JP2007234589A - Direct oxidation fuel cell and method for operating direct oxidation fuel cell system - Google Patents

Direct oxidation fuel cell and method for operating direct oxidation fuel cell system Download PDF

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英之 植田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a direct oxidation fuel cell in which an diffusion layer of an anode is improved to provide uniform supply of fuel to a catalyst layer and reduce fuel crossover, the fuel cell exhibiting excellent power generating characteristics without reducing fuel utilization efficiency even under an operating condition that uses high concentration fuel. <P>SOLUTION: The direct oxidation fuel cell includes at least one unit cell including an anode, a cathode, and a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane interposed between the anode and the cathode. The anode includes: a catalyst layer in contact with the polymer electrolyte membrane; and a diffusion layer. The diffusion layer includes: a porous composite layer containing a water-repellent binding material and an electron-conductive material; a first conductive porous substrate provided on the anode-side separator side of the porous composite layer; and a second conductive porous substrate provided on the catalyst layer side of the porous composite layer. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池、特に、燃料を水素に改質せずに直接用いる固体高分子電解質型燃料電池およびそのシステムの運転方法に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a solid polymer electrolyte fuel cell that directly uses a fuel without reforming it to hydrogen, and a method for operating the system.

携帯電話、携帯情報端末(PDA)、ノートPC、ビデオカメラ等の携帯用小型電子機器の多機能化に伴う消費電力の増大や連続使用時間の増加に対応するために、これら小型電子機器に搭載される電池の高エネルギー密度化が強く要望されている。現在、これら小型電子機器の電源として、主にリチウム二次電池が使用されている。リチウム二次電池は、間もなくエネルギー密度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、固体高分子電解質膜を用いた燃料電池の早期実用化が期待されている。   Installed in these small electronic devices in order to cope with the increase in power consumption and increase in continuous use time due to the multi-functionalization of portable small electronic devices such as mobile phones, personal digital assistants (PDAs), notebook PCs, and video cameras. There is a strong demand for higher energy density of batteries. Currently, lithium secondary batteries are mainly used as power sources for these small electronic devices. Lithium secondary batteries are expected to reach a limit at an energy density of about 600 Wh / L soon, and early commercialization of fuel cells using solid polymer electrolyte membranes is expected as an alternative power source.

固体高分子電解質型燃料電池の中で、燃料を水素に改質せずに、直接セル内部に供給して電極で酸化し、発電するタイプの直接酸化型燃料電池が、有機燃料の持つ理論エネルギー密度の高さ、システムの簡素化、および燃料貯蔵のしやすさの面から注目され、活発な研究開発が行われている。   Among the solid polymer electrolyte fuel cells, the direct energy fuel cell of the type that generates electricity without directly reforming the fuel into hydrogen and supplying it directly to the inside of the cell and oxidizing it with the electrode is the theoretical energy of organic fuel. Active research and development has been conducted with a focus on high density, system simplification, and ease of fuel storage.

例えば、直接メタノール型燃料電池は、固体高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードを含む膜−電極接合体(MEA)、並びに前記MEAを挟むアノード側セパレータ、およびカソード側セパレータを具備する少なくとも1つの単位セルを有する。アノードおよびカソードは、それぞれ触媒層と拡散層からなる。この燃料電池は、アノード側に燃料であるメタノールまたはメタノール水溶液を供給し、カソード側に酸化剤ガス、通常は空気、を供給することで発電する。   For example, a direct methanol fuel cell includes a solid polymer electrolyte membrane, a membrane-electrode assembly (MEA) including an anode and a cathode sandwiching the polymer electrolyte membrane, an anode separator and a cathode separator sandwiching the MEA. It has at least one unit cell. The anode and the cathode are each composed of a catalyst layer and a diffusion layer. This fuel cell generates electricity by supplying methanol or an aqueous methanol solution as fuel to the anode side and supplying an oxidant gas, usually air, to the cathode side.

直接メタノール型燃料電池の電極反応は以下の通りである。   The electrode reaction of the direct methanol fuel cell is as follows.

アノード:CH3OH+H2O → CO2+6H++6e-
カソード:3/2O2+6H++6e-→ 3H2
すなわち、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、プロトンは電解質膜を通ってカソードに到達する。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。
Anode: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e
Cathode: 3/2 O 2 + 6H + + 6e → 3H 2 O
That is, at the anode, methanol and water react to generate carbon dioxide, protons, and electrons, and the protons reach the cathode through the electrolyte membrane. At the cathode, oxygen, protons, and electrons via an external circuit combine to produce water.

しかしながら、この直接メタノール型燃料電池の実用化にはいくつかの問題点が存在している。
その一つは、アノード側に供給されたメタノールが、未反応のまま電解質膜を通過し、カソード側に達する、いわゆる「メタノールクロスオーバー」という現象である。直接メタノール型燃料電池の電解質膜としては、プロトン伝導性、耐熱性、および耐酸化性の点からパーフルオロアルキルスルホン酸からなるイオン交換膜が使用されている。このタイプの電解質膜は、疎水性のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)主鎖と、パーフルオロ基の端に親水性のスルホン酸基が固定された側鎖とからなるため、親水性部分と疎水性部分とを併せ持つメタノールは、電解質膜の良溶媒となり、電解質膜を通過しやすい。
However, there are several problems in putting this direct methanol fuel cell into practical use.
One of the phenomena is a so-called “methanol crossover” in which methanol supplied to the anode side passes through the electrolyte membrane unreacted and reaches the cathode side. As an electrolyte membrane of a direct methanol fuel cell, an ion exchange membrane made of perfluoroalkylsulfonic acid is used from the viewpoint of proton conductivity, heat resistance, and oxidation resistance. This type of electrolyte membrane consists of a hydrophobic polytetrafluoroethylene (PTFE) main chain and a side chain with a hydrophilic sulfonic acid group fixed to the end of the perfluoro group. Methanol having both parts becomes a good solvent for the electrolyte membrane and easily passes through the electrolyte membrane.

このメタノールクロスオーバーにより、燃料利用率が低下するだけでなく、カソード側の電極電位の低下を引き起こし、発電特性の著しい悪化を招く。このメタノールクロスオーバーは、メタノール濃度が高くなると増大する傾向にあるため、現状では、メタノール濃度を2〜4M程度にまで希釈して使用しており、このことが燃料電池システムの小型化への大きな障害となっている。   This methanol crossover not only reduces the fuel utilization rate, but also causes a decrease in the electrode potential on the cathode side, leading to a significant deterioration in power generation characteristics. Since this methanol crossover tends to increase as the methanol concentration increases, at present, the methanol concentration is diluted to about 2 to 4 M, which is a major factor in reducing the size of the fuel cell system. It is an obstacle.

もうひとつの課題は、アノード側の濃度分極に関するものである。直接メタノール型燃料電池では、燃料として液体燃料であるメタノール水溶液を用いているために、水素供給型の燃料電池に比べて、アノード側における燃料の拡散速度が遅くなり、発電特性を低下させる原因となっている。特に、燃料流路の下流側では、燃料であるメタノールが消費されているために、触媒層への燃料供給不足が顕著となり、メタノールの濃度分極の増大を招く。一方、これを回避するために、メタノール濃度を高くすると、燃料流路の上流側では、触媒層に過剰なメタノールが供給されることとなり、メタノールクロスオーバーが増大し、発電特性および燃料利用率が低下する。   Another problem is related to concentration polarization on the anode side. The direct methanol fuel cell uses an aqueous methanol solution, which is a liquid fuel, as a fuel. Therefore, the fuel diffusion rate on the anode side is slower than the hydrogen supply type fuel cell, causing the power generation characteristics to deteriorate. It has become. In particular, on the downstream side of the fuel flow path, methanol, which is fuel, is consumed, so that the shortage of fuel supply to the catalyst layer becomes significant, leading to an increase in concentration polarization of methanol. On the other hand, in order to avoid this, if the methanol concentration is increased, excess methanol is supplied to the catalyst layer upstream of the fuel flow path, resulting in an increase in methanol crossover, and power generation characteristics and fuel utilization rate are reduced. descend.

そこで従来から、これらの問題を解決するために、アノード側の拡散層自体の構造を改良する数多くの提案がなされてきた。
例えば、特許文献1には、燃料流路の前半でのメタノールクロスオーバー、および燃料流路の後半でのメタノールの供給不足を抑制し、アノード側の触媒層への燃料供給を均一化させるために、アノード側の拡散層のメタノール透過係数を燃料流路の下流側に行くほど大きくした直接メタノール型燃料電池が開示されている。アノード側の拡散層としては、カーボンペーパー等からなる基材の表面に、カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレンとを含む混合層を形成させたものである。そして、燃料の流れの方向に沿って、混合層の厚さを薄くする、ポリテトラフルオロエチレンの重量比を減少させる、カーボンブラックの撥水性を低下させる、カーボンブラックの気孔率および気孔径を大きくする等の方法が記載されている。
Therefore, in order to solve these problems, many proposals have been made to improve the structure of the anode side diffusion layer itself.
For example, Patent Document 1 discloses that the methanol crossover in the first half of the fuel flow path and the shortage of methanol supply in the second half of the fuel flow path are suppressed, and the fuel supply to the anode-side catalyst layer is made uniform. A direct methanol fuel cell is disclosed in which the methanol permeability coefficient of the anode-side diffusion layer increases toward the downstream side of the fuel flow path. As the diffusion layer on the anode side, a mixed layer containing carbon black and polytetrafluoroethylene is formed on the surface of a substrate made of carbon paper or the like. And along the direction of fuel flow, the thickness of the mixed layer is reduced, the weight ratio of polytetrafluoroethylene is reduced, the water repellency of carbon black is lowered, the porosity and pore diameter of carbon black are increased The method of doing etc. is described.

また、特許文献2には、アノード側の触媒層への燃料供給を均一にし、反応生成物である二酸化炭素の排斥性を改善するために、触媒層と拡散層の基材とを連結する液状燃料供給通路(親水性通路)と気体生成物排出通路(疎水性通路)とがそれぞれ独立してランダムに存在している電極拡散層が開示されている。親水性通路は、電子伝導性粒子を含み、極性液体の伝達通路の役割を担う3次元網目構造を形成している多孔性凝集体からなる。一方、疎水性通路は、電子伝導性粒子と疎水性バインダー樹脂とを含み、極性液体に濡れず気体の伝達通路の役割を担う3次元網目構造を形成している多孔性凝集体からなる。   Further, Patent Document 2 discloses a liquid that connects the catalyst layer and the base material of the diffusion layer in order to make the fuel supply to the anode-side catalyst layer uniform and improve the elimination of carbon dioxide as a reaction product. An electrode diffusion layer is disclosed in which a fuel supply passage (hydrophilic passage) and a gas product discharge passage (hydrophobic passage) exist independently and randomly. The hydrophilic passage is composed of a porous aggregate containing electron conductive particles and forming a three-dimensional network structure that plays a role of a polar liquid transmission passage. On the other hand, the hydrophobic passage is composed of a porous aggregate containing electron conductive particles and a hydrophobic binder resin and forming a three-dimensional network structure that does not get wet with the polar liquid and plays the role of a gas transmission passage.

