JP2008041401A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば携帯機器の動作に有効な平面配置・直列接続された複数の単位セルを有する燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell having a plurality of unit cells connected in series and connected in series, which is effective for the operation of a portable device, for example.
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、燃料のみを補充・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。このため、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燃料電池(DMFC;Direct Methanol Fuel Cell)は、エネルギ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、小型化が可能であり、また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ことから、ノートパソコン、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機などのコードレス携帯機器に最適な電源としてその実用化が期待されている。 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 replenished / replaced. For this reason, if the size can be reduced, it can be said that the system is extremely advantageous for the operation of the portable electronic device. Direct methanol fuel cells (DMFCs), in particular, use methanol with high energy density as the fuel, and since current can be extracted directly from methanol on the electrode catalyst, it is possible to reduce the size and handle the fuel with hydrogen. Since it is easy compared to gas fuel, it is promising as a power supply for small devices, so it is expected to be put to practical use as an optimal power source for cordless portable devices such as notebook computers, mobile phones, portable audio devices, and portable game machines. .
例えば特許文献1および特許文献2は、プロトン導電性の固体電解質膜と、アノード触媒層電極およびアノードガス拡散層を有し、燃料と水から電荷とプロトンを生成するアノードと、カソード触媒層電極およびカソードガス拡散層を有し、プロトンと酸素から水を生成するカソードとで形成される膜電極接合体(MEA;Membrane Electrode Assembly)を単位セルとして備え、このような単位セルをほぼ同一平面上に複数個並べて直列に接続してなるDMFCを開示している。
しかし、従来の燃料電池では、隣り合う単位セルの電極同士の間隙を通って未反応の燃料がカソード側に透過してしまう所謂クロスオーバーを生じるので、発電動作の不安定化や発電効率の低下を生じる。 However, in a conventional fuel cell, a so-called crossover occurs in which unreacted fuel permeates through the gap between the electrodes of adjacent unit cells to the cathode side. Produce.
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、未反応の燃料が膜電極接合体を透過するクロスオーバーを抑制することができる燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell capable of suppressing crossover in which unreacted fuel permeates through a membrane electrode assembly.
本発明に係る燃料電池は、プロトン伝導膜と、前記プロトン伝導膜の一方側の面に平面配置され、互いに間隔を空けて隣り合う複数のアノード触媒層電極と、前記プロトン伝導膜の他方側の面に平面配置され、前記プロトン伝導膜を間に挟んで前記アノード触媒層電極と対向して設けられ、互いに間隔を空けて隣り合う複数のカソード触媒層電極と、前記アノード触媒層電極に液体燃料を供給する液体燃料供給手段と、前記カソード触媒層電極に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、を具備する燃料電池であって、
隣り合う前記アノード触媒層電極の相互間隙および前記カソード触媒層電極の相互間隙にそれぞれ設けられ、前記プロトン伝導膜を覆う親水性の膜と、隣り合う前記アノード触媒層電極の相互間隙および前記カソード触媒層電極の相互間隙にそれぞれ設けられ、前記親水性の膜を覆い、液体燃料を前記カソード触媒層電極側に透過させない疎水性の膜と、を有することを特徴とする。
A fuel cell according to the present invention includes a proton conducting membrane, a plurality of anode catalyst layer electrodes that are arranged in a plane on one side of the proton conducting membrane and spaced apart from each other, and the other side of the proton conducting membrane. A plurality of cathode catalyst layer electrodes adjacent to each other with a gap between each other, and a liquid fuel disposed on the anode catalyst layer electrode. A fuel cell comprising: a liquid fuel supply means for supplying an oxidant; and an oxidant supply means for supplying an oxidant to the cathode catalyst layer electrode,
A hydrophilic membrane that is provided in a mutual gap between adjacent anode catalyst layer electrodes and a mutual gap between cathode catalyst layer electrodes and covers the proton conductive membrane, a mutual gap between adjacent anode catalyst layer electrodes, and the cathode catalyst And a hydrophobic membrane which is provided in the mutual gap between the layer electrodes, covers the hydrophilic membrane, and does not allow liquid fuel to permeate the cathode catalyst layer electrode side.
