JP2008147081A - Fuel cell and its storage vessel - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池、特に携帯機器に使用する液体燃料供給型燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a liquid fuel supply type fuel cell used for a portable device.
燃料電池は、アノードに燃料を供給し、カソードに酸化剤とされる酸素を含む空気を供給することにより発電を行う発電装置であり、発電により生成される生成物が水であることから環境への負荷の少ない発電装置として注目を集めている。特に液体燃料を使用した固体高分子型燃料電池は、小型、軽量化が容易であるために、今日では携帯機器をはじめとした種々の電子機器用電源として活発に開発が行われている。 A fuel cell is a power generation device that generates power by supplying fuel to an anode and supplying air containing oxygen as an oxidant to a cathode. Since the product generated by power generation is water, the fuel cell is discharged into the environment. It is attracting attention as a power generator with less load. In particular, a polymer electrolyte fuel cell using a liquid fuel is easily developed as a power source for various electronic devices such as portable devices because it is easy to reduce the size and weight.
固体高分子型燃料電池は、高分子電解質膜をアノードとカソードとで挟持した構造の電解質膜−電極接合体(Membrane and Electrode Assembly、以下、「MEA」という。)を備えている。液体燃料を直接アノードに供給するタイプの燃料電池は、液体燃料供給型燃料電池と呼ばれ、その発電メカニズムは、供給された液体燃料がアノードの触媒上で分解して陽イオン、電子及び中間生成物を生成し、生成した陽イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、生成した電子が外部負荷を経てカソード側に移動し、そして陽イオンと電子がカソードで空気中の酸素と反応して発電する。このとき、反応生成物として二酸化炭素が発生する。例えば、液体燃料としてメタノール水溶液をそのまま使用するダイレクトメタノール型燃料電池(以下、「DMFC」という。)では、下式1で表される反応がアノードで起こり、下式2で表される反応がカソードで起こる。 The polymer electrolyte fuel cell includes an electrolyte membrane-electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) having a structure in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode. A fuel cell of a type that supplies liquid fuel directly to the anode is called a liquid fuel supply type fuel cell, and its power generation mechanism is based on decomposition of the supplied liquid fuel on the catalyst of the anode to produce cations, electrons, and intermediate products. The generated cations permeate the solid polymer electrolyte membrane and move to the cathode side, the generated electrons move to the cathode side through an external load, and the cations and electrons are in the air at the cathode. It reacts with oxygen to generate electricity. At this time, carbon dioxide is generated as a reaction product. For example, in a direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as “DMFC”) using a methanol aqueous solution as a liquid fuel as it is, the reaction represented by the following formula 1 occurs at the anode, and the reaction represented by the following formula 2 is performed at the cathode. Happens at.
[式1]
CH3OH+H2O→6H++6e−+CO2
[Formula 1]
CH 3 OH + H 2 O → 6H + + 6e − + CO 2
[式2]
3/2O2+6H++6e−→3H2O
[Formula 2]
3 / 2O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O
DMFCをはじめとした液体燃料を直接用いる燃料電池においては、起動特性を向上させるためにはMEAを常に燃料で湿潤させておくことが望ましい。特許文献1では、運転の休止期間には水または燃料をアノード側に存在させることによって、長期保管や休止中にMEAを乾燥させない工夫をして再起動時の立ち上がり性能を改善できる方法が開示されている。 In a fuel cell that directly uses liquid fuel such as DMFC, it is desirable that the MEA is always moistened with the fuel in order to improve the starting characteristics. Patent Document 1 discloses a method in which water or fuel is present on the anode side during a suspension period of operation so that the MEA is not dried during long-term storage or suspension and the startup performance at restart can be improved. ing.
