferably in the range of 350 to 380 μm.

酸化剤極用疎水性絶縁層8は、図2に示すように、酸化剤極1が挿入される矩形貫通穴8aが複数開口された疎水性絶縁板である。酸化剤極用疎水性絶縁層8は、その矩形貫通穴8aの内周面で酸化剤極触媒層4の周囲と酸化剤極拡散層5の周囲を囲むように、固体電解質膜3上に接着されている。このため、酸化剤極用疎水性絶縁層8の厚さは、酸化剤極触媒層4と酸化剤極拡散層5の合計厚さと等しくなっている。一方、燃料極用疎水性絶縁層9は、燃料極2が挿入される矩形貫通穴が複数開口された疎水性絶縁板である。燃料極用疎水性絶縁層9は、固体電解質膜3の酸化剤極1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6の周囲と燃料極拡散層7の周囲を囲んでいる。よって、燃料極用疎水性絶縁層9の厚さは、燃料極触媒層6と燃料極拡散層7の合計厚さと等しい。酸化剤極用疎水性絶縁層8の厚さは350〜400μmの範囲にすることが望ましい。一方、燃料極用疎水性絶縁層9の厚さは400〜450μmの範囲にすることが望ましい。   As shown in FIG. 2, the oxidant electrode hydrophobic insulating layer 8 is a hydrophobic insulating plate having a plurality of rectangular through holes 8a into which the oxidant electrode 1 is inserted. The hydrophobic insulating layer 8 for the oxidant electrode is bonded onto the solid electrolyte membrane 3 so that the inner peripheral surface of the rectangular through hole 8a surrounds the periphery of the oxidant electrode catalyst layer 4 and the periphery of the oxidant electrode diffusion layer 5. Has been. Therefore, the thickness of the oxidant electrode hydrophobic insulating layer 8 is equal to the total thickness of the oxidant electrode catalyst layer 4 and the oxidant electrode diffusion layer 5. On the other hand, the hydrophobic insulating layer 9 for the fuel electrode is a hydrophobic insulating plate in which a plurality of rectangular through holes into which the fuel electrode 2 is inserted are opened. The hydrophobic insulating layer 9 for the fuel electrode is formed on the surface of the solid electrolyte membrane 3 opposite to the side where the oxidant electrode 1 is formed, and surrounds the fuel electrode catalyst layer 6 and the fuel electrode diffusion layer 7. Is enclosed. Therefore, the thickness of the fuel electrode hydrophobic insulating layer 9 is equal to the total thickness of the fuel electrode catalyst layer 6 and the fuel electrode diffusion layer 7. The thickness of the oxidant electrode hydrophobic insulating layer 8 is preferably in the range of 350 to 400 μm. On the other hand, the thickness of the hydrophobic insulating layer 9 for the fuel electrode is preferably in the range of 400 to 450 μm.

燃料極2の下方には、液体燃料の気化成分を燃料極触媒層6に供給するための燃料室10が設けられている。燃料室10は、液体燃料タンク(図示しない)と、燃料気化層(図示しない)とを備えるものである。液体燃料タンクは、液体燃料として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ている。また、燃料気化層は、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。燃料気化層を透過した気化成分は、燃料極拡散層7を通して燃料極触媒層6に供給される。   A fuel chamber 10 for supplying a vaporized component of liquid fuel to the fuel electrode catalyst layer 6 is provided below the fuel electrode 2. The fuel chamber 10 includes a liquid fuel tank (not shown) and a fuel vaporization layer (not shown). The liquid fuel tank contains liquid methanol or an aqueous methanol solution as the liquid fuel. Further, the fuel vaporization layer includes a gas-liquid separation membrane that allows only the vaporized component of the liquid fuel to permeate and does not allow the liquid fuel to permeate. Examples of the gas-liquid separation membrane include a silicone rubber sheet. The vaporized component that has passed through the fuel vaporization layer is supplied to the fuel electrode catalyst layer 6 through the fuel electrode diffusion layer 7.