本発明の燃料電池では、各電極の隣り合う電極間エリアを疎水性の膜が覆っているので、アノード側からカソード側への未反応燃料の透過が遮られる。これにより燃料のクロスオーバーが抑制され、発電効率が向上する。 In the fuel cell of the present invention, since the hydrophobic film covers the area between adjacent electrodes of each electrode, permeation of unreacted fuel from the anode side to the cathode side is blocked. This suppresses fuel crossover and improves power generation efficiency.
また、各電極の隣り合う電極間エリアにおいて、プロトン伝導膜に接するように親水性の膜が覆っているので、プロトン伝導膜の乾燥が有効に防止され、安定な発電動作が行われる。 Further, since the hydrophilic membrane covers the area between the adjacent electrodes of each electrode so as to be in contact with the proton conducting membrane, drying of the proton conducting membrane is effectively prevented, and a stable power generation operation is performed.
親水性の膜および疎水性の膜は、共通のプロトン伝導膜の上に順次積層された親水性高分子および疎水性高分子をそれぞれ含むことができる。 The hydrophilic membrane and the hydrophobic membrane can each include a hydrophilic polymer and a hydrophobic polymer sequentially stacked on a common proton conducting membrane.
親水性の膜の材料としてパーフルオロカーボンスルホン酸(例えばナフィオン(登録商標)、デュポン社製)、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリビニルアルコール(PVA)などの親水性高分子を用いることができる。 As a material for the hydrophilic film, a hydrophilic polymer such as perfluorocarbon sulfonic acid (for example, Nafion (registered trademark), manufactured by DuPont), polyethylene glycol (PEG), polyvinyl alcohol (PVA), or the like can be used.
疎水性の膜の材料として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)などの疎水性高分子を用いることができる。 Fluorine-containing resin and fluorine-containing rubber (for example, tetrafluoroethylene (TFE) -hexafluoropropylene (HFP) copolymer, tetrafluoroethylene (TFE) -hexafluoropropylene (HFP) -hexafluoroacetone ( HFA) copolymers, tetrafluoroethylene (TFE) -polypropylene (PP) copolymers, polyvinylidene fluoride, polyvinyl fluoride, etc.), silicone-containing resins and silicone-containing rubbers (eg, cyanosilicon rubber) are used. be able to.
本発明によれば、燃料のクロスオーバーを抑制できるので、良好な電池性能が安定して得られるようになり、ノートパソコン、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機などのコードレス携帯機器などの電源としてクロスオーバーを低減し、良好な出力特性を得ることができる。 According to the present invention, since crossover of fuel can be suppressed, good battery performance can be stably obtained, and it can be used as a power source for cordless portable devices such as notebook computers, mobile phones, portable audio devices, and portable game machines. Crossover can be reduced and good output characteristics can be obtained.