また、特許文献3には、液体燃料のアノードにおける濃度分極を低減するために、アノード側の拡散層として、親水性材料が被覆された導電性多孔質支持体に、導電性粉末を充填した構成が開示されている。
特開2002−110191号公報 特開2005−108837号公報 特開2004−342489号公報
Patent Document 3 discloses a structure in which a conductive porous support coated with a hydrophilic material is filled with conductive powder as a diffusion layer on the anode side in order to reduce concentration polarization in the anode of liquid fuel. Is disclosed.
JP 2002-110191 A JP 2005-108837 A JP 2004-342489 A

燃料電池の小型軽量化や長時間駆動化を実現するには、高濃度燃料を利用するのが有効な手段である。しかし、前記従来の構成では、高濃度燃料を利用した運転条件下において、燃料利用率を低下させることなく、優れた発電特性を有する直接酸化型燃料電池を提供することは困難であり、未だ多くの問題が存在している。   The use of high-concentration fuel is an effective means for reducing the size and weight of the fuel cell and extending the driving time. However, in the conventional configuration, it is difficult to provide a direct oxidation fuel cell having excellent power generation characteristics without lowering the fuel utilization rate under operating conditions using high-concentration fuel. The problem exists.

特許文献1に代表される技術の場合には、アノード側の拡散層のメタノール透過係数に関して、メタノール濃度の影響、および発電動作温度の影響について充分な考慮がなされていない。このために、例えば、高濃度メタノールを使用した場合または発電動作温度を高く設定した場合に、メタノールクロスオーバーが増大し、発電特性が大幅に低下する問題を有している。     In the case of the technique represented by Patent Literature 1, sufficient consideration is not given to the influence of the methanol concentration and the influence of the power generation operating temperature on the methanol permeability coefficient of the diffusion layer on the anode side. For this reason, for example, when high-concentration methanol is used or when the power generation operating temperature is set high, there is a problem that the methanol crossover increases and the power generation characteristics are greatly deteriorated.

特許文献2または3に代表される技術の場合には、反応生成物である二酸化炭素の排斥性は改善されるものの、拡散層自体が、燃料流路面に対して垂直方向(拡散層の厚さ方向)へのメタノールのブロッキング性と、燃料流路面に対して水平方向(拡散層の面方向)へのメタノールの拡散性とを兼ね備えた構造となっていない。このために、例えば、高濃度メタノールを発電消費量に近づけて少量供給した場合に、触媒層へのメタノール燃料の供給が不均一となり、発電特性が悪化する結果を招く。   In the case of the technique represented by Patent Document 2 or 3, although the elimination property of carbon dioxide as a reaction product is improved, the diffusion layer itself is perpendicular to the fuel flow path surface (the thickness of the diffusion layer). Direction) and methanol diffusivity in the horizontal direction (plane direction of the diffusion layer) with respect to the fuel flow path surface. For this reason, for example, when a small amount of high-concentration methanol is supplied close to the power generation consumption, the supply of methanol fuel to the catalyst layer becomes non-uniform, resulting in deterioration of power generation characteristics.

本発明は、前記の課題に鑑み、高濃度燃料を直接供給した場合においても、触媒層全面への燃料供給の均一性の確保、および燃料のクロスオーバーの低減を同時に実現し、燃料利用率を低下させることなく、優れた発電特性を有する直接酸化型燃料電池を提供することを目的とする。   In view of the above-mentioned problems, the present invention realizes the uniformity of the fuel supply to the entire catalyst layer and the reduction of the fuel crossover even when the high concentration fuel is directly supplied, thereby reducing the fuel utilization rate. It is an object of the present invention to provide a direct oxidation fuel cell having excellent power generation characteristics without being reduced.

本発明は、アノードの拡散層の基本的な役割である、燃料流路からの燃料を触媒層に均一に拡散供給する役割、触媒層で生成した二酸化炭素を速やかに燃料流路に排出させる役割、および触媒層で生成した電子を速やかにセパレータまで伝達させる役割、に加えて、燃料の透過流束の制御といった新たな機能をアノード拡散層に付与する。これによって、アノード触媒層に適正量の燃料を均一に供給することを可能とし、燃料のクロスオーバーを低減しつつ、燃料供給不足による濃度分極の低減を図ろうとするものである。   The present invention is a fundamental role of the anode diffusion layer, a role of uniformly supplying fuel from the fuel flow path to the catalyst layer, and a role of quickly discharging carbon dioxide generated in the catalyst layer to the fuel flow path In addition to the role of quickly transmitting electrons generated in the catalyst layer to the separator, a new function such as control of the permeation flux of the fuel is added to the anode diffusion layer. This makes it possible to supply an appropriate amount of fuel uniformly to the anode catalyst layer, and to reduce concentration polarization due to insufficient fuel supply while reducing fuel crossover.

本発明は、少なくとも1つの単位セルを備える直接酸化型燃料電池であって、前記少なくとも1つの単位セルは、アノード、カソード、前記アノードとカソードとの間に挿入された水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記アノードに燃料を供給・排出する流路を有するアノード側セパレータ、および前記カソードに酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有するカソード側セパレータを具備する直接酸化型燃料電池に関する。   The present invention is a direct oxidation fuel cell including at least one unit cell, wherein the at least one unit cell includes an anode, a cathode, and a hydrogen ion conductive polymer electrolyte inserted between the anode and the cathode. The present invention relates to a direct oxidation fuel cell comprising a membrane, an anode separator having a flow path for supplying and discharging fuel to the anode, and a cathode separator having a gas flow path for supplying and discharging oxidant gas to the cathode.

本発明の特徴は、前記アノードが、前記高分子電解質膜に接する触媒層、および拡散層を含み、前記拡散層が、撥水性結着材料および電子伝導性材料を含む多孔質複合層、前記多孔質複合層の前記アノード側セパレータ側に配された第1の導電性多孔質基材、および前記多孔質複合層の前記触媒層側に配された第2の導電性多孔質基材を含むことである。   A feature of the present invention is that the anode includes a catalyst layer in contact with the polymer electrolyte membrane and a diffusion layer, and the diffusion layer includes a porous composite layer including a water-repellent binding material and an electron conductive material, and the porous layer. A first conductive porous substrate disposed on the anode separator side of the porous composite layer, and a second conductive porous substrate disposed on the catalyst layer side of the porous composite layer It is.

本発明は、また前記燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法を提供する。
この燃料電池システムは、前記の燃料電池、前記燃料電池のアノードの入口に燃料供給路により連結された燃料タンク、前記燃料電池のアノードの出口に連結された燃料排出路、前記燃料電池のカソードの入口に酸化剤供給路により連結された酸化剤供給源、および前記燃料電池のカソードの出口に連結された酸化剤排出路を具備し、その運転方法は、前記燃料電池のアノードに供給される燃料供給量を、燃料電池の発電による燃料消費量の1.1〜2.2倍に制御することを特徴とする。
The present invention also provides a method for operating a fuel cell system including the fuel cell.
The fuel cell system includes: a fuel tank connected to an anode inlet of the fuel cell by a fuel supply passage; a fuel discharge passage connected to an anode outlet of the fuel cell; and a cathode of the fuel cell. An oxidant supply source connected to the inlet by an oxidant supply path, and an oxidant discharge path connected to the outlet of the cathode of the fuel cell, the operation method of which is the fuel supplied to the anode of the fuel cell The supply amount is controlled to be 1.1 to 2.2 times the fuel consumption by power generation of the fuel cell.

本発明によると、アノードに高濃度燃料を供給する場合において、拡散層の厚さ方向における燃料のブロッキング性を制御することができるとともに、拡散層の面方向での燃料の拡散性を向上させることが可能となる。その結果、触媒層全面への燃料供給の均一性の確保、および燃料のクロスオーバーの低減を同時に実現させることができる。   According to the present invention, when supplying high-concentration fuel to the anode, the fuel blocking property in the thickness direction of the diffusion layer can be controlled, and the fuel diffusibility in the surface direction of the diffusion layer can be improved. Is possible. As a result, it is possible to simultaneously ensure the uniformity of fuel supply to the entire surface of the catalyst layer and reduce the crossover of the fuel.

本発明の直接酸化型燃料電池は、少なくとも1つの単位セルを備え、前記少なくとも1つの単位セルは、アノード、カソード、前記アノードとカソードとの間に挿入された水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記アノードに燃料を供給・排出する流路を有するアノード側セパレータ、および前記カソードに酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有するカソード側セパレータを具備し、
前記アノードは、前記高分子電解質膜に接する触媒層、および拡散層を含み、前記拡散層が、撥水性結着材料および電子伝導性材料を含む多孔質複合層、前記多孔質複合層の前記アノード側セパレータ側に配された第1の導電性多孔質基材、および前記多孔質複合層の前記触媒層側に配された第2の導電性多孔質基材を含む。
The direct oxidation fuel cell of the present invention includes at least one unit cell, and the at least one unit cell includes an anode, a cathode, and a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane inserted between the anode and the cathode, An anode side separator having a flow path for supplying and discharging fuel to the anode, and a cathode side separator having a gas flow path for supplying and discharging oxidant gas to the cathode;
The anode includes a catalyst layer in contact with the polymer electrolyte membrane and a diffusion layer, and the diffusion layer includes a porous composite layer including a water-repellent binding material and an electron conductive material, and the anode of the porous composite layer A first conductive porous substrate disposed on the side separator side, and a second conductive porous substrate disposed on the catalyst layer side of the porous composite layer.

前記アノードの拡散層の概略構成を図1Aに示す。
この拡散層は、撥水性結着材料と電子伝導性材料とを含む多孔質複合層1、多孔質複合層1のアノード側セパレータの側に配された第1の導電性多孔質基材2、および多孔質複合層1の触媒層側に配された第2の導電性多孔質基材3の少なくとも3層を含む積層体からなる。
A schematic configuration of the anode diffusion layer is shown in FIG. 1A.
The diffusion layer includes a porous composite layer 1 containing a water-repellent binding material and an electron conductive material, a first conductive porous substrate 2 disposed on the anode separator side of the porous composite layer 1, And a laminate including at least three layers of the second conductive porous substrate 3 disposed on the catalyst layer side of the porous composite layer 1.