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11が形成された酸化剤極側セパレータ12は、酸化剤極拡散層5と酸化剤極用疎水性絶縁層8の双方に跨って積層されている。酸化剤極側セパレータ12は、例えば、カーボン結着板から形成することができる。酸化剤極側セパレータ12の流路11は、図1に示すように貫通穴であるため、ポンプ等の補器を用いなくとも、外気を直接、酸化剤極拡散層5に取り入れることが可能である。これにより、燃料電池の小型化と、ポンプ等の補器による消費電力を少なくすることが可能である。   On the other hand, the oxidant electrode side separator 12 in which the flow path 11 for taking in the air as the oxidant is formed is laminated across both the oxidant electrode diffusion layer 5 and the hydrophobic insulating layer 8 for the oxidant electrode. Yes. The oxidant electrode side separator 12 can be formed from, for example, a carbon binder plate. Since the flow path 11 of the oxidant electrode side separator 12 is a through hole as shown in FIG. 1, it is possible to directly take outside air into the oxidant electrode diffusion layer 5 without using an auxiliary device such as a pump. is there. As a result, it is possible to reduce the size of the fuel cell and to reduce the power consumed by auxiliary equipment such as a pump.

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10から燃料極拡散層7を通して燃料極触媒層6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 fuel chamber 10 to the fuel electrode catalyst layer 6 through the fuel electrode diffusion layer 7, the following reaction is performed. The internal reforming reaction of methanol shown in Formula (1) occurs.

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10からの水の供給がないため、酸化剤極触媒層4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3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 fuel chamber 10, so water generated by the oxidation reaction of methanol mixed in the oxidant electrode catalyst layer 4 and the solid electrolyte membrane 3 Moisture or the like reacts with methanol to cause the above-described internal reforming reaction of the formula (1), or an internal reforming reaction occurs in a water-free reaction mechanism not based on the above-described formula (1).

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3を拡散して酸化剤極触媒層4に到達する。一方、酸化剤極側セパレータ12の流路11から取り入れられた空気は、酸化剤極拡散層5を拡散して酸化剤極触媒層4に供給される。酸化剤極触媒層4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 solid electrolyte membrane 3 and reach the oxidant electrode catalyst layer 4. On the other hand, the air taken in from the flow path 11 of the oxidant electrode side separator 12 diffuses through the oxidant electrode diffusion layer 5 and is supplied to the oxidant electrode catalyst layer 4. In the oxidant electrode catalyst layer 4, water is generated by the reaction shown in the following formula (2), that is, a power generation reaction occurs.

(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4中に水が生成する。
(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 4 by the reaction of the above-described formula (2).

本発明者らは、このような燃料電池において、固体電解質膜3に、燃料極触媒層6と酸化剤極触媒層4それぞれの周囲を取り囲むように、疎水性の絶縁層8,9を形成すると、酸化剤極1への燃料透過が抑制されるだけでなく、酸化剤極触媒層4で生成した水の燃料極触媒層6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のである。   In the fuel cell as described above, the inventors form hydrophobic insulating layers 8 and 9 on the solid electrolyte membrane 3 so as to surround the periphery of the fuel electrode catalyst layer 6 and the oxidant electrode catalyst layer 4, respectively. Further, not only the fuel permeation to the oxidant electrode 1 is suppressed, but also the reaction resistance of the internal reforming reaction is improved because the water generated in the oxidant electrode catalyst layer 4 returns to the fuel electrode catalyst layer 6 better. I found what I could do.

すなわち、固体電解質膜3の両面に一体化された疎水性絶縁層8,9により、MEA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4の水分保持量が燃料極触媒層6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4から燃料極触媒層6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液体燃料からの水供給が少なかったり、あるいは全くなくても、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。   That is, since the hydrophobic insulating layers 8 and 9 integrated on both surfaces of the solid electrolyte membrane 3 can suppress the evaporation of water from the MEA, the water retention amount of the oxidant electrode catalyst layer 4 is the fuel electrode catalyst. It is possible to create a state in which the moisture retention amount of the layer 6 is greater. As a result, water diffusion from the oxidant electrode catalyst layer 4 to the fuel electrode catalyst layer 6 is promoted by the osmotic pressure phenomenon, so that the concentration of methanol in the liquid fuel is increased to reduce the water supply from the liquid fuel, Or even if it does not exist at all, the internal reforming reaction of methanol shown in the above formula (1) can be smoothly advanced.

また、燃料極触媒層6や燃料極拡散層7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3へ透過するのを燃料極用疎水性絶縁層9によって抑制することができる。万一、固体電解質膜3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8によって、酸化剤極触媒層4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にも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 6 and the fuel electrode diffusion layer 7, but permeation of the unreacted methanol to the solid electrolyte membrane 3 can be suppressed by the fuel electrode hydrophobic insulating layer 9. Even if methanol permeates through the solid electrolyte membrane 3, permeation to the oxidant electrode catalyst layer 4 can be prevented by the hydrophobic insulating layer 8 for oxidant electrode. Therefore, the methanol crossover phenomenon can be reduced even when the methanol concentration in the liquid fuel is increased.