以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
先ず、燃料電池の全体の概要について図1と図2を参照して説明する。燃料電池1は、携帯型電子機器の内蔵電源として用いられ、セル構造体10およびセルケースカバー2,3を備えている。セルケースカバー2,3はセル構造体10の全体を覆う内装ケースに相当する。一方のセルケースカバー2は、主面に複数の通気孔24および溝状の変曲部29を有し、燃料電池のカソード側を覆っている。他方のセルケースカバー3は、開口をもたない盲板からなり、燃料電池のアノード側を覆っている。図1に示すようにセルケースカバー2をセル構造体10に被せ、カバーのかしめ部2aをかしめて、その端部2bを図3に示すように折り曲げ、セルケースカバー2をセル構造体10と一体化することにより、図2の(a)(b)に示すセルアッセンブリ20となる。このセルアッセンブリ20を図示しない筐体カバー(機器用外装ケース)でさらに覆い、配線をつなぐと、携帯型の電子機器となる。
First, an overview of the entire fuel cell will be described with reference to FIGS. 1 and 2. The
セル構造体10は内部に平面配置接続された複数の単位セルを有している。単位セルは、図2に示すように、プロトン伝導性の固体電解質膜11、アノード触媒層電極12およびカソード触媒層電極13が一体化された膜電極接合体を備え、さらにアノードガス拡散層14、カソードガス拡散層15、正極リード(カソード集電体)16aおよび負極リード(アノード集電体)16bを具備している。
The
燃料電池1の内部にはシール部材17,18及びスペーサ25によって種々のスペースや間隙が形成されている。それらのスペースや間隙のうち、例えばカソード側のスペースは空気透過層26として用いられ、アノード側のスペースは液体燃料収容室27および気化室(図示せず)として用いられる。空気透過層26は複数のスペーサ25によって一定の間隔に規定され、その周囲はシール部材18によってシールされている。空気透過層26にはフィルタ部材が設けられ、外気の空気の通過を阻害せず、外部からの微笑の埃や異物の混入、さらには接触などを防止するようになっている。フィルタ部材には好ましくは気孔率が例えば20〜60%の多孔性フィルムが用いられる。液体燃料収容室27には燃料補給口21に連通する燃料供給流路19が適所に開口している。燃料補給口21には例えばバイオネット式のカプラー23が取り付けられ、このカプラー23に図示しない燃料カートリッジのノズルが差し込まれ、液体燃料が液体燃料収容室27に補給されるようになっている。
Various spaces and gaps are formed in the
なお、アノード側には図示しない排気流路が設けられ、該排気流路を通って副生物であるCO2ガスが反応系外に排出されるようになっている。また、負極リード16bは多くの開口と間隙を有し、燃料成分ガスや副生ガス(CO2)の拡散を阻害しない形状とすることが望ましい。
An exhaust channel (not shown) is provided on the anode side, and CO 2 gas as a by-product is discharged out of the reaction system through the exhaust channel. Further, it is desirable that the
なお、液体燃料には、メタノール水溶液、純メタノール、エタノール水溶液、純エタノール、プロパノール水溶液、ギ酸水溶液、ギ酸ナトリウム水溶液、酢酸水溶液、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化リチウム水溶液、エチレングリコール水溶液、ジメチルエーテルなどの水素を含む有機系の水溶液が用いられる。中でもメタノール水溶液は、炭素数が1で反応の際に発生するのが炭酸ガスであると共に、低温での発電反応が可能であり、産業廃棄物から比較的容易に製造することができるので好ましい。また、燃料は濃度100%から数%までの範囲で種々の濃度のものを用いることができる。 Liquid fuel includes methanol aqueous solution, pure methanol, ethanol aqueous solution, pure ethanol, propanol aqueous solution, formic acid aqueous solution, sodium formate aqueous solution, acetic acid aqueous solution, sodium borohydride aqueous solution, potassium borohydride aqueous solution, lithium hydride aqueous solution, ethylene An organic aqueous solution containing hydrogen such as an aqueous glycol solution or dimethyl ether is used. Among these, an aqueous methanol solution is preferable because it has carbon number of 1 and carbon dioxide gas generated during the reaction, and can generate a power generation reaction at a low temperature, and can be produced relatively easily from industrial waste. Further, fuels having various concentrations in a range from 100% to several percent can be used.