この拡散層に燃料、例えばメタノールの水溶液が図矢印Aの方向に、供給されると、第1の導電性多孔質基材2に燃料が矢印a1、a2、a3、・・・のように拡散する。多孔質基材2中では、燃料はその厚み方向だけでなく、面方向にも拡散する。しかし、多孔質基材中の燃料濃度は、おおむね供給される燃料の上流側が下流側に比べて高くなる。多孔質基材2を拡散した燃料は、次に、図矢印b1、b2、b3、・・・のように、多孔質複合層1をその厚さ方向に拡散し、第2の導電性多孔質基材3に達する。多孔質基材3では、燃料は、多孔質基材3の面方向にも拡散するから、b1で示されるように拡散してきた燃料は、c1−1、c1−2、c1−3のように拡散する。b2、b3、・・・で示されるように拡散してきた燃料も同様に、多孔質基材中を基材の面方向へも拡散しながら基材の裏面側に向けて拡散し、やがて触媒層へ達する。   When fuel, for example, an aqueous solution of methanol is supplied to the diffusion layer in the direction of the arrow A, the fuel diffuses into the first conductive porous substrate 2 as indicated by arrows a1, a2, a3,. To do. In the porous substrate 2, the fuel diffuses not only in the thickness direction but also in the surface direction. However, the fuel concentration in the porous base material is generally higher on the upstream side of the supplied fuel than on the downstream side. The fuel diffused in the porous substrate 2 is then diffused in the thickness direction of the porous composite layer 1 as shown by the arrows b1, b2, b3,. The base material 3 is reached. In the porous base material 3, the fuel diffuses also in the surface direction of the porous base material 3. Therefore, the fuel that has diffused as shown by b <b> 1 is c1-1, c1-2, and c1-3. Spread. Similarly, the fuel diffused as shown by b2, b3,... diffuses toward the back side of the base material while diffusing in the surface direction of the base material, and eventually the catalyst layer. To reach.

図1Bは、比較例としての拡散層の構成を示す。この拡散層は、上記と同様の多孔質複合層1と、そのアノード側セパレータの側に配された多孔質基材4との2層からなる。
この拡散層に燃料が矢印A方向に供給されると、上記と同様に、多孔質基材4中を拡散し、多孔質複合層1に達し、該層中をその厚さ方向に拡散する。
図1Bの構成においては、多孔質基材4の燃料透過流束を大きくすると、拡散層の面方向への燃料の拡散を十分に行わせることができない。したがって、触媒層へ到達する燃料濃度は、不均一な部位が生じ、良好な発電特性が得られない。また、多孔質基材4の燃料透過流束を小さくすると、触媒層への燃料供給が不十分となり、濃度分極が増大し、発電特性の悪化を招く。
FIG. 1B shows a configuration of a diffusion layer as a comparative example. This diffusion layer is composed of two layers: a porous composite layer 1 similar to the above, and a porous substrate 4 disposed on the anode separator side.
When the fuel is supplied to the diffusion layer in the direction of arrow A, similarly to the above, it diffuses in the porous substrate 4, reaches the porous composite layer 1, and diffuses in the layer in the thickness direction.
In the configuration of FIG. 1B, if the fuel permeation flux of the porous substrate 4 is increased, the fuel cannot be sufficiently diffused in the surface direction of the diffusion layer. Therefore, the fuel concentration reaching the catalyst layer has a non-uniform portion, and good power generation characteristics cannot be obtained. Moreover, when the fuel permeation flux of the porous base material 4 is reduced, the fuel supply to the catalyst layer becomes insufficient, the concentration polarization increases, and the power generation characteristics deteriorate.

これに対して、図1Aの構成においては、多孔質基材2と3との間に介在する多孔質複合層1が、拡散層の厚さ方向への燃料の拡散を適度にブロックし、多孔質基材2と3において、拡散層の面方向への燃料の拡散を促進する。したがって、燃料のクロスオーバーを抑制するとともに、触媒層への燃料の供給をほぼ均一にし、発電特性を向上することができる。   On the other hand, in the configuration of FIG. 1A, the porous composite layer 1 interposed between the porous base materials 2 and 3 appropriately blocks the diffusion of fuel in the thickness direction of the diffusion layer, and is porous. In the base materials 2 and 3, the diffusion of fuel in the surface direction of the diffusion layer is promoted. Therefore, it is possible to suppress the crossover of the fuel, make the fuel supply to the catalyst layer substantially uniform, and improve the power generation characteristics.

前記第1の導電性多孔質基材と前記多孔質複合層からなる層の燃料透過流束は、前記第2の導電性多孔質基材の燃料透過流束よりも小さいことが好ましい。
この構成によって、高濃度燃料を供給する場合において、拡散層全面を浸透移動していく燃料の拡散性を均一に制御することが可能となる。その結果、燃料流路の上流側での燃料の過剰供給による燃料のクロスオーバーの問題や下流側での燃料供給不足による濃度分極の問題を同時に解決することができる。
It is preferable that the fuel permeation flux of the layer composed of the first conductive porous substrate and the porous composite layer is smaller than the fuel permeation flux of the second conductive porous substrate.
With this configuration, when supplying high-concentration fuel, it is possible to uniformly control the diffusibility of the fuel that permeates and moves across the entire diffusion layer. As a result, it is possible to simultaneously solve the problem of fuel crossover due to excessive fuel supply on the upstream side of the fuel flow path and the concentration polarization problem due to insufficient fuel supply on the downstream side.

本発明のアノードの拡散層において、前記多孔質複合層は、第2の導電性多孔質基材と接する面が実質的に平坦な表面を有しており、前記多孔質複合層を構成する撥水性結着材料および電子伝導性材料が、第2の導電性多孔質基材の隙間に入り込んでいないことが好ましい。その理由は、第2の導電性多孔質基材の隙間に、多孔質複合層の撥水性結着材料および電子伝導性材料が入り込むと、拡散層の面方向での燃料の拡散性が低下するからである。多孔質複合層の構成材が第2の導電性多孔質基材の隙間に入り込まないようにするには、第1の導電性多孔質基材に多孔質複合層を形成する。このとき多孔質複合層の第2の導電性多孔質基材を接合する面は、実質的に平坦な表面を有するようにする。そして、この多孔質複合層の平坦な面に第2の導電性多孔質基材を積層する組み立て法をとるのがよい。
ここに、多孔質複合層を構成する撥水性結着材料および電子伝導性材料が、第2の導電性多孔質基材の隙間に入り込んでいないというのは、第2の導電性多孔質基材の面方向の燃料の拡散が影響されるほどに、撥水性結着材料および電子伝導性材料が該層に侵入していないことを意味する。
In the anode diffusion layer of the present invention, the porous composite layer has a substantially flat surface in contact with the second conductive porous substrate, and the repellent material constituting the porous composite layer. It is preferable that the aqueous binder material and the electron conductive material do not enter the gap between the second conductive porous substrate. The reason is that if the water-repellent binding material and the electron conductive material of the porous composite layer enter the gap between the second conductive porous base materials, the diffusibility of the fuel in the surface direction of the diffusion layer decreases. Because. In order to prevent the constituent material of the porous composite layer from entering the gap between the second conductive porous base materials, the porous composite layer is formed on the first conductive porous base material. At this time, the surface of the porous composite layer to which the second conductive porous substrate is bonded has a substantially flat surface. And it is good to take the assembly method which laminates | stacks a 2nd electroconductive porous base material on the flat surface of this porous composite layer.
Here, the water-repellent binding material and the electron conductive material constituting the porous composite layer do not enter the gap between the second conductive porous base material. This means that the water-repellent binding material and the electron conductive material have not penetrated into the layer to such an extent that the diffusion of the fuel in the surface direction is affected.

本発明のアノードの拡散層において、前記多孔質複合層中の撥水性結着材料は、フッ素樹脂を主体とすることが好ましい。
撥水性結着材料として、化学的に安定なC−F結合を有するフッ素樹脂を用いることで、他種分子との間の相互作用が小さい表面、いわゆる撥水表面を形成することができる。フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン樹脂(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、ポリフッ化ビニル樹脂(PVF)、ポリフッ化ビニリデン樹脂(PVDF)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体(PFA)等をあげることができる。
In the anode diffusion layer of the present invention, the water-repellent binding material in the porous composite layer is preferably mainly composed of a fluororesin.
By using a fluororesin having a chemically stable C—F bond as the water-repellent binding material, a surface with a small interaction with other kinds of molecules, a so-called water-repellent surface can be formed. Examples of fluororesins include polytetrafluoroethylene resin (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), polyvinyl fluoride resin (PVF), polyvinylidene fluoride resin (PVDF), tetrafluoroethylene-perfluoro (Alkyl vinyl ether) copolymer (PFA) and the like can be mentioned.

本発明のアノードの拡散層において、前記多孔質複合層中の電子伝導性材料は、導電性カーボンブラックを主体とすることが好ましい。
電子伝導性材料として、ストラクチャー(永続的に融着した一次凝集体)が高度に発達しており、しかも比表面積が大きな導電性カーボンブラックを用いることで、電子伝導性を確保するとともに、ストラクチャー内の空孔を介して触媒層で生成した二酸化炭素を速やかに排出することができる。
In the anode diffusion layer of the present invention, the electron conductive material in the porous composite layer is preferably mainly composed of conductive carbon black.
As an electron conductive material, the structure (primarily agglomerated permanently agglomerated) is highly developed, and conductive carbon black with a large specific surface area is used to ensure the electron conductivity and within the structure. The carbon dioxide generated in the catalyst layer can be quickly discharged through the pores.

本発明のアノードの拡散層において、第1及び第2の導電性多孔質基材へ、撥水性結着材料を付着させ、その付着量を調整することで、燃料透過流束を制御することができる。
撥水性結着材料が第1及び第2の導電性多孔質基材の表面や細孔内壁に堆積し、撥水性結着材料の粒子形状に由来した多数の凹凸形状(フラクタル表面)を形成することにより、基材自体の撥水性を高めることが可能となる。従って、第1及び第2の導電性多孔質基材への撥水性結着材料の付着量を調整することにより、基材の撥水性を変化させ、燃料透過流束を制御することができる。
In the anode diffusion layer of the present invention, the fuel permeation flux can be controlled by adhering a water-repellent binding material to the first and second conductive porous substrates and adjusting the amount of adhesion. it can.
The water-repellent binding material is deposited on the surfaces of the first and second conductive porous substrates and the inner walls of the pores to form a number of irregular shapes (fractal surfaces) derived from the particle shape of the water-repellent binding material. This makes it possible to increase the water repellency of the substrate itself. Therefore, by adjusting the amount of the water-repellent binding material attached to the first and second conductive porous base materials, the water repellency of the base material can be changed and the fuel permeation flux can be controlled.

本発明のアノードの拡散層において、第1及び第2の導電性多孔質基材に付着させる撥水性結着材料が、フッ素樹脂を主体とすることが好ましい。フッ素樹脂としては、前記多孔質複合層中の撥水性結着材料として例示したフッ素樹脂を用いることができる。   In the anode diffusion layer of the present invention, it is preferable that the water-repellent binding material to be adhered to the first and second conductive porous substrates is mainly composed of a fluororesin. As the fluororesin, the fluororesin exemplified as the water-repellent binding material in the porous composite layer can be used.