以上のことから、メタノール濃度が高い液体燃料、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。   From the above, it is possible to obtain high output characteristics even when using liquid fuel with high methanol concentration, especially rich fuel exceeding the stoichiometric ratio, so that a small and high energy density fuel cell can be realized. Can do.

また、酸化剤極触媒層4で発生した水を燃料極触媒層6における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、水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。   Further, since the water generated in the oxidant electrode catalyst layer 4 can be used for the internal reforming reaction of the fuel in the fuel electrode catalyst layer 6, the treatment such as the discharge of the water generated in the oxidant electrode catalyst layer to the outside of the fuel cell can be performed. It is possible to provide a fuel cell with a simple configuration that can be reduced and does not require a special configuration for water supply.

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MEAの膨張収縮が大きく、また、MEA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3の厚さを薄くする(例えば100μm以下)と、固体電解質膜3がよれやすくなる。固体電解質膜3の両面に一体化された疎水性絶縁層8,9が、固体電解質膜3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3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 expands and contracts during power generation due to the intake of vaporized fuel and the intake of air, and both sides of the MEA are not tightened with separators or end plates. When the thickness is reduced (for example, 100 μm or less), the solid electrolyte membrane 3 is easily twisted. Since the hydrophobic insulating layers 8 and 9 integrated on both surfaces of the solid electrolyte membrane 3 can improve the tensile strength of the solid electrolyte membrane 3, the breakage when the thickness of the solid electrolyte membrane 3 is reduced is suppressed. can do.

また、疎水性絶縁層8,9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MEAのハンドリング性を向上することができる。   Further, since the hydrophobic insulating layers 8 and 9 can also serve as a gasket, it is possible to improve the handling property of the MEA when assembling the fuel cell.

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.

前述した図1では、酸化剤極と燃料極の双方において、疎水性絶縁層の厚さを触媒層と拡散層の合計厚さと等しくした例を説明したが、疎水性絶縁層の厚さはこれに限定されず、触媒層の厚さ以上で、かつ触媒層と拡散層の合計厚さ以下の範囲にすることができる。   In FIG. 1 described above, an example in which the thickness of the hydrophobic insulating layer is made equal to the total thickness of the catalyst layer and the diffusion layer in both the oxidant electrode and the fuel electrode has been described. However, the thickness of the catalyst layer is not less than the thickness of the catalyst layer and not more than the total thickness of the catalyst layer and the diffusion layer.

酸化剤極と燃料極それぞれにおいて、疎水性絶縁層の厚さをこれが囲んでいる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。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、疎水性絶縁層の厚さがこれが囲んでいる触媒層と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ならびに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、また燃料電池全体の厚さが増大することにより、容積あたりの出力が低下する恐れがある。   In each of the oxidant electrode and the fuel electrode, the permeation of the fuel and the evaporation of moisture can be further suppressed by making the thickness of the hydrophobic insulating layer equal to or greater than the thickness of the catalyst layer that surrounds it. A thicker hydrophobic insulating layer is more effective in suppressing fuel permeation and moisture evaporation, but if the thickness of the hydrophobic insulating layer exceeds the total thickness of the catalyst layer and diffusion layer that it surrounds, the fuel electrode The output per unit volume is reduced due to the deterioration of the fuel cell output characteristics due to poor contact with the fuel electrode side current collector and the oxidant electrode and the oxidant electrode side current collector, and the increase in the thickness of the entire fuel cell. May decrease.

前述した図1では、酸化剤極用疎水性絶縁層8及び燃料極用疎水性絶縁層9それぞれを1枚のシート形状にしたが、酸化剤極側あるいは燃料極側の固体電解質膜表面に枠状の疎水性絶縁層を複数形成し、それぞれによって酸化剤極1あるいは燃料極2を個別にシールすることも可能である。   In FIG. 1 described above, each of the hydrophobic insulating layer 8 for the oxidant electrode and the hydrophobic insulating layer 9 for the fuel electrode is formed into one sheet, but the frame is formed on the surface of the solid electrolyte membrane on the oxidant electrode side or the fuel electrode side. It is also possible to form a plurality of shaped hydrophobic insulating layers, and individually seal the oxidant electrode 1 or the fuel electrode 2.

また、前述した図1では、平板型の固体電解質膜を使用したが、筒状の固体電解質膜を使用しても良い。   Moreover, in FIG. 1 mentioned above, although the flat type solid electrolyte membrane was used, you may use a cylindrical solid electrolyte membrane.