セルケースカバー2,3及びスペーサ25は、例えば耐食性に優れたコーティングを施せばステンレス鋼やニッケル金属などの耐食性に優れた金属材料でつくることができるが、さらにスペーサについては、例えばポリエーテルエーテルケトン(PEEK:ヴィクトレックス ピーエルシー社の商標)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、などの液体燃料で膨潤等を生じいくい硬質のプラスチックでつくることも可能である。セルケースカバー2,3及びスペーサ25を金属材料とする場合は、同一電池容器内に配置されているそれぞれの負極同士が短絡しないように図示しない絶縁部材を負極相互間に挿入する必要がある。
The cell case covers 2, 3 and the
燃料電池の単位セルは、電解質膜11、アノードおよびカソードを備えている。アノードとカソードは電解質膜11を間に挟んで対向配置されている。アノードはアノード触媒層電極12およびアノードガス拡散層14を有する。アノード触媒層電極12は、ガス拡散層14を介して供給される燃料を酸化して燃料から電子とプロトンとを取り出すものであり、アノード触媒層電極12とガス拡散層14とが積み重ねられた積層構造をなしている。アノード触媒層電極12は、例えば、触媒を含む炭素粉末により構成されている。触媒には、例えば、白金(Pt)の微粒子、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)あるいはモリブデン(Mo)などの遷移金属あるいはその酸化物あるいはそれらの合金などの微粒子が用いられる。但し、触媒をルテニウムと白金との合金により構成するようにすれば、一酸化炭素(CO)の吸着による触媒の不活性化を防止することができるので好ましい。
The unit cell of the fuel cell includes an
また、アノード触媒層電極12は、固体電解質膜11に用いられる樹脂の微粒子を含むほうがより望ましい。発生させたプロトンの移動を容易とするためである。アノードガス拡散層14は、例えば多孔質の炭素材料よりなる薄膜で構成され、具体的にはカーボンペーパーまたは炭素繊維などで構成されている。なお、アノードガス拡散層14の端部に導通する負極リード16bが外方に延び出している。
The anode
なお、アノード側には図示しない排気流路が設けられ、該排気流路を通って副生物であるCO2ガスが反応系外に排出されるようになっている。また、負極リード16bは多くの開口と間隙を有し、燃料成分ガスや副生ガス(CO2)の拡散を阻害しない形状とすることが望ましい。
An exhaust channel (not shown) is provided on the anode side, and CO 2 gas as a by-product is discharged out of the reaction system through the exhaust channel. Further, it is desirable that the
カソードはカソード触媒層電極13およびカソードガス拡散層15を有する。カソード触媒層電極13は、酸素を還元して、電子とアノード触媒層電極12において発生したプロトンとを反応させて水を生成するものであり、例えば上述のアノード触媒層電極12及びガス拡散層14と同様に構成されている。すなわち、カソードは、固体電解質膜11の側から順に触媒を含む炭素粉末よりなるカソード触媒層電極13と多孔質の炭素材料よりなるカソードガス拡散層15(ガス透過層)とが積み重ねられた積層構造をなしている。カソード触媒層電極13に用いられる触媒はアノード触媒層電極12のそれと同様であり、アノード触媒層電極12が固体電解質膜11に用いられる樹脂の微粒子を含む場合があることもアノード触媒層電極12と同様である。なお、カソードガス拡散層15の端部に導通する正極リード16aが外方に延び出している。
The cathode has a cathode
プロトン伝導膜11は、アノード触媒層電極12において発生したプロトンをカソード触媒層電極12に輸送するためのものであり、電子伝導性を持たず、プロトンを輸送することが可能な材料により構成されている。例えば、ポリパーフルオロスルホン酸系の樹脂膜、具体的には、デュポン社製のナフィオン膜、旭硝子社製のフレミオン膜、あるいは旭化成工業社製のアシプレックス膜などにより構成されている。なお、ポリパーフルオロスルホン酸系の樹脂膜以外にも、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、あるいは脂肪族炭化水素系樹脂獏などプロトンを輸送可能な電解質膜11を構成するようにしてもよい。
The
液体燃料収容室27の内部には、気液分離膜(図示せず)の液体燃料収容室27側に積層された液体燃料含浸層(図示せず)が設けられている。液体燃料含浸層として、例えば多孔質ポリエステル繊維、多孔質オレフィン系樹脂等多硬質繊維や、連続気泡多孔質体樹脂が好ましい。ポリエステル繊維以外にも、アクリル酸系の樹脂などの各種吸水性ポリマーにより構成してもよく、スポンジまたは繊維の集合体など液体の浸透性を利用して液体を保持することができる材料により構成する。液体燃料含浸層は、本体の姿勢に関わらず適量の燃料を供給するのに有効である。