本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池への燃料供給量を、発電による燃料消費量の1.1〜2.2倍として運転することが好ましい。
このように、燃料電池への燃料供給量を発電時に消費される量に限りなく近づけると、余剰燃料に基づく燃料のクロスオーバー量を大幅に低減させることができる。燃料供給量を発電による燃料消費量の2.2倍を越えた値に設定すると、燃料のクロスオーバーによる発電特性の低下が顕著となる。
燃料電池の燃料消費量は、所望の出力から求める。また、燃料供給量を制御するには、燃料電池へ供給する燃料の濃度、およびその供給速度を調整することにより行う。
The fuel cell system of the present invention is preferably operated with the amount of fuel supplied to the fuel cell being 1.1 to 2.2 times the amount of fuel consumed by power generation.
Thus, when the amount of fuel supplied to the fuel cell is made as close as possible to the amount consumed during power generation, the amount of fuel crossover based on surplus fuel can be greatly reduced. When the fuel supply amount is set to a value that exceeds 2.2 times the fuel consumption by power generation, the power generation characteristics are significantly reduced due to fuel crossover.
The fuel consumption of the fuel cell is obtained from a desired output. Further, the fuel supply amount is controlled by adjusting the concentration of fuel supplied to the fuel cell and the supply speed thereof.

本発明の燃料電池システムの運転方法の好ましい実施の形態において、燃料がメタノールまたはメタノール水溶液であり、第1の導電性多孔質基材と前記多孔質複合層との2層の燃料透過流束が、0.6×10-4〜1.5×10-4mol/(cm2・min)であるような燃料濃度および電池温度にて発電させる。 In a preferred embodiment of the operation method of the fuel cell system of the present invention, the fuel is methanol or a methanol aqueous solution, and the fuel permeation flux of two layers of the first conductive porous substrate and the porous composite layer is , 0.6 × 10 −4 to 1.5 × 10 −4 mol / (cm 2 · min) at a fuel concentration and a cell temperature.

燃料流路側の第1の導電性多孔質基材と多孔質複合層との2層のメタノール透過流束値を上記した規定範囲内に設定することにより、拡散層の厚さ方向での燃料のブロッキング性を適正化することが可能となり、燃料流路の上流側での燃料の過剰供給による燃料のクロスオーバーの問題を解決することができる。前記メタノール透過流束が、1.5×10-4mol/(cm2・min)を越えた場合には、拡散層の厚さ方向でのメタノール透過速度が著しく増加するために、触媒層全面へのメタノール供給が不均一となり、発電特性が低下する。逆に、前記メタノール透過流束が0.6×10-4mol/(cm2・min)未満では、触媒層への燃料供給量の確保ができずに濃度分極が増大し、発電特性の悪化を招く。 By setting the methanol permeation flux values of the two layers of the first conductive porous substrate and the porous composite layer on the fuel flow path side within the specified range, the fuel in the thickness direction of the diffusion layer can be obtained. It is possible to optimize the blocking property and solve the problem of fuel crossover due to excessive supply of fuel on the upstream side of the fuel flow path. When the methanol permeation flux exceeds 1.5 × 10 −4 mol / (cm 2 · min), the methanol permeation rate in the thickness direction of the diffusion layer is remarkably increased. The methanol supply to the tank becomes uneven, and the power generation characteristics are deteriorated. On the other hand, if the methanol permeation flux is less than 0.6 × 10 −4 mol / (cm 2 · min), the amount of fuel supplied to the catalyst layer cannot be secured, resulting in an increase in concentration polarization and a deterioration in power generation characteristics. Invite.

本発明の燃料電池システムの運転方法の他の好ましい実施の形態において、前記燃料がメタノールまたはメタノール水溶液であり、第2の導電性多孔質基材の燃料透過流束が、4.5×10-4〜8.0×10-4mol/(cm2・min)であるような燃料濃度および電池温度にて発電させる。 In another preferred embodiment of the operation method of the fuel cell system of the present invention, the fuel is methanol or a methanol aqueous solution, and the fuel permeation flux of the second conductive porous substrate is 4.5 × 10 −. Electric power is generated at a fuel concentration and cell temperature that is 4 to 8.0 × 10 −4 mol / (cm 2 · min).

第2の導電性多孔質基材のメタノール透過流束値を上記した規定範囲内に設定することにより、適正量のメタノールを拡散層の面方向で均一に拡散させることが可能となり、燃料流路の下流側での燃料供給不足による濃度分極の問題を解決することができる。前記メタノール透過流束が、8.0×10-4mol/(cm2・min)を越えた場合には、第2の導電性多孔質基材の厚さ方向でのメタノール透過速度が面方向でのメタノール透過速度に比べて大きくなるために、触媒層全面へのメタノール供給が不均一となり、発電特性が低下する。逆に、前記メタノール透過流束が4.5×10-4mol/(cm2・min)未満では、触媒層への燃料供給量の確保ができずに濃度分極が増大し、発電特性の悪化を招く。 By setting the methanol permeation flux value of the second conductive porous base material within the specified range described above, it becomes possible to uniformly diffuse an appropriate amount of methanol in the surface direction of the diffusion layer. The problem of concentration polarization due to insufficient fuel supply on the downstream side can be solved. When the methanol permeation flux exceeds 8.0 × 10 −4 mol / (cm 2 · min), the methanol permeation rate in the thickness direction of the second conductive porous substrate is the surface direction. Thus, the methanol permeation rate becomes larger than that of the catalyst layer, so that the methanol supply to the entire surface of the catalyst layer becomes uneven, and the power generation characteristics deteriorate. On the contrary, if the methanol permeation flux is less than 4.5 × 10 −4 mol / (cm 2 · min), the amount of fuel supplied to the catalyst layer cannot be secured and concentration polarization increases, resulting in deterioration of power generation characteristics. Invite.

以上のように、本発明によれば、高濃度燃料を直接供給した場合においても、触媒層全面への燃料供給均一性の確保、燃料のクロスオーバーの低減を同時に実現させることが可能となるために、燃料利用率を低下させることなく、優れた発電特性を有する直接酸化型燃料電池を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
As described above, according to the present invention, even when high-concentration fuel is directly supplied, it is possible to simultaneously ensure fuel supply uniformity over the entire catalyst layer and reduce fuel crossover. In addition, a direct oxidation fuel cell having excellent power generation characteristics can be provided without reducing the fuel utilization rate.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

実施の形態1
図2は、本発明の一実施の形態における燃料電池の構造を示す縦断面略図である。この例では、燃料電池は、1つの単位セルから構成されている。単位セル10は、水素イオン伝導性電解質膜11、電解質膜11を挟むアノード12およびカソード13からなる膜−電極接合体(MEA)、並びにMEAを挟むアノード側セパレータ14およびカソード側セパレータ15を備える。アノードおよびカソードは、それぞれ電解質膜に接する触媒層とセパレータ側の拡散層を含む。アノード側セパレータ14は、アノードに対向する面に燃料を供給・排出する流路16を有し、カソード側セパレータ15は、カソードに対向する面に酸化剤ガスを供給・排出するガス流路17を有する。18および19は、アノードおよびカソードの周囲において電解質膜を挟むガスケットである。
単位セル10は、その両面に、集電板20および21、面状のヒータ22および23、絶縁板24および25、並びに端板26および27を積層し、締結手段により一体に結合されている。
Embodiment 1
FIG. 2 is a schematic longitudinal sectional view showing the structure of the fuel cell in one embodiment of the present invention. In this example, the fuel cell is composed of one unit cell. The unit cell 10 includes a hydrogen ion conductive electrolyte membrane 11, a membrane-electrode assembly (MEA) composed of an anode 12 and a cathode 13 sandwiching the electrolyte membrane 11, and an anode side separator 14 and a cathode side separator 15 sandwiching the MEA. The anode and the cathode each include a catalyst layer in contact with the electrolyte membrane and a diffusion layer on the separator side. The anode-side separator 14 has a flow path 16 for supplying and discharging fuel on the surface facing the anode, and the cathode-side separator 15 has a gas flow path 17 for supplying and discharging oxidant gas on the surface facing the cathode. Have. 18 and 19 are gaskets sandwiching the electrolyte membrane around the anode and the cathode.
The unit cell 10 has current collector plates 20 and 21, planar heaters 22 and 23, insulating plates 24 and 25, and end plates 26 and 27 stacked on both sides thereof, and are integrally coupled by fastening means.

電解質膜11としては、水素イオン(プロトン)伝導性で、耐熱性および化学的安定性に優れたものであれば良く、その材質は特に限定されるものではない。
アノードおよびカソードの触媒層は、触媒金属を担持した導電性炭素粒子または触媒金属微粒子および高分子電解質を主成分とする、厚さ10〜100μm程度の薄膜である。アノードの触媒層の触媒金属には、白金(Pt)−ルテニウム(Ru)合金微粒子が用いられる。一方、カソードの触媒層の触媒金属には、Pt微粒子が用いられる。高分子電解質としては、電解質膜11と同一材質のものを用いることが好ましい。
The electrolyte membrane 11 may be any material as long as it has hydrogen ion (proton) conductivity and excellent heat resistance and chemical stability, and the material thereof is not particularly limited.
The catalyst layers of the anode and the cathode are thin films having a thickness of about 10 to 100 μm mainly composed of conductive carbon particles or catalyst metal fine particles supporting a catalyst metal and a polymer electrolyte. Platinum (Pt) -ruthenium (Ru) alloy fine particles are used as the catalyst metal of the catalyst layer of the anode. On the other hand, Pt fine particles are used as the catalyst metal of the cathode catalyst layer. As the polymer electrolyte, it is preferable to use the same material as the electrolyte membrane 11.

アノード12は、図3に示すように、拡散層30と触媒層34を含む。拡散層30は、撥水性結着材料と電子伝導性材料とを含む多孔質複合層31、多孔質複合層31のアノード側セパレータの側に配された第1の導電性多孔質基材32、および多孔質複合層31の触媒層側に配された第2の導電性多孔質基材33の少なくとも3層を含む積層体からなる。   As shown in FIG. 3, the anode 12 includes a diffusion layer 30 and a catalyst layer 34. The diffusion layer 30 includes a porous composite layer 31 including a water-repellent binding material and an electron conductive material, a first conductive porous substrate 32 disposed on the anode separator side of the porous composite layer 31, And a laminate including at least three layers of the second conductive porous base material 33 disposed on the catalyst layer side of the porous composite layer 31.

多孔質複合層30を構成する撥水性結着材料としては、フッ素樹脂を主体とするものであれば良く、フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン樹脂(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、ポリフッ化ビニル樹脂(PVF)、ポリフッ化ビニリデン樹脂(PVDF)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体(PFA)等を用いることが好ましい。多孔質複合層30を構成する電子伝導性材料としては、導電性カーボンブラックを主体とするものであれば良く、導電性カーボンブラックとしては、ストラクチャーが高度に発達しており、しかも比表面積が200m2/g以上である材料を用いることが好ましい。 The water-repellent binding material constituting the porous composite layer 30 may be any material mainly composed of a fluororesin. Examples of the fluororesin include polytetrafluoroethylene resin (PTFE) and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene. It is preferable to use a polymer (FEP), a polyvinyl fluoride resin (PVF), a polyvinylidene fluoride resin (PVDF), a tetrafluoroethylene-perfluoro (alkyl vinyl ether) copolymer (PFA), or the like. The electron conductive material constituting the porous composite layer 30 may be any material mainly composed of conductive carbon black. The conductive carbon black has a highly developed structure and has a specific surface area of 200 m. It is preferable to use a material that is 2 / g or more.