次いで、本発明の第2の実施形態である液体供給型の直接メタノール型燃料電池を図3を参照して説明する。図3は、本発明の第2の実施形態に係る液体供給型の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。前述した図1で説明したのと同種類の部材については同符号を付して説明を省略する。   Next, a liquid supply type direct methanol fuel cell according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a liquid supply type direct methanol fuel cell according to a second embodiment of the present invention. The members of the same type as described in FIG. 1 are given the same reference numerals and description thereof is omitted.

図3に示すように、この燃料電池は、複数の単セル20がセパレータを介して積層されたスタックセルを備える組電池である。各単セル20は、酸化剤極1と、燃料極2と、酸化剤極1と燃料極2との間に配置されたプロトン伝導性の固体電解質膜3とを有する膜電極接合体(MEA)を備える。   As shown in FIG. 3, this fuel cell is an assembled battery including a stack cell in which a plurality of single cells 20 are stacked with separators interposed therebetween. Each single cell 20 includes a membrane electrode assembly (MEA) having an oxidant electrode 1, a fuel electrode 2, and a proton conductive solid electrolyte membrane 3 disposed between the oxidant electrode 1 and the fuel electrode 2. Is provided.

各酸化剤極1は、固体電解質膜3の一方の面に形成された酸化剤極触媒層4と、酸化剤極触媒層4上に積層された酸化剤極拡散層5とを備える。一方、各燃料極2は、固体電解質膜3の反対側の面に形成された燃料極触媒層6と、燃料極触媒層6上に積層された燃料極拡散層7とを備える。なお、燃料極触媒層6は、酸化剤極触媒層4と固体電解質膜3を挟んで対向するような位置に設けられている。燃料極拡散層7の厚さは380〜430μmの範囲にすることが好ましい。一方、酸化剤極拡散層5の厚さは350〜380μmの範囲にすることが好ましい。   Each oxidant electrode 1 includes an oxidant electrode catalyst layer 4 formed on one surface of the solid electrolyte membrane 3 and an oxidant electrode diffusion layer 5 stacked on the oxidant electrode catalyst layer 4. On the other hand, each fuel electrode 2 includes a fuel electrode catalyst layer 6 formed on the opposite surface of the solid electrolyte membrane 3 and a fuel electrode diffusion layer 7 stacked on the fuel electrode catalyst layer 6. The fuel electrode catalyst layer 6 is provided at a position facing the oxidant electrode catalyst layer 4 with the solid electrolyte membrane 3 interposed therebetween. The thickness of the fuel electrode diffusion layer 7 is preferably in the range of 380 to 430 μm. On the other hand, the thickness of the oxidant electrode diffusion layer 5 is preferably in the range of 350 to 380 μm.

矩形枠状の酸化剤極用疎水性絶縁層21は、その内周面で酸化剤極触媒層4の周囲と酸化剤極拡散層5の周囲を囲むように、固体電解質膜3上に接着されている。このため、酸化剤極用疎水性絶縁層21の厚さは、酸化剤極触媒層4と酸化剤極拡散層5の合計厚さと等しくなっている。一方、燃料極用疎水性絶縁層22は、固体電解質膜3の酸化剤極1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6の周囲と燃料極拡散層7の周囲を囲んでいる。よって、燃料極用疎水性絶縁層22の厚さは、燃料極触媒層6と燃料極拡散層7の合計厚さと等しい。酸化剤極用疎水性絶縁層21及び燃料極用疎水性絶縁層22の厚さは400〜450μmの範囲にすることが望ましい。   The rectangular frame-shaped hydrophobic insulating layer 21 for the oxidant electrode is adhered on the solid electrolyte membrane 3 so that the inner peripheral surface surrounds the periphery of the oxidant electrode catalyst layer 4 and the periphery of the oxidant electrode diffusion layer 5. ing. For this reason, the thickness of the hydrophobic insulating layer 21 for the oxidant electrode is equal to the total thickness of the oxidant electrode catalyst layer 4 and the oxidant electrode diffusion layer 5. On the other hand, the hydrophobic insulating layer 22 for the fuel electrode is formed on the surface of the solid electrolyte membrane 3 opposite to the side where the oxidant electrode 1 is formed, and the periphery of the fuel electrode catalyst layer 6 and the fuel electrode diffusion layer 7. Surrounding. Therefore, the thickness of the fuel electrode hydrophobic insulating layer 22 is equal to the total thickness of the fuel electrode catalyst layer 6 and the fuel electrode diffusion layer 7. The thickness of the oxidant electrode hydrophobic insulating layer 21 and the fuel electrode hydrophobic insulating layer 22 is preferably in the range of 400 to 450 μm.