Inside the liquid
液体燃料収容室27は、保護カバー3およびフレーム(図示せず)によって周囲を規定される所定容量のスペースからなり、このスペースの適所に燃料補給口21が開口している。燃料補給口21には例えばバイオネット式のカプラー23が取り付けられ、燃料を補給するときを除いて、カプラー23により燃料補給口21が閉鎖されている。この燃料電池本体側のカプラー23は外部カートリッジ側のノズル(図示せず)が液密に係合され得るような形状に形成されている。例えばカートリッジノズルの外周溝を燃料電池本体側のカプラー23の突起に係合させて案内しながら、ノズルをカプラー23のなかに押し込むと、ノズル及びカプラー23の内蔵バルブがそれぞれ開いてカートリッジ側の流路が燃料電池本体側の流路に連通し、カートリッジの内圧によって液体燃料が輸送チューブを通って燃料補給口21から液体燃料収容室27内に流入するようになっている。
The liquid
気化室(図示せず)は図示しないスペーサと気液分離膜とによって周囲を規定されている。かしめ加工の締め付けに耐えて変形しないように、スペーサの周縁部は断面コ字状に形成され、気化室としての所定幅のスペースが確保されている。 The periphery of the vaporizing chamber (not shown) is defined by a spacer and a gas-liquid separation film (not shown). In order to withstand the tightening of the caulking process and prevent deformation, the peripheral edge portion of the spacer is formed in a U-shaped cross section, and a space having a predetermined width as a vaporizing chamber is secured.
スペーサの上面において複数の気化燃料供給口28が開口している。これらの気化燃料供給口28は、負極リード16bを貫通し、アノードガス拡散層14の側にそれぞれ連通している。液体燃料収容室27内の液体燃料の一部がガス化すると、その燃料ガス成分は気液分離膜を通って気化室内に入り、さらに気化室から気化燃料供給口28を通ってアノードガス拡散層14の側に導入され、発電反応に寄与する。
A plurality of vaporized
燃料電池の単位セルは、電解質膜11、アノードおよびカソードを備えている。アノードとカソードは電解質膜11を間に挟んで対向配置されている。カソードはカソード触媒層電極13およびカソードガス拡散層15を有する。カソード触媒層電極13は、酸素を還元して、電子とアノード触媒層電極12において発生したプロトンとを反応させて水を生成するものであり、例えば上述のアノード触媒層電極12及びガス拡散層14と同様に構成されている。すなわち、カソードは、固体電解質膜11の側から順に触媒を含む炭素粉末よりなるカソード触媒層電極12と多孔質の炭素材料よりなるカソードガス拡散層15(ガス透過層)とが積み重ねられた積層構造をなしている。カソード触媒層電極12に用いられる触媒はアノード触媒層電極13のそれと同様であり、アノード触媒層電極12が固体電解質膜11に用いられる樹脂の微粒子を含む場合があることもアノード触媒層電極12と同様である。なお、カソードガス拡散層15の端部に導通する正極リード16bが外方に延び出している。また、カソード側の保護カバー2には複数の通気孔24が形成され、空気透過層26にそれぞれ連通している。
The unit cell of the fuel cell includes an
アノードはアノード触媒層電極12およびアノードガス拡散層14を有する。アノード触媒層電極12は、ガス拡散層14を介して供給される燃料を酸化して燃料から電子とプロトンとを取り出すものであり、触媒層電極12とガス拡散層14とが積み重ねられた積層構造をなしている。アノード触媒層電極12は、例えば、触媒を含む炭素粉末により構成されている。触媒には、例えば、白金(Pt)の微粒子、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)あるいはモリブデン(Mo)などの遷移金属あるいはその酸化物あるいはそれらの合金などの微粒子が用いられる。但し、触媒をルテニウムと白金との合金により構成するようにすれば、一酸化炭素(CO)の吸着による触媒の不活性化を防止することができるので好ましい。
The anode has an anode
また、アノード触媒層電極12は、後述する固体電解質膜11に用いられる樹脂の微粒子を含むほうがより望ましい。発生させたプロトンの移動を容易とするためである。アノードガス拡散層14は、例えば多孔質の炭素材料よりなる薄膜で構成され、具体的にはカーボンペーパーまたは炭素繊維などで構成されている。なお、アノードガス拡散層14の端部に導通する負極リード16aが外方に延び出している。
The anode