第1および第2の導電性多孔質基材としては、燃料の拡散性、発電により発生した二酸化炭素の排斥性、および電子伝導性を併せ持つ導電性多孔材料に、撥水性結着材料を付着させたものを用いることができる。そのような導電性多孔質材料には、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロスがあり、そのような撥水性結着材料には、例えば、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリフッ化ビニル樹脂、ポリフッ化ビニリデン樹脂、テトラフルオロエチレン−パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体がある。
なお、多孔質複合層10は、触媒層側の第2の導電性多孔質基材の隙間には、入り込んでいない。
As the first and second conductive porous substrates, a water-repellent binding material is attached to a conductive porous material having both diffusibility of fuel, elimination of carbon dioxide generated by power generation, and electronic conductivity. Can be used. Examples of such conductive porous materials include carbon paper and carbon cloth. Examples of such water-repellent binding materials include polytetrafluoroethylene resin and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer. , Polyvinyl fluoride resin, polyvinylidene fluoride resin, and tetrafluoroethylene-perfluoro (alkyl vinyl ether) copolymer.
The porous composite layer 10 does not enter the gap between the second conductive porous substrate on the catalyst layer side.

カソード13の拡散層には、空気の拡散性、発電により発生した水の排斥性、および電子伝導性を併せ持つ、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス等の導電性多孔質基材を用いることができる。   For the diffusion layer of the cathode 13, for example, a conductive porous substrate such as carbon paper or carbon cloth having both air diffusibility, drainage of water generated by power generation, and electronic conductivity can be used.

図4は、上記のような本発明の燃料電池を用いたシステムの一実施の形態を示す。このシステムは、非循環型の燃料電池システムであり、燃料電池のアノード側から排出された液体および気体を回収して、再度発電に利用することはない。すなわち、燃料供給量を発電時に消費される量に限りなく近づけ、アノード側から排出される燃料排出量を極力低減させるようにしたもので、冷却器や気液分離器等の装置は不要となる。   FIG. 4 shows an embodiment of a system using the fuel cell of the present invention as described above. This system is a non-circulating fuel cell system, and does not collect the liquid and gas discharged from the anode side of the fuel cell and reuse them for power generation. That is, the amount of fuel supplied is as close as possible to the amount consumed during power generation, and the amount of fuel discharged from the anode side is reduced as much as possible. Devices such as a cooler and a gas-liquid separator become unnecessary. .

40は燃料電池を表す。燃料電池40は、上記のような単位セルの1つまたは複数個を積層したセルスタック、並びにこれを挟む集電板、面状ヒータ、絶縁板および端板を具備する。面状ヒータは、セル温度を制御するために用いる。燃料電池40のアノード43には、燃料ポンプ48を備えた燃料供給路47により、燃料タンク49内の燃料が供給される。一方、燃料電池40のカソード42には、空気ポンプ45を備えた空気供給路44により酸化剤ガスの空気が供給される。燃料電池40のアノード43から排出される燃料は、燃料排出路50により触媒燃焼器51に送られる。触媒燃焼器51には、空気排出路46によりカソード42から排出される空気が送られる。そして、燃料電池から排出される燃料は、この触媒燃焼器で酸化浄化されて、水および二酸化炭素を含んだ空気として大気中に放出される。触媒燃焼器51としては、触媒層付多孔質シートで分割された二つの燃焼室からなり、一方の燃焼室には、燃料電池40から排出される燃料が導入される導入口のみが設けられており、他方の燃焼室には、空気が導入される導入口と、触媒燃焼後の水および二酸化炭素を含んだ空気が排出される排出路52が設けられている。   Reference numeral 40 denotes a fuel cell. The fuel cell 40 includes a cell stack in which one or a plurality of unit cells as described above are stacked, and a current collector plate, a planar heater, an insulating plate, and an end plate sandwiching the cell stack. The planar heater is used to control the cell temperature. The fuel in the fuel tank 49 is supplied to the anode 43 of the fuel cell 40 through a fuel supply path 47 provided with a fuel pump 48. On the other hand, oxidant gas air is supplied to the cathode 42 of the fuel cell 40 through an air supply path 44 having an air pump 45. The fuel discharged from the anode 43 of the fuel cell 40 is sent to the catalyst combustor 51 through the fuel discharge path 50. Air discharged from the cathode 42 through the air discharge path 46 is sent to the catalyst combustor 51. Then, the fuel discharged from the fuel cell is oxidized and purified by this catalytic combustor and released into the atmosphere as air containing water and carbon dioxide. The catalyst combustor 51 is composed of two combustion chambers divided by a porous sheet with a catalyst layer, and one combustion chamber is provided with only an inlet for introducing fuel discharged from the fuel cell 40. The other combustion chamber is provided with an introduction port through which air is introduced and a discharge path 52 through which air containing water and carbon dioxide after catalytic combustion is discharged.

次に、本発明のアノードの拡散層の好ましいメタノール透過流束となるような条件で燃料電池システムを運転するための燃料濃度および電池温度を求めるステップを説明する。   Next, the steps for obtaining the fuel concentration and the cell temperature for operating the fuel cell system under conditions that provide the preferred methanol permeation flux of the anode diffusion layer of the present invention will be described.

(1)第1ステップ:
図5に示す、メタノールの透過流束を測定する装置を用いて、メタノール水溶液の濃度および温度を変えた条件下で拡散層の構成部材、すなわち、第1の導電性多孔質部材と多孔質複合部材との結合体、および第2の導電性多孔質部材、のメタノールの透過流束を測定する。図5の装置により、メタノールの透過流束を測定する方法については、後の実施例で説明する。
測定温度は、実使用温度を想定して、20〜80℃の範囲とする。このとき装置は、所定温度の恒温槽のなかに60分間放置し、メタノール水溶液の温度が安定した後に測定を実施する。
(1) First step:
The component of the diffusion layer, that is, the first conductive porous member and the porous composite under the conditions in which the concentration and temperature of the methanol aqueous solution are changed using the apparatus for measuring the methanol permeation flux shown in FIG. The methanol permeation flux of the combined body with the member and the second conductive porous member is measured. A method for measuring the permeation flux of methanol using the apparatus of FIG. 5 will be described in a later example.
The measurement temperature is in the range of 20 to 80 ° C. assuming the actual use temperature. At this time, the apparatus is left in a constant temperature bath for 60 minutes, and the measurement is performed after the temperature of the aqueous methanol solution is stabilized.

(2)第2ステップ:
上記の測定結果をもとに、前記好ましい透過流束となるようなメタノール濃度および温度を決定する。
この際、第1の導電性多孔質部材と多孔質複合部材との結合体の前記好ましい透過流束を満足するための、メタノール濃度および温度と、第2の導電性多孔質部材の前記好ましい透過流束を満足するための、メタノール濃度および温度とで異なるときは、第2の導電性多孔質部材におけるメタノール濃度および温度をベースにして、多孔質複合層の厚みおよび組成を変えることにより、第1の導電性多孔質部材と多孔質複合部材との結合体についても同一のメタノール濃度および温度条件となるように調整する。
(2) Second step:
Based on the above measurement results, the methanol concentration and temperature are determined so as to achieve the preferred permeation flux.
At this time, methanol concentration and temperature for satisfying the preferable permeation flux of the combined body of the first conductive porous member and the porous composite member, and the preferable permeation of the second conductive porous member. When the methanol concentration and temperature for satisfying the flux are different, the thickness and composition of the porous composite layer are changed based on the methanol concentration and temperature in the second conductive porous member. It adjusts so that it may become the same methanol concentration and temperature conditions also about the coupling body of 1 electroconductive porous member and porous composite member.

(3)第3ステップ:
上記第2のステップで決定したメタノール濃度の燃料をアノードに供給する一方、第2のステップで決定したメタノール水溶液温度となるように、燃料電池の温度を設定し、燃料電池を発電させる。
(3) Third step:
While supplying the fuel having the methanol concentration determined in the second step to the anode, the temperature of the fuel cell is set so as to be the methanol aqueous solution temperature determined in the second step, and the fuel cell is caused to generate power.

以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
《実施例1》
平均一次粒子径30nmを持つ導電性炭素粒子であるカーボンブラック(三菱化学(株)製ケッチェンブラックEC)に、平均粒径3nmのPtとRuとを、それぞれ30重量%担持させたものをアノード側の触媒担持粒子とした。また、前記と同じケッチェンブラックECに、平均粒径3nmのPtを50重量%担持させたものをカソード側の触媒担持粒子とした。上記アノード側触媒担持粒子およびカソード側触媒担持粒子をそれぞれイソプロパノールの水溶液中に超音波分散させ、それらの分散液に高分子電解質を添加し、ビーズミルで高分散させることにより、アノード触媒ペーストおよびカソード触媒ペーストをそれぞれ作製した。この際、各触媒ペースト中の導電性炭素粒子と高分子電解質との重量比を1:1とした。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Flemion)を用いた。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.
Example 1
Carbon black, which is conductive carbon particles having an average primary particle size of 30 nm (Ketjen Black EC manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), and 30% by weight of Pt and Ru having an average particle size of 3 nm supported on each anode Side catalyst-carrying particles were obtained. Further, a catalyst-supporting particle on the cathode side was prepared by supporting 50% by weight of Pt having an average particle diameter of 3 nm on the same ketjen black EC as described above. The anode-side catalyst-carrying particles and the cathode-side catalyst-carrying particles are each ultrasonically dispersed in an aqueous solution of isopropanol, a polymer electrolyte is added to these dispersions, and the particles are highly dispersed by a bead mill, whereby an anode catalyst paste and a cathode catalyst Each paste was prepared. At this time, the weight ratio of the conductive carbon particles to the polymer electrolyte in each catalyst paste was 1: 1. As the polymer electrolyte, perfluorocarbon sulfonic acid ionomer (Flemion manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) was used.