上述したような構成の単セル20は、両面に流路が形成されたセパレータ23を介して積層されている。セパレータ23は、例えばカーボンのような導電性材料から形成されているため、単セル20をセパレータ23を介して積層することで単セル20間が直列に接続される。セパレータ23の燃料極拡散層7と対向する面に形成された溝形状の流路24は、燃料極用流路である。また、セパレータ23の酸化剤極拡散層5と対向する面に形成された溝形状の流路25は、酸化剤極用流路である。   The unit cell 20 having the above-described configuration is stacked via a separator 23 having flow paths formed on both sides. Since the separator 23 is made of, for example, a conductive material such as carbon, the single cells 20 are connected in series by stacking the single cells 20 via the separator 23. The groove-shaped channel 24 formed on the surface of the separator 23 facing the fuel electrode diffusion layer 7 is a fuel electrode channel. The groove-shaped channel 25 formed on the surface of the separator 23 facing the oxidant electrode diffusion layer 5 is an oxidant electrode channel.

スタックセルの酸化剤極1側の最外層には、酸化剤極用エンドセパレータ26が積層されている。酸化剤極用エンドセパレータ26は、酸化剤極拡散層5と対向する面に溝形状の酸化剤極用流路27が形成されている。スタックセルの燃料極2側の最外層には、燃料極用エンドセパレータ28が積層されている。燃料極用エンドセパレータ28は、燃料極拡散層7と対向する面に溝形状の燃料極用流路29が形成されている。   An oxidant electrode end separator 26 is laminated on the outermost layer on the oxidant electrode 1 side of the stack cell. The oxidant electrode end separator 26 has a groove-shaped oxidant electrode channel 27 formed on the surface facing the oxidant electrode diffusion layer 5. A fuel electrode end separator 28 is stacked on the outermost layer of the stack cell on the fuel electrode 2 side. The fuel electrode end separator 28 has a groove-shaped fuel electrode channel 29 formed on the surface facing the fuel electrode diffusion layer 7.

セパレータ23及び酸化剤極用エンドセパレータ26の酸化剤極用流路25,27には、例えば空気ポンプにより空気が供給される。一方、セパレータ23及び燃料極用エンドセパレータ28の燃料極用流路24,29には、例えば液体ポンプによりメタノール水溶液が供給される。   Air is supplied to the oxidant electrode flow paths 25 and 27 of the separator 23 and the oxidant electrode end separator 26 by, for example, an air pump. On the other hand, an aqueous methanol solution is supplied to the fuel electrode passages 24 and 29 of the separator 23 and the fuel electrode end separator 28 by, for example, a liquid pump.

また、このスタックセルは、ボルト(図示しない)により締め付けられている。   The stack cell is fastened by a bolt (not shown).

以上説明したような構成の液体供給型の直接メタノール型燃料電池によれば、燃料極触媒層6や燃料極拡散層7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3へ透過するのを燃料極用疎水性絶縁層22によって抑制することができる。万一、固体電解質膜3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21によって、酸化剤極触媒層4への透過を阻止することができる。従って、単セルを複数備えた組電池構造の燃料電池における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。   According to the liquid supply type direct methanol fuel cell having the above-described configuration, unreacted methanol flows out from the fuel electrode catalyst layer 6 and the fuel electrode diffusion layer 7, but permeates into the solid electrolyte membrane 3. Can be suppressed by the hydrophobic insulating layer 22 for the fuel electrode. Even if methanol permeates through the solid electrolyte membrane 3, permeation to the oxidant electrode catalyst layer 4 can be prevented by the hydrophobic insulating layer 21 for oxidant electrode. Therefore, it is possible to reduce the methanol crossover phenomenon in a fuel cell having an assembled battery structure including a plurality of single cells.

前述した図3では、酸化剤極と燃料極の双方において、疎水性絶縁層の厚さを触媒層と拡散層の合計厚さと等しくした例を説明したが、疎水性絶縁層の厚さはこれに限定されず、触媒層の厚さ以上で、かつ触媒層と拡散層の合計厚さ以下の範囲にすることができる。   In FIG. 3 described above, an example in which the thickness of the hydrophobic insulating layer is made equal to the total thickness of the catalyst layer and the diffusion layer in both the oxidant electrode and the fuel electrode has been described. However, the thickness of the catalyst layer is not less than the thickness of the catalyst layer and not more than the total thickness of the catalyst layer and the diffusion layer.