アノードガス拡散層14とアノード触媒層電極12とはサイズがほぼ同じであり、両者は全面にわたり密着するように重ねて熱プレス成形されるので、結局、燃料供給口28の各々はアノード触媒層電極12の長手方向端部(短辺)の近傍に1対1に対応する位置にそれぞれ開口することになる。なお、本実施の形態では各アノード触媒層電極12はアスペクト比が3〜8の細長い矩形状とした。
The anode
図3(a)と(b)に示すように、本実施の形態では6つの単位セルを構成する触媒層電極E1〜E6を共通のプロトン伝導膜11をベースとする同一平面上に並べて配置した。アノード側では図3の(a)及び図4に示すように、6つのアノード触媒層電極12(E1〜E6)の相互間の間隙を親水性膜41/疎水性膜42の二層で覆った。カソード側においても図3の(b)及び図4に示すように、6つのカソード触媒層電極13(E1〜E6)の相互間の間隙を親水性膜41/疎水性膜42の二層で覆った。なお、隣り合う触媒層電極E1〜E6の相互間隔は約1mmである。触媒層電極E1〜E6は、それぞれの長さが70mm、幅が9mm、厚さが0.8mmである。親水性膜の膜厚は0.2mmである。疎水性膜の膜厚は0.2mmである。
As shown in FIGS. 3A and 3B, in the present embodiment, catalyst layer electrodes E1 to E6 constituting six unit cells are arranged side by side on the same plane based on a common
本実施の形態では、親水性の膜の材料としてパーフルオロカーボンスルホン酸(ナフィオン(登録商標)、デュポン社製)の高分子材料を、疎水性の膜の材料としてフッ素含有ゴム(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)コポリマーの高分子材料をそれぞれ用いた。 In the present embodiment, a polymer material of perfluorocarbon sulfonic acid (Nafion (registered trademark), manufactured by DuPont) is used as a hydrophilic membrane material, and a fluorine-containing rubber (tetrafluoroethylene (TFE) is used as a hydrophobic membrane material. ) -Hexafluoropropylene (HFP) copolymer polymer material was used.
親水性膜41と疎水性膜42の二層シール構造をもつ膜電極接合体は、次のようにして製造することができる。
A membrane / electrode assembly having a two-layer seal structure of a
先ず、プロトン伝導膜を間に挟んでその両面に、触媒を担持させたカーボンペーパー等からなるアノード触媒層電極とカソード触媒層電極を配置し、熱プレス加工により一体化する。次いで、スクリーン印刷法またはフォトリソグラフィ法を用いて電極間エリアに親水性の高分子材料を選択的に塗布または積層する。さらに、スクリーン印刷法またはフォトリソグラフィ法を用いて電極間エリアに疎水性の高分子材料を選択的に塗布または積層する。これらの高分子膜の形成は片面ずつ行ってもよいし、両面同時に行ってもよい。また、これら親水性の高分子材料または疎水性の高分子材料は、フィルム状あるいはテープ状のものを貼着する方法でも可能である。 First, an anode catalyst layer electrode and a cathode catalyst layer electrode made of carbon paper or the like carrying a catalyst are disposed on both sides of a proton conducting membrane, and are integrated by hot pressing. Next, a hydrophilic polymer material is selectively applied or laminated on the area between the electrodes using a screen printing method or a photolithography method. Further, a hydrophobic polymer material is selectively applied or laminated on the interelectrode area by using a screen printing method or a photolithography method. These polymer films may be formed on each side or simultaneously on both sides. Further, these hydrophilic polymer materials or hydrophobic polymer materials can be applied by a method of sticking a film or tape.