これらのアノード触媒ペーストおよびカソード触媒ペーストをそれぞれドクターブレードを用いてポリテトラフルオロエチレンシート(ニチアス(株)製ナフロンPTFEシート)上に塗布した後、大気中常温で6時間乾燥させてアノード触媒層およびカソード触媒層を形成した。次に、各触媒層を形成したシートを6cm×6cmのサイズに切断した。アノード触媒層を有するシートとカソード触媒層を有するシートで、各触媒層が内側となるようにして電解質膜を挟み、ホットプレス法(130℃、7MPa、5分間)により各触媒層を電解質膜に接合した。ここに用いた電解質膜は、パーフルオロアルキルスルホン酸からなるイオン交換膜(DuPont社製Nafion117)である。このようにして得られた接合体からポリテトラフルオロエチレンシートを剥がすことにより、アノード触媒層およびカソード触媒層を電解質膜上にそれぞれ形成した。アノード側およびカソード側のPt触媒量は、1.8mg/cm2であった。 After coating these anode catalyst paste and cathode catalyst paste on a polytetrafluoroethylene sheet (Naflon PTFE sheet manufactured by Nichias Co., Ltd.) using a doctor blade, the anode catalyst layer and the anode catalyst layer were dried at room temperature in the atmosphere for 6 hours. A cathode catalyst layer was formed. Next, the sheet on which each catalyst layer was formed was cut into a size of 6 cm × 6 cm. An electrolyte membrane is sandwiched between a sheet having an anode catalyst layer and a sheet having a cathode catalyst layer so that each catalyst layer is inside, and each catalyst layer is formed into an electrolyte membrane by hot pressing (130 ° C., 7 MPa, 5 minutes). Joined. The electrolyte membrane used here is an ion exchange membrane (Nafion 117 manufactured by DuPont) made of perfluoroalkylsulfonic acid. The polytetrafluoroethylene sheet was peeled off from the joined body thus obtained, thereby forming an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer on the electrolyte membrane. The amount of Pt catalyst on the anode side and the cathode side was 1.8 mg / cm 2 .

第1の導電性多孔質基材として、カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H090)を用い、これをポリテトラフルオロエチレン樹脂(PTFE)の7重量%分散液(ダイキン工業(株)製D−1Eをイオン交換水で希釈したもの)中に1分間浸漬した後、大気中常温で3時間乾燥させた。その後、窒素ガス中360℃で1時間焼成して界面活性剤を除去した。このようにして第1の導電性多孔質基材に撥水性を付与した。第1の導電性多孔質基材に付着しているPTFE量は11.5重量%であった。   As the first conductive porous substrate, carbon paper (TGP-H090 manufactured by Toray Industries, Inc.) was used, and this was dispersed in a 7% by weight polytetrafluoroethylene resin (PTFE) (Daikin Industries, Ltd. D -1E diluted with ion-exchanged water) for 1 minute, and then dried in air at room temperature for 3 hours. Thereafter, the surfactant was removed by baking at 360 ° C. for 1 hour in nitrogen gas. Thus, water repellency was imparted to the first conductive porous substrate. The amount of PTFE adhering to the first conductive porous substrate was 11.5% by weight.

次に、この第1の導電性多孔質基材32の表面に、以下のようにして多孔質複合層31を形成した。まず、導電性カーボンブラック(CABOT社製VulcanXC−72R)を界面活性剤(Aldrich社製TritonX−100)が添加された水溶液中で超音波分散させた後、ハイビスミックス(プライミクス(株)製)を用いて高分散させた。次に、PTFE分散液(ダイキン工業(株)製D−1E)を添加した後、再度、高分散化を行い、多孔質複合層用ペーストを作製した。この多孔質複合層用ペーストをドクターブレードにより第1の導電性多孔質基材32の全面に均一に塗布した後、大気中常温で8時間乾燥させた。その後、窒素ガス中360℃で1時間焼成して界面活性剤を除去した。このようにして得られた多孔質複合層31中の導電性カーボンブラック/PTFEの重量比率は3/5であり、その厚みは約50μmであった。   Next, the porous composite layer 31 was formed on the surface of the first conductive porous substrate 32 as follows. First, conductive carbon black (Vulcan XC-72R manufactured by CABOT) was ultrasonically dispersed in an aqueous solution to which a surfactant (Triton X-100 manufactured by Aldrich) was added, and then Hibismix (manufactured by Primix Co., Ltd.) was used. High dispersion was used. Next, after adding a PTFE dispersion (D-1E manufactured by Daikin Industries, Ltd.), the dispersion was again highly dispersed to prepare a porous composite layer paste. The porous composite layer paste was uniformly applied to the entire surface of the first conductive porous substrate 32 by a doctor blade, and then dried at room temperature in the atmosphere for 8 hours. Thereafter, the surfactant was removed by baking at 360 ° C. for 1 hour in nitrogen gas. The weight ratio of conductive carbon black / PTFE in the porous composite layer 31 thus obtained was 3/5, and its thickness was about 50 μm.

次に、多孔質複合層31を形成した第1の導電性多孔質基材32と、以下に述べる第2の導電性多孔質基材33をそれぞれ6cm×6cmのサイズに切断した。次いで、第1の導電性多孔質基材32上に形成された多孔質複合層31の上に、第2の導電性多孔質基材33を重ね合わせ、ホットプレス法(130℃、4MPa、3分間)により貼り合わせて拡散層30を作製した。ここに用いた第2の導電性多孔質基材33は、カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H060)であり、上記した第1の導電性多孔質基材32の場合と同様の手順で、PTFEの3重量%分散液による撥水処理を行うことにより、PTFEを5.5重量%付着させた。   Next, the first conductive porous substrate 32 on which the porous composite layer 31 was formed and the second conductive porous substrate 33 described below were each cut into a size of 6 cm × 6 cm. Next, the second conductive porous substrate 33 is overlaid on the porous composite layer 31 formed on the first conductive porous substrate 32, and hot pressing (130 ° C., 4 MPa, 3 MPa The diffusion layer 30 was fabricated by bonding together. The second conductive porous substrate 33 used here is carbon paper (TGP-H060 manufactured by Toray Industries, Inc.), and the same procedure as in the case of the first conductive porous substrate 32 described above is used. The PTFE was deposited by 5.5% by weight by performing a water repellent treatment with a 3% by weight dispersion of PTFE.

以上のようにして拡散層30を作製することにより、多孔質複合層31を第2の導電性多孔質基材33の隙間に入り込ませることなく、第2の導電性多孔質基材33と積層させることができた。
次に、アノード触媒層およびカソード触媒層を形成した上記電解質膜11に、6cm×6cmのサイズに切断されたアノード側拡散層30およびカソード側拡散層を積層し、ホットプレス法(130℃、4MPa、3分間)によりこれらを接合した。カソード側拡散層には、カーボンクロス(E−TEK製LT2500W)を用いた。
By producing the diffusion layer 30 as described above, the porous composite layer 31 is laminated with the second conductive porous base material 33 without entering the gap between the second conductive porous base material 33. I was able to.
Next, the anode side diffusion layer 30 and the cathode side diffusion layer cut into a size of 6 cm × 6 cm are laminated on the electrolyte membrane 11 on which the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer are formed, and hot pressing (130 ° C., 4 MPa) is performed. For 3 minutes). Carbon cloth (LT2500W manufactured by E-TEK) was used for the cathode side diffusion layer.

さらに、アノード12およびカソード13の周囲に、電解質膜11を挟んでガスケット18および19を熱溶着(130℃、4MPa、5分間)することにより、MEA1を作製した。
このMEAを、外寸が10cm×10cmの、セパレータ、集電板、面状ヒータ、絶縁板、および端板で両側から挟み込み、締結ロッドで固定した。この時の締結圧は、セパレータの面積あたりで20kgf/cm2とした。アノード側セパレータおよびカソード側セパレータは、厚さ4mmのクラッシーカーボン板からなり、アノードおよびカソードと対向する面には、それぞれ幅1.5mm、深さ1mmのサーペンタイン型流路が形成されている。集電板には金メッキ処理を施したステンレス鋼板を、また端板にはステンレス綱板をそれぞれ使用した。
以上のようにして組み立てられた燃料電池をAとする。
Further, the MEA 1 was manufactured by thermally welding the gaskets 18 and 19 around the anode 12 and the cathode 13 with the electrolyte membrane 11 interposed therebetween (130 ° C., 4 MPa, 5 minutes).
The MEA was sandwiched from both sides by a separator, a current collector plate, a planar heater, an insulating plate, and an end plate having an outer dimension of 10 cm × 10 cm, and fixed with a fastening rod. The fastening pressure at this time was 20 kgf / cm 2 per area of the separator. The anode-side separator and the cathode-side separator are made of a classy carbon plate having a thickness of 4 mm, and serpentine-type channels having a width of 1.5 mm and a depth of 1 mm are formed on the surfaces facing the anode and the cathode, respectively. A stainless steel plate subjected to gold plating was used for the current collector plate, and a stainless steel plate was used for the end plate.
The fuel cell assembled as described above is denoted by A.

《実施例2》
多孔質複合層31中の導電性カーボンブラック/PTFEの重量比率を5/3とし、その厚みを約30μmとすること以外は実施例1と同様な方法により、燃料電池Bを作製した。
Example 2
A fuel cell B was produced in the same manner as in Example 1 except that the weight ratio of conductive carbon black / PTFE in the porous composite layer 31 was 5/3 and the thickness thereof was about 30 μm.

《実施例3》
第1の導電性多孔質基材32を13重量%のPTFE分散液を用いて撥水処理することによりPTFEを20.5重量%付着させたこと、および多孔質複合層31の厚みを約60μmとしたこと以外は実施例1と同様な方法により、燃料電池Cを作製した。
Example 3
The first conductive porous substrate 32 was subjected to water repellency treatment using 13 wt% PTFE dispersion to deposit 20.5 wt% of PTFE, and the thickness of the porous composite layer 31 was about 60 μm. A fuel cell C was produced by the same method as in Example 1 except that.

《実施例4》
第2の導電性多孔質基材33にカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H030)を用い、これを7重量%のPTFE分散液を用いて撥水処理することにより、PTFEを11.5重量%付着させた以外は実施例1と同様な方法により、燃料電池Dを作製した。
Example 4
By using carbon paper (TGP-H030 manufactured by Toray Industries, Inc.) as the second conductive porous base material 33 and subjecting it to a water repellent treatment using a 7 wt% PTFE dispersion, PTFE was 11.5. A fuel cell D was produced in the same manner as in Example 1 except that the weight% was adhered.

《実施例5》
第2の導電性多孔質基材33を7重量%のPTFE分散液を用いて撥水処理することにより、PTFEを11.5重量%付着させた以外は実施例1と同様な方法により、燃料電池Eを作製した。
Example 5
The second conductive porous base material 33 was subjected to a water repellent treatment using a 7 wt% PTFE dispersion, whereby a fuel was produced in the same manner as in Example 1 except that 11.5 wt% of PTFE was deposited. Battery E was produced.

《実施例6》
第1の導電性多孔質基材32を3重量%のPTFE分散液を用いて撥水処理することにより、PTFEを5.5重量%付着させたこと、および多孔質複合層31中の導電性カーボンブラック/PTFEの重量比率を5/3とし、その厚みを約20μmとしたこと以外は実施例1と同様な方法により、燃料電池Fを作製した。
Example 6
The first conductive porous substrate 32 was subjected to a water repellent treatment using 3 wt% PTFE dispersion, thereby adhering 5.5 wt% of PTFE, and the conductivity in the porous composite layer 31. A fuel cell F was produced in the same manner as in Example 1 except that the weight ratio of carbon black / PTFE was 5/3 and the thickness was about 20 μm.