酸化剤極と燃料極それぞれにおいて、疎水性絶縁層の厚さをこれが囲んでいる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、燃料の透過をさらに抑制することができる。疎水性絶縁層が厚い方が、燃料透過を抑制する効果が高くなるものの、疎水性絶縁層の厚さがこれが囲んでいる触媒層と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ならびに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、また燃料電池全体の厚さが増大することにより、容積あたりの出力が低下する恐れがある。   In each of the oxidant electrode and the fuel electrode, the permeation of the fuel can be further suppressed by making the thickness of the hydrophobic insulating layer equal to or greater than the thickness of the catalyst layer that surrounds it. The thicker the hydrophobic insulating layer, the higher the effect of suppressing fuel permeation. However, if the thickness of the hydrophobic insulating layer exceeds the total thickness of the catalyst layer and the diffusion layer that it surrounds, the fuel electrode and the fuel electrode The fuel cell output characteristics deteriorate due to poor contact with the side current collector and the oxidant electrode and the oxidant electrode side current collector, and the total fuel cell thickness increases, resulting in a decrease in output per volume. There is a fear.

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 components 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 constituent elements 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。このような燃料極触媒層を3個作製した。
Example 1
<Production 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 diffusion layer to obtain a fuel electrode catalyst layer having a thickness of 450 μm. Three such fuel electrode catalyst layers were produced.

<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。このような酸化剤極触媒層を3個作製した。
<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 diffusion layer to obtain an oxidant electrode catalyst layer having a thickness of 400 μm. Three such oxidant electrode catalyst layers were prepared.

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)を用意し、これを先程用意した複数個の燃料極触媒層と酸化剤極触媒層で挟み、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。   As a proton conductive electrolyte membrane, 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 was prepared, and a plurality of fuel electrode catalyst layers prepared earlier And an oxidant electrode catalyst layer, and hot-pressing them to obtain a membrane electrode assembly (MEA).

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それぞれの周囲を囲み、かつ酸化剤極間の隙間を埋めるように塗工し、乾燥した後、80〜150℃で熱プレスすることにより、前述した図2に示す構造を有する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 assembly so as to surround each of the oxidant electrodes and fill the gaps between the oxidant electrodes, dried, and then heated at 80 to 150 ° C. By pressing, a hydrophobic insulating layer for an oxidizer electrode having the structure shown in FIG. 2 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それぞれの周囲を囲み、かつ燃料極間の隙間を埋めるように塗工し、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。   Further, the slurry described above is coated on the opposite surface of the solid electrolyte membrane of the membrane electrode assembly so as to surround each of the fuel electrodes and fill the gaps between the fuel electrodes, and after drying, 80 to 150 A hydrophobic insulating layer for a fuel electrode was obtained by hot pressing at ° C.

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)
疎水性高分子樹脂の種類をハイドロフルオロエーテル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 3)
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 hydrofluoroether.

(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4に示す。図4の縦軸ははく離荷重で、横軸はG(dyn/cm2)を示す。図4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で使用したハイドロフルオロエーテルが望ましいことがわかった。 Moreover, the result of a T-shaped peeling test is shown in FIG. In FIG. 4, the vertical axis represents the peeling load, and the horizontal axis represents G (dyn / cm 2 ). As shown in FIG. 4, as a result of the T-type peel test, the peel strength varies depending on the type of hydrophobic polymer, and the hydrofluoroether used in Example 3 is desirable from the viewpoint of the adhesive strength with the solid electrolyte membrane. I understood.

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5に示す。図5の縦軸は、メタノール透過量を表し、横軸は経過時間を示す。   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 permeation amount of methanol, and the results are shown in FIG. The vertical axis in FIG. 5 represents the methanol permeation amount, and the horizontal axis represents the elapsed 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5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で使用したハイドロフルオロエーテル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. 5, 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, the hydrofluoroether used in Example 3 is desirable from the viewpoint of suppressing methanol crossover.

以上説明した通り、実施例1〜3の燃料電池によると、図4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。また、前述した図5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。   As described above, according to the fuel cells of Examples 1 to 3, as confirmed in FIG. 4, the hydrophobic insulating layer for the oxidant electrode is integrated so as to surround 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. Further, as confirmed in FIG. 5 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%.

(実施例4)
<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 4
<Production 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 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 diffusion layer to obtain an oxidant electrode catalyst layer having a thickness of 400 μm.

プロトン伝導性電解質膜として厚さが180μm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)を用意し、これを燃料極触媒層と酸化剤極触媒層で挟み、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。   A perfluorocarbon sulfonic acid membrane (nafion membrane, manufactured by DuPont) having a thickness of 180 μm and a water content of 10 to 20% by weight is prepared as a proton conductive electrolyte membrane, and these are prepared as a fuel electrode catalyst layer and an oxidant electrode catalyst layer. Membrane / electrode assembly (MEA) was obtained by sandwiching them with each other and subjecting them to hot pressing.