本実施の形態の燃料電池では、平面配置された隣り合う触媒層電極の相互間隙を疎水膜で覆っているので、アノード側からカソード側への未反応燃料のクロスオーバーが有効に抑えられる。このため、発電効率の低下を抑えつつ安定した発電動作が行われ、携帯型電子機器の内蔵電源としての信頼性が向上する。 In the fuel cell of the present embodiment, the mutual gap between adjacent catalyst layer electrodes arranged in a plane is covered with a hydrophobic film, so that crossover of unreacted fuel from the anode side to the cathode side can be effectively suppressed. For this reason, stable power generation operation is performed while suppressing a decrease in power generation efficiency, and the reliability as a built-in power source of the portable electronic device is improved.
実施例1のセルと比較例のセルとについて発電効率を調べた。 The power generation efficiency of the cell of Example 1 and the cell of the comparative example was examined.
実施例1として図3及び図4に示した電極間エリアに二層シール構造をもつ燃料電池評価セルを用いて、アスペクト比1:5.8の6枚の触媒層電極E1〜E6を1枚の電解質膜11上に並列に配置し、液体燃料収容室27に純度99.9重量%のメタノールを10ml供給した。その後、各セルの起動時の電圧と発電時の定電圧測定を行った。また、比較例として電極間エリアにシール構造が無い燃料電池評価セルを用いて、上記実施例1と同様の条件下で発電動作させて電圧測定を行った。
Using Example 1 as a fuel cell evaluation cell having a two-layer seal structure in the inter-electrode area shown in FIGS. 3 and 4, one catalyst layer electrode E1 to E6 having an aspect ratio of 1: 5.8 is provided. 10 ml of methanol having a purity of 99.9 wt% was supplied to the liquid
定電圧時の電池表面(セルケースカバー上)の温度を測定し、実施例1の温度を100とした時の比較例の温度を算出した。また、定電圧測定前の燃料投入量に対し残燃料よりの使用燃料量を算出した燃料利用効率を比較した。その結果を表1に示す。
上記結果より、実施例1の層を作ることで、クロスオーバーが低減され、電池の表面温度が下がっていることが分かる。実施例1の二層シール構造は、投入燃料の利用効率も上昇させており、燃料の無駄な消費を抑える効果となってあらわれている。 From the above results, it can be seen that by forming the layer of Example 1, crossover is reduced and the surface temperature of the battery is lowered. The two-layer seal structure of Example 1 also increases the utilization efficiency of the input fuel, and has the effect of suppressing wasteful consumption of fuel.
以上、種々の実施の形態を挙げて説明したが、本発明は上記各実施の形態のみに限定されるものではなく、種々変形および組み合わせることが可能である。 Although various embodiments have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and combinations can be made.