《実施例7》
第1の導電性多孔質基材A11を13重量%のPTFE分散液を用いて撥水処理することにより、PTFEを20.5重量%付着させたこと、および多孔質複合層31の厚みを約80μmとしたこと以外は実施例1と同様な方法により、燃料電池Gを作製した。
Example 7
The first conductive porous substrate A11 was subjected to a water repellent treatment using a 13% by weight PTFE dispersion, so that 20.5% by weight of PTFE was adhered, and the thickness of the porous composite layer 31 was reduced to about A fuel cell G was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness was 80 μm.

《実施例8》
第2の導電性多孔質基材33として、カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H030)を用い、これの撥水処理を行わないこと以外は実施例1と同様な方法により、燃料電池Hを作製した。
Example 8
As the second conductive porous base material 33, a carbon paper (TGP-H030 manufactured by Toray Industries, Inc.) was used, and the fuel cell H was manufactured in the same manner as in Example 1 except that this water-repellent treatment was not performed. Was made.

《実施例9》
第2の導電性多孔質基材33を13重量%のPTFE分散液を用いて撥水処理することにより、PTFEを20.5重量%付着させた以外は実施例1と同様な方法により、燃料電池Iを作製した。
Example 9
The second conductive porous substrate 33 was subjected to a water repellent treatment using a 13 wt% PTFE dispersion, so that 20.5 wt% of PTFE was adhered to the fuel by the same method as in Example 1. Battery I was produced.

《実施例10》
多孔質複合層用ペーストを、第1の導電性多孔質基材32でなく第2の導電性多孔質基材33上にドクターブレードを用いて均一に塗布した以外は実施例1と同様な方法により、燃料電池Jを作製した。
Example 10
A method similar to that of Example 1 except that the paste for the porous composite layer was uniformly applied on the second conductive porous substrate 33 instead of the first conductive porous substrate 32 using a doctor blade. Thus, a fuel cell J was produced.

《実施例11》
第1の導電性多孔質基材32として、カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H060)を用い、これを3重量%のPTFE分散液を用いて撥水処理することにより、PTFEを5.5重量%付着させたこと、および第2の導電性多孔質基材33として、カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H090)を用い、これを7重量%のPTFE分散液を用いて撥水処理することにより、PTFEを11.5重量%付着させたこと以外は実施例1と同様な方法により、燃料電池Kを作製した。
Example 11
As the first conductive porous substrate 32, carbon paper (TGP-H060 manufactured by Toray Industries, Inc.) is used, and this is subjected to a water repellent treatment using 3% by weight PTFE dispersion, whereby PTFE is treated with 5. 5% by weight and carbon paper (TGP-H090 manufactured by Toray Industries, Inc.) was used as the second conductive porous substrate 33, and this was water repellent using 7% by weight PTFE dispersion. By processing, a fuel cell K was produced in the same manner as in Example 1 except that 11.5% by weight of PTFE was deposited.

《比較例1》
アノードの拡散層を第1の導電性多孔質基材32のみの1層構造とし、それに、カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H120)を用いたこと以外は実施例1と同様な方法により、燃料電池1を作製した。
<< Comparative Example 1 >>
The anode diffusion layer has a single-layer structure composed of only the first conductive porous substrate 32, and carbon paper (TGP-H120 manufactured by Toray Industries, Inc.) is used in the same manner as in Example 1. A fuel cell 1 was produced.

《比較例2》
アノードの拡散層を多孔質複合層31と第1の導電性多孔質基材32との2層構造とすること以外は実施例1と同様な方法により、燃料電池2を作製した。
<< Comparative Example 2 >>
A fuel cell 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the anode diffusion layer had a two-layer structure of the porous composite layer 31 and the first conductive porous substrate 32.

《比較例3》
アノードの拡散層を多孔質複合層31と第1の導電性多孔質基材との2層構造とし、第1の導電性多孔質基材としてカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H120)を用い、これを13重量%のPTFE分散液を用いて撥水処理することにより、PTFEを20.5重量%付着させたこと、および多孔質複合層31の厚みを約80μmとしたこと以外は実施例1と同様な方法により、燃料電池3を作製した。
<< Comparative Example 3 >>
The anode diffusion layer has a two-layer structure of a porous composite layer 31 and a first conductive porous substrate, and carbon paper (TGP-H120 manufactured by Toray Industries, Inc.) is used as the first conductive porous substrate. This was carried out except that a water repellent treatment was carried out using a 13 wt% PTFE dispersion to deposit 20.5 wt% of PTFE and the thickness of the porous composite layer 31 was about 80 μm. A fuel cell 3 was produced in the same manner as in Example 1.

実施例1〜11、および比較例1〜3で用いたアノード側の拡散層4を構成する、多孔質複合層10を結合した第1の導電性多孔質基材32および第2の導電性多孔質基材33の各々のメタノール透過流束については、以下に示す方法を用いて測定した。その結果を表1に示す。
燃料電池A〜Jにおいては、第1の導電性多孔質基材のメタノール透過流束は、第2の導電性多孔質基材のメタノール透過流束より大きく、燃料電池Kにおいては、第2の導電性多孔質基材のメタノール透過流束は、第1の導電性多孔質基材のメタノール透過流束より大きい。
The first conductive porous base material 32 and the second conductive porous material, which are combined with the porous composite layer 10 and constitute the anode-side diffusion layer 4 used in Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 to 3. The methanol permeation flux of each of the base materials 33 was measured using the following method. The results are shown in Table 1.
In the fuel cells A to J, the methanol permeation flux of the first conductive porous base material is larger than the methanol permeation flux of the second conductive porous base material. The methanol permeation flux of the conductive porous substrate is greater than the methanol permeation flux of the first conductive porous substrate.

Figure 2007234589
Figure 2007234589

(1)メタノール透過流束
図5に示すようなガラス製のH型セル60を用いた。セル60はガラス槽61、ガラス槽62、および両者を連絡する連結部63を有する。連結部63(断面積:3.14cm2)に、試料66として、多孔質複合層31を結合した第1の導電性多孔質基材32、または第2の導電性多孔質基材33をゴムリング67および68で挟んで設置した。このセル60を60℃の恒温槽中に入れた。そして、一方のガラス槽61に6Mのメタノール水溶液を50cc、他方のガラス槽62にはイオン交換水を200ccをそれぞれ入れて、攪拌子64および65により一定速度で攪拌した。その後、一定時間毎にガラス槽62中の水溶液を約1ccサンプリングし、ガスクロマトグラフィーによりメタノール濃度を定量した。単位時間あたりのメタノールの増加量をもとに、メタノール透過流束値を算出した。
(1) Methanol permeation flux A glass H-type cell 60 as shown in FIG. 5 was used. The cell 60 has a glass tank 61, a glass tank 62, and a connecting portion 63 that connects the two. The first conductive porous substrate 32 or the second conductive porous substrate 33 in which the porous composite layer 31 is bonded as the sample 66 to the connecting portion 63 (cross-sectional area: 3.14 cm 2 ) is used as a rubber. It was placed between rings 67 and 68. The cell 60 was placed in a constant temperature bath at 60 ° C. Then, 50 cc of a 6M aqueous methanol solution was placed in one glass tank 61 and 200 cc of ion-exchanged water was placed in the other glass tank 62, respectively, and stirred at a constant speed by stirring bars 64 and 65. Thereafter, about 1 cc of the aqueous solution in the glass tank 62 was sampled at regular intervals, and the methanol concentration was quantified by gas chromatography. Based on the increase amount of methanol per unit time, the methanol permeation flux value was calculated.

次に、実施例1〜11で作製した燃料電池A〜K、および比較例1〜3で作製した燃料電池1〜3を用いて、図4に示すような燃料電池システムを構成した。この燃料電池システムを運転させて各燃料電池の電流−電圧特性、および連続発電特性を評価した。評価方法を以下に示す。また、その評価結果を表1に示す。   Next, a fuel cell system as shown in FIG. 4 was configured using the fuel cells A to K manufactured in Examples 1 to 11 and the fuel cells 1 to 3 manufactured in Comparative Examples 1 to 3. The fuel cell system was operated to evaluate the current-voltage characteristics and continuous power generation characteristics of each fuel cell. The evaluation method is shown below. The evaluation results are shown in Table 1.

(2)電流−電圧特性
6Mのメタノール水溶液を流量0.14cc/minでアノード側に供給し、空気を流量0.3L/minでカソード側に供給し、電池温度60℃において、電流密度150mA/cm2で15分間発電させた時点の実効電圧を測定した。この評価条件では、燃料供給量を、発電による燃料消費量の1.5倍、空気供給量を、発電による空気消費量の3.1倍にそれぞれ設定した。
(2) Current-voltage characteristics A 6M aqueous methanol solution was supplied to the anode side at a flow rate of 0.14 cc / min, air was supplied to the cathode side at a flow rate of 0.3 L / min, and a current density of 150 mA / The effective voltage at the time of generating power for 15 minutes at cm 2 was measured. Under these evaluation conditions, the fuel supply amount was set to 1.5 times the fuel consumption amount by power generation, and the air supply amount was set to 3.1 times the air consumption amount by power generation.

(3)連続発電特性
前記の条件で燃料電池を15分間発電させた時点の実効電圧を初期電圧とした。その後、同じ条件で100時間連続発電させた時点の実効電圧を測定し、初期電圧に対する電圧の比率(電圧維持率)を算出した。
(3) Continuous power generation characteristics The effective voltage when the fuel cell was generated for 15 minutes under the above conditions was used as the initial voltage. Thereafter, the effective voltage at the time when power was continuously generated for 100 hours under the same conditions was measured, and the ratio of the voltage to the initial voltage (voltage maintenance rate) was calculated.

表1から明らかなように、燃料電池A〜Kは、高濃度メタノールを利用した運転条件下において、優れた発電特性を有することがわかる。これは、アノード側の拡散層を、撥水性を付与された導電性多孔質基材/多孔質複合層/導電性多孔質基材からなる3層の積層構造体とすることにより、拡散層の厚さ方向での燃料のブロッキング性の制御および面方向での燃料の拡散性の向上を同時に実現させることが可能となったことによるものである。特に、電池A〜Eは、発電特性が飛躍的に向上している。これは次の理由によるものと思われる。その第1は、アノード側の拡散層を構成する、多孔質複合層を結合した第1の導電性多孔質基材、および第2の導電性多孔質基材の、メタノール透過流束が適切な範囲内に制御されていることである。第2は、多孔質複合層を、第2の導電性多孔質基材の隙間に入り込ませることなく、第2の導電性多孔質基材と積層している構造となっているために、適正量のメタノールを拡散層の面方向で均一に拡散させることが可能となったことである。   As is clear from Table 1, it can be seen that the fuel cells A to K have excellent power generation characteristics under operating conditions using high-concentration methanol. This is because the diffusion layer on the anode side is made into a three-layer laminated structure composed of a conductive porous substrate / porous composite layer / conductive porous substrate imparted with water repellency. This is because it is possible to simultaneously realize the control of the blocking property of the fuel in the thickness direction and the improvement of the diffusibility of the fuel in the surface direction. In particular, the batteries A to E have greatly improved power generation characteristics. This is probably due to the following reasons. The first is that the methanol permeation flux of the first conductive porous substrate and the second conductive porous substrate, which constitute the anode-side diffusion layer and bonded with the porous composite layer, is appropriate. It is controlled within the range. The second is appropriate because the porous composite layer has a structure in which the porous conductive layer is laminated with the second conductive porous substrate without entering the gap between the second conductive porous substrates. The amount of methanol can be uniformly diffused in the plane direction of the diffusion layer.