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枠状に塗工し、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 assembly in a frame shape so as to surround the periphery of the oxidant electrode, dried, and then hot-pressed at 80 to 150 ° C. to obtain an oxidant. An extreme hydrophobic 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枠状に塗工し、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 in a frame shape so as to surround the periphery of the fuel electrode on the surface opposite to the solid electrolyte membrane of the membrane electrode assembly, dried, and then hot-pressed at 80 to 150 ° C. Thus, a hydrophobic insulating layer for a fuel electrode was obtained.

このような疎水性絶縁層付の膜電極接合体を3個作製した。   Three membrane electrode assemblies with such a hydrophobic insulating layer were produced.

得られた膜電極接合体とセパレータとエンドセパレータとを用いて前述した図3に示す構造を有する液体供給型の直接メタノール型燃料電池を組み立てた。この際、液体燃料には、濃度が3mol%のメタノール水溶液を使用した。   Using the obtained membrane electrode assembly, separator, and end separator, a liquid supply type direct methanol fuel cell having the structure shown in FIG. 3 was assembled. In this case, a methanol aqueous solution having a concentration of 3 mol% was used as the liquid fuel.

(実施例5)
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4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 5)
A direct methanol fuel cell was assembled in the same manner as described in Example 4 except that the type of the hydrophobic polymer resin was changed to a fluororesin.

(実施例6)
疎水性高分子樹脂の種類をハイドロフルオロエーテルに変更すること以外は、前述した実施例4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 6)
A direct methanol fuel cell was assembled in the same manner as described in Example 4 except that the type of the hydrophobic polymer resin was changed to hydrofluoroether.

(比較例2)
疎水性絶縁層を形成しないこと以外は、前述した実施例4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 2)
A direct methanol fuel cell was assembled in the same manner as described in Example 4 above, except that the hydrophobic insulating layer was not formed.

まず、実施例4〜6の燃料電池について、前述した実施例1で説明したのと同様にして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4〜6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4〜6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。また、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6で使用したハイドロフルオロエーテルが望ましいことがわかった。   First, for the fuel cells of Examples 4 to 6, a peel test was performed in the same manner as described in Example 1 above, and the adhesive strength between the hydrophobic insulating layer and the solid electrolyte membrane was determined. It was confirmed that the hydrophobic insulating layers 4 to 6 were fixed to the solid electrolyte membrane with sufficient adhesive strength. Actually, when the fuel cells of Examples 4 to 6 were subjected to power generation at a constant load at room temperature, the hydrophobic insulating layer did not peel off during power generation. As a result of the peel test, it was found that the peel strength differs depending on the type of the hydrophobic polymer, and that the hydrofluoroether used in Example 6 is desirable from the viewpoint of the adhesive strength with the solid electrolyte membrane.

また、実施例4〜6及び比較例2の燃料電池について、前述した実施例1で説明したのと同様にしてメタノールクロスオーバ量の測定を行ったところ、固体電解質膜の両面に疎水性絶縁層を形成した実施例4〜6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2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確認できた。実施例4〜6の中でも、実施例6で使用したハイドロフルオロエーテルがメタノールクロスオーバ抑制の点から望ましい。   Further, for the fuel cells of Examples 4 to 6 and Comparative Example 2, when the methanol crossover amount was measured in the same manner as described in Example 1, the hydrophobic insulating layers were formed on both sides of the solid electrolyte membrane. In Examples 4 to 6 in which the thickness of the solid electrolyte membrane was formed without forming the hydrophobic insulating layer, the amount of methanol permeation was small, and it was confirmed that this was effective for suppressing methanol crossover. did it. Among Examples 4 to 6, the hydrofluoroether used in Example 6 is desirable from the viewpoint of suppressing methanol crossover.

以上説明した通り、実施例4〜6の燃料電池によると、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、固体電解質膜の引っ張り強度を向上させることが可能となる。また、実施例4〜6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。   As described above, according to the fuel cells of Examples 4 to 6, 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 solid electrolyte membrane Since 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, the tensile strength of the solid electrolyte membrane can be improved. Moreover, according to the fuel cells of Examples 4 to 6, methanol crossover can be suppressed.

以上のことから、実施例4〜6の燃料電池によると、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 4 to 6, high output characteristics can be obtained.