1…燃料電池、
2,3…セルケースカバー、
2a…かしめ部、
2b…かしめ加工された折り曲げ部、
10…セル構造体、
11…固体電解質膜(プロトン伝導膜)、
12…アノード触媒層電極、
13…カソード触媒層電極、
14…アノードガス拡散層、15…カソードガス拡散層、
16a…正極リード、16b…負極リード、
17,18…シール部材、
20…セルアッセンブリ、
21…燃料補給口、
24…通気孔、
25…スペーサ、
26…空気透過層、
27…液体燃料収容室、
28…燃料供給口、
30…筐体カバー、
41…親水性の膜、
42…疎水性の膜、
E1〜E6…触媒層電極。
1 ... Fuel cell,
2, 3 ... Cell case cover,
2a ... crimping part,
2b ... the crimped bent part,
10 ... cell structure,
11 ... Solid electrolyte membrane (proton conductive membrane),
12 ... anode catalyst layer electrode,
13 ... Cathode catalyst layer electrode,
14 ... anode gas diffusion layer, 15 ... cathode gas diffusion layer,
16a: positive electrode lead, 16b: negative electrode lead,
17, 18 ... seal member,
20 ... Cell assembly,
21 ... refueling port,
24 ... vents,
25 ... spacer,
26 ... an air permeable layer,
27 ... Liquid fuel storage chamber,
28 ... Fuel supply port,
30 ... Case cover,
41 ... hydrophilic membrane,
42 ... hydrophobic membrane,
E1 to E6 ... catalyst layer electrodes.
Claims (3)
前記プロトン伝導膜の一方側の面に平面配置され、互いに間隔を空けて隣り合う複数のアノード触媒層電極と、
前記プロトン伝導膜の他方側の面に平面配置され、前記プロトン伝導膜を間に挟んで前記アノード触媒層電極と対向して設けられ、互いに間隔を空けて隣り合う複数のカソード触媒層電極と、
前記アノード触媒層電極に液体燃料を供給する液体燃料供給手段と、
前記カソード触媒層電極に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
を具備する燃料電池であって、
隣り合う前記アノード触媒層電極の相互間隙および前記カソード触媒層電極の相互間隙にそれぞれ設けられ、前記プロトン伝導膜を覆う親水性の膜と、
隣り合う前記アノード触媒層電極の相互間隙および前記カソード触媒層電極の相互間隙にそれぞれ設けられ、前記親水性の膜を覆い、液体燃料を前記カソード触媒層電極側に透過させない疎水性の膜と、
を有することを特徴とする燃料電池。 A proton conducting membrane;
A plurality of anode catalyst layer electrodes that are arranged in a plane on one side of the proton conducting membrane and are adjacent to each other with a space therebetween;
A plurality of cathode catalyst layer electrodes that are arranged in a plane on the other surface of the proton conductive membrane and are opposed to the anode catalyst layer electrode with the proton conductive membrane interposed therebetween;
Liquid fuel supply means for supplying liquid fuel to the anode catalyst layer electrode;
An oxidant supply means for supplying an oxidant to the cathode catalyst layer electrode;
A fuel cell comprising:
A hydrophilic membrane that is provided in an inter-gap between adjacent anode catalyst layer electrodes and an inter-gap between the cathode catalyst layer electrodes and covers the proton conducting membrane;
A hydrophobic membrane that is provided in a mutual gap between the adjacent anode catalyst layer electrodes and a mutual gap between the cathode catalyst layer electrodes, covers the hydrophilic membrane, and does not allow liquid fuel to permeate the cathode catalyst layer electrode side;
A fuel cell comprising:
Priority Applications (1)
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JP2006213565A JP2008041401A (en) | 2006-08-04 | 2006-08-04 | Fuel cell |
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JP2006213565A JP2008041401A (en) | 2006-08-04 | 2006-08-04 | Fuel cell |
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Family Applications (1)
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Country | Link |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012042986A1 (en) | 2010-09-29 | 2012-04-05 | オリンパスメディカルシステムズ株式会社 | Information processing device and capsule endoscope system |
JP7168485B2 (en) | 2019-02-20 | 2022-11-09 | 株式会社日立ソリューションズ・クリエイト | LEARNING DATA GENERATION METHOD, LEARNING DATA GENERATION DEVICE, AND PROGRAM |
-
2006
- 2006-08-04 JP JP2006213565A patent/JP2008041401A/en active Pending
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