一方、比較例の燃料電池1は、アノード側の拡散層が、撥水性を付与された導電性多孔質基材のみの1層構造となっているために、拡散層の厚さ方向でのメタノールのブロッキング性が不充分となり、燃料流路の上流側でのメタノールクロスオーバーが著しく増大し、発電特性が大幅に低下する結果となった。   On the other hand, in the fuel cell 1 of the comparative example, the anode-side diffusion layer has a single-layer structure of only a conductive porous base material imparted with water repellency. As a result, the blocking property of the fuel becomes insufficient, the methanol crossover on the upstream side of the fuel flow path is significantly increased, and the power generation characteristics are greatly deteriorated.

比較例の燃料電池2は、アノード側の拡散層が、撥水性を付与された導電性多孔質基材と多孔質複合層からなる2層構造となっているために、適正量のメタノールを拡散層の面方向で均一に拡散させることが困難となり、発電特性が悪化したものと推察される。   In the fuel cell 2 of the comparative example, the anode-side diffusion layer has a two-layer structure including a conductive porous base material imparted with water repellency and a porous composite layer, so that an appropriate amount of methanol is diffused. It is assumed that it is difficult to diffuse uniformly in the surface direction of the layer, and the power generation characteristics are deteriorated.

燃料電池3は、アノード側の拡散層が、撥水性を付与された導電性多孔質基材と多孔質複合層からなる厚みが大きな2層構造となっているために、触媒層への燃料供給量の確保ができずに濃度分極が増大し、発電特性の悪化を招いた。   In the fuel cell 3, the anode-side diffusion layer has a large two-layer structure composed of a conductive porous base material imparted with water repellency and a porous composite layer, so that fuel is supplied to the catalyst layer. The amount of polarization could not be ensured and the concentration polarization increased, resulting in deterioration of power generation characteristics.

本発明の実施の形態における拡散層は、3層からなる積層構造体であるが、これに限定されるものではなく、例えば、導電性カーボンブラック/PTFEの重量比率を変えた2層からなる多孔質複合層を用いてもよい。   The diffusion layer in the embodiment of the present invention is a laminated structure composed of three layers, but is not limited to this, for example, a porous layer composed of two layers in which the weight ratio of conductive carbon black / PTFE is changed. A composite layer of quality may be used.

本発明の燃料電池は、メタノール、ジメチルエーテル等を水素に改質せずに燃料として直接用いることができ、携帯電話や携帯情報端末(PDA)、ノートPC、ビデオカメラ等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、自動車用電源等にも適用できる。   The fuel cell of the present invention can be used directly as fuel without reforming methanol, dimethyl ether or the like into hydrogen, and is used for portable small electronic devices such as mobile phones, personal digital assistants (PDAs), notebook PCs, video cameras and the like. It is useful as a power source. Further, the present invention can be applied to an electric scooter, an automobile power source and the like.

本発明によるアノードの拡散層における燃料の拡散状況を説明する略図である。1 is a schematic diagram illustrating a state of fuel diffusion in an anode diffusion layer according to the present invention. 比較例によるアノードの拡散層における燃料の拡散状況を説明する略図である。It is the schematic explaining the diffusion condition of the fuel in the diffusion layer of the anode by a comparative example. 本発明の一実施の形態における燃料電池の単位セルの縦断面略図である。1 is a schematic longitudinal sectional view of a unit cell of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 単位セルのアノード側の拡散層の要部の構成を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the structure of the principal part of the diffusion layer by the side of the anode of a unit cell. 本発明の一実施の形態における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. メタノールの透過流束を測定するための装置の概略構成を示す縦断面略図である。It is a longitudinal cross-sectional schematic diagram which shows schematic structure of the apparatus for measuring the permeation | transmission flux of methanol.

符号の説明Explanation of symbols

1、31 多孔質複合層
2、32 第1の導電性多孔質基材
3、33 第2の導電性多孔質基材
11 電解質膜
12 アノード
13 カソード
14 アノード側セパレータ
15 カソード側セパレータ
16 燃料の流路
17 酸化剤ガスの流路
18、19 ガスケット
30 アノード側拡散層
34 触媒層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 31 Porous composite layer 2, 32 1st electroconductive porous base material 3, 33 2nd electroconductive porous base material 11 Electrolyte membrane 12 Anode 13 Cathode 14 Anode side separator 15 Cathode side separator 16 Flow of fuel Channel 17 Oxidant gas channel 18, 19 Gasket 30 Anode-side diffusion layer 34 Catalyst layer

Claims (10)

少なくとも1つの単位セルを備える直接酸化型燃料電池であって、前記少なくとも1つの単位セルは、アノード、カソード、前記アノードとカソードとの間に挿入された水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記アノードに燃料を供給・排出する流路を有するアノード側セパレータ、および前記カソードに酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有するカソード側セパレータを具備し、
前記アノードは、前記高分子電解質膜に接する触媒層、および拡散層を含み、前記拡散層が、撥水性結着材料および電子伝導性材料を含む多孔質複合層、前記多孔質複合層の前記アノード側セパレータ側に配された第1の導電性多孔質基材、および前記多孔質複合層の前記触媒層側に配された第2の導電性多孔質基材を含むことを特徴とする直接酸化型燃料電池。
A direct oxidation fuel cell comprising at least one unit cell, the at least one unit cell comprising an anode, a cathode, a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane inserted between the anode and the cathode, and the anode An anode side separator having a flow path for supplying and discharging fuel, and a cathode side separator having a gas flow path for supplying and discharging oxidant gas to the cathode,
The anode includes a catalyst layer in contact with the polymer electrolyte membrane and a diffusion layer, and the diffusion layer includes a porous composite layer including a water-repellent binding material and an electron conductive material, and the anode of the porous composite layer Direct oxidation comprising a first conductive porous substrate disposed on the side separator side and a second conductive porous substrate disposed on the catalyst layer side of the porous composite layer Type fuel cell.
前記第1の導電性多孔質基材および前記多孔質複合層からなる2層の燃料透過流束が、前記第2の導電性多孔質基材の燃料透過流束よりも小さい請求項1記載の直接酸化型燃料電池。   The fuel permeation flux of two layers consisting of the first conductive porous substrate and the porous composite layer is smaller than the fuel permeation flux of the second conductive porous substrate. Direct oxidation fuel cell. 前記多孔質複合層における第2の導電性多孔質基材を接合する面は実質的に平坦な表面であり、前記多孔質複合層を構成する撥水性結着材料および電子伝導性材料が、前記第2の導電性多孔質基材の隙間に入り込んでいない請求項1記載の直接酸化型燃料電池。   The surface where the second conductive porous substrate is joined in the porous composite layer is a substantially flat surface, and the water-repellent binding material and the electron conductive material constituting the porous composite layer are 2. The direct oxidation fuel cell according to claim 1, wherein the direct oxidation fuel cell does not enter the gap between the second conductive porous substrates. 前記撥水性結着材料が、フッ素樹脂を主体とする請求項1記載の直接酸化型燃料電池。   2. The direct oxidation fuel cell according to claim 1, wherein the water-repellent binding material is mainly composed of a fluororesin. 前記電子伝導性材料が、導電性カーボンブラックを主体とする請求項1記載の直接酸化型燃料電池。   2. The direct oxidation fuel cell according to claim 1, wherein the electron conductive material is mainly composed of conductive carbon black. 前記第1および第2の導電性多孔質基材が撥水性結着材料を含む請求項1記載の直接酸化型燃料電池。   2. The direct oxidation fuel cell according to claim 1, wherein the first and second conductive porous substrates include a water-repellent binding material. 前記撥水性結着材料が、フッ素樹脂を主体とする請求項6記載の直接酸化型燃料電池。   The direct oxidation fuel cell according to claim 6, wherein the water-repellent binding material mainly comprises a fluororesin. 請求項1記載の燃料電池、前記燃料電池のアノードの入口に燃料供給路により連結された燃料タンク、前記燃料電池のアノードの出口に連結された燃料排出路、前記燃料電池のカソードの入口に酸化剤供給路により連結された酸化剤供給源、および前記燃料電池のカソードの出口に連結された酸化剤排出路を具備する燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池のアノードに供給される燃料供給量を、燃料電池の発電による燃料消費量の1.1〜2.2倍に制御する直接酸化型燃料電池システムの運転方法。   The fuel cell according to claim 1, a fuel tank connected to an inlet of an anode of the fuel cell by a fuel supply path, a fuel discharge path connected to an outlet of the anode of the fuel cell, and an oxidation to an inlet of a cathode of the fuel cell An operating method of a fuel cell system comprising an oxidant supply source connected by an agent supply passage and an oxidant discharge passage connected to an outlet of a cathode of the fuel cell, wherein the fuel cell system is supplied to the anode of the fuel cell A method for operating a direct oxidation fuel cell system, wherein the fuel supply amount is controlled to be 1.1 to 2.2 times the fuel consumption by power generation of the fuel cell. 前記燃料がメタノールまたはメタノール水溶液であり、前記第1の導電性多孔質基材および前記多孔質複合層からなる2層の燃料透過流束が、0.6×10-4〜1.5×10-4mol/(cm2・min)であるような燃料濃度および電池温度にて前記燃料電池を発電させる請求項8記載の直接酸化型燃料電池システムの運転方法。 The fuel is methanol or a methanol aqueous solution, and the two-layer fuel permeation flux comprising the first conductive porous substrate and the porous composite layer is 0.6 × 10 −4 to 1.5 × 10 6. The operation method of the direct oxidation fuel cell system according to claim 8, wherein the fuel cell is caused to generate electric power at a fuel concentration and a cell temperature that are -4 mol / (cm 2 · min). 前記燃料がメタノールまたはメタノール水溶液であり、前記第2の導電性多孔質基材の燃料透過流束が、4.5×10-4〜8.0×10-4mol/(cm2・min)であるような燃料濃度および電池温度にて前記燃料電池を発電させる請求項8記載の直接酸化型燃料電池システムの運転方法。 The fuel is methanol or an aqueous methanol solution, and the fuel permeation flux of the second conductive porous substrate is 4.5 × 10 −4 to 8.0 × 10 −4 mol / (cm 2 · min) The method for operating a direct oxidation fuel cell system according to claim 8, wherein the fuel cell is generated at a fuel concentration and a cell temperature such that
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