本発明の第1の実施形態に係る内部気化型の直接メタノール型燃料電池を示す模式的な断面図。1 is a schematic cross-sectional view showing an internal vaporization type direct methanol fuel cell according to a first embodiment of the present invention. 図1の燃料電池に用いられる酸化剤極用疎水性絶縁層を示す模式的な平面図。The typical top view which shows the hydrophobic insulating layer for oxidizer electrodes used for the fuel cell of FIG. 本発明の第2の実施形態に係る液体供給型の直接メタノール型燃料電池を示す模式的な断面図。The typical sectional view showing the liquid supply type direct methanol fuel cell concerning a 2nd embodiment of the present invention. 実施例1〜3の直接メタノール型燃料電池についてのT形はく離試験の結果を示す特性図。The characteristic view which shows the result of the T-shaped peeling test about the direct methanol type fuel cell of Examples 1-3. 実施例1〜3及び比較例の直接メタノール型燃料電池についてのメタノールクロスオーバ試験の結果を示す特性図。The characteristic view which shows the result of the methanol crossover test about Examples 1-3 and the direct methanol type fuel cell of a comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

1…酸化剤極、2…燃料極、3…固体電解質膜、4…酸化剤極触媒層、5…酸化剤極拡散層、6…燃料極触媒層、7…燃料極拡散層、8,21…酸化剤極用疎水性絶縁層、8a…矩形穴、9,22…燃料極用疎水性絶縁層、10…燃料室、11…酸化剤流路、12…酸化剤極側セパレータ、20…単セル、23…セパレータ、24,29…燃料極用流路、25,27…酸化剤極用流路、26…酸化剤極用エンドセパレータ、28…燃料極用エンドセパレータ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Oxidizer electrode, 2 ... Fuel electrode, 3 ... Solid electrolyte membrane, 4 ... Oxidant electrode catalyst layer, 5 ... Oxidant electrode diffusion layer, 6 ... Fuel electrode catalyst layer, 7 ... Fuel electrode diffusion layer, 8, 21 ... hydrophobic insulating layer for oxidant electrode, 8a ... rectangular hole, 9, 22 ... hydrophobic insulating layer for fuel electrode, 10 ... fuel chamber, 11 ... oxidant flow path, 12 ... oxidant electrode side separator, 20 ... single Cell, 23... Separator, 24, 29... Fuel electrode channel, 25, 27 .. Oxidant electrode channel, 26 .. Oxidant electrode end separator, 28.

Claims (4)

固体電解質膜と、
前記固体電解質膜に形成された複数の燃料極触媒層と、
前記固体電解質膜に前記複数の燃料極触媒層それぞれ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複数の燃料極触媒層が形成されたのと反対側の面に形成された複数の酸化剤極触媒層と、
前記固体電解質膜の前記反対側の面に前記複数の酸化剤極触媒層それぞれ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 plurality of fuel electrode catalyst layers formed on the solid electrolyte membrane;
A hydrophobic insulating layer for a fuel electrode formed on the solid electrolyte membrane so as to surround each of the plurality of fuel electrode catalyst layers;
A plurality of oxidant electrode catalyst layers formed on a surface of the solid electrolyte membrane opposite to the plurality of fuel electrode catalyst layers 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 each of the plurality of oxidant electrode catalyst layers.
液体燃料が収容される容器と、前記容器内の前記液体燃料から気化成分を分離して前記複数の燃料極触媒層に供給するための燃料気化層とをさらに具備することを特徴とする請求項1記載の燃料電池。   The container further comprising: a container for storing liquid fuel; and a fuel vaporization layer for separating a vaporized component from the liquid fuel in the container and supplying the vaporized component to the plurality of fuel electrode catalyst layers. 1. The fuel cell according to 1. 固体電解質膜と、前記固体電解質膜に形成された燃料極触媒層と、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形成された酸化剤極触媒層とを備えた複数の膜電極接合体を具備する燃料電池であって、
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 an oxidant electrode catalyst layer formed on the opposite surface of the solid electrolyte membrane from which the fuel electrode catalyst layer is formed. A fuel cell comprising a plurality of membrane electrode assemblies provided,
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;
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.
前記燃料極用疎水性絶縁層及び前記酸化剤極用疎水性絶縁層は、接着性と疎水性を有する高分子材料をそれぞれ含有することを特徴とする請求項1〜3いずれか1項記載の燃料電池。   The hydrophobic insulating layer for a fuel electrode and the hydrophobic insulating layer for an oxidant electrode each contain a polymer material having adhesiveness and hydrophobicity, respectively. Fuel cell.
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