理想的なMEAを用いた場合、発電停止時に燃料の消費は起こらないはずであるが、実際には、燃料であるメタノールと水がMEAの固体高分子電解質膜を透過してカソード側から揮発する。この現象は、携帯電話等小型の携帯機器用燃料電池として有望視されているパッシブ型燃料電池では特に顕著になる。この理由は、パッシブ型燃料電池の場合、カソードが外気に露出しているためカソード面からの揮発が起こりやすいためである。この揮発による燃料の浪費を抑えるために、特許文献2ではカソード表面を遮蔽部材によって覆う手段を備えた燃料電池が開示されている。 When an ideal MEA is used, fuel consumption should not occur when power generation is stopped. However, in reality, methanol and water as fuel permeate the MEA solid polymer electrolyte membrane and volatilize from the cathode side. . This phenomenon is particularly noticeable in passive fuel cells that are considered promising as fuel cells for small portable devices such as mobile phones. This is because in the case of a passive fuel cell, the cathode is exposed to the outside air, so that volatilization from the cathode surface easily occurs. In order to suppress this waste of fuel due to volatilization, Patent Document 2 discloses a fuel cell having means for covering the cathode surface with a shielding member.
特許文献3では、DMFCの停止時あるいは保管時に、燃料や水分を排出することにより、凍結等による燃料電池の破損や電解質膜のメタノール燃料による劣化を防止する手段を備えた燃料電池が開示されている。 Patent Document 3 discloses a fuel cell having means for preventing damage to the fuel cell due to freezing or the like and deterioration of the electrolyte membrane due to methanol fuel by discharging fuel or moisture when the DMFC is stopped or stored. Yes.
特許文献2に開示された技術では、燃料電池を保管中にアノードからカソードに透過した燃料は遮蔽部材があるためほとんど揮発せず、カソード表面で凝結してカソードのガス拡散層などを液体で覆ってしまう。この状況で保管後に再発電を行った場合には、カソード表面の液体の層によって酸化剤の供給が妨害されるため、液体の層が蒸発してなくなるまでは出力が向上せず、起動特性が悪くなる。さらに、酸化剤の供給が不十分なまま無理に発電を続けることによって、MEAが劣化する可能性もある。 In the technique disclosed in Patent Document 2, the fuel that has permeated from the anode to the cathode during storage of the fuel cell hardly volatilizes due to the shielding member, and condenses on the cathode surface to cover the gas diffusion layer of the cathode with a liquid. End up. When power is regenerated after storage in this situation, the supply of oxidant is hindered by the liquid layer on the cathode surface, so the output does not improve until the liquid layer evaporates and the startup characteristics are Deteriorate. Furthermore, there is a possibility that the MEA may be deteriorated by continuing the power generation with insufficient supply of the oxidizing agent.
また、特許文献2に開示された技術では、遮蔽部材をカソードに密着させるために駆動部等が設けられている。この方法では構造が複雑化し、また、コストも高くなるという課題があった。小型の携帯機器に使用されるパッシブ型燃料電池では補機等の使用を最小限に留めることが求められるため、このような構造を実現することは困難であり、より簡便にカソードを遮蔽し、さらに、保管後にカソードに形成された液体の層が短時間に除去できる構造が求められている。 Moreover, in the technique disclosed in Patent Document 2, a drive unit and the like are provided to bring the shielding member into close contact with the cathode. This method has a problem that the structure is complicated and the cost is increased. Since passive fuel cells used in small portable devices are required to minimize the use of auxiliary equipment, it is difficult to realize such a structure, more easily shielding the cathode, Furthermore, there is a need for a structure that can remove the liquid layer formed on the cathode in a short time after storage.
さらに、カソード表面に液体が凝結している場合、保管後の再発電時にこの液体が燃料電池から漏出する可能性がある。 Furthermore, when the liquid condenses on the cathode surface, this liquid may leak from the fuel cell during re-generation after storage.
本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、液体燃料供給型燃料電池を密封して保管するとともに、その保管後等の使用前にカソードに付着した液体を除去することを簡便な機構で実現することによって、良好な再起動特性を示す燃料電池とそのための保管容器を提供することにある。また、本発明の別の目的は、このカソード表面に付着した液体を燃料電池の外部に漏出させない安全性や信頼性の高い燃料電池とその保管容器を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and the object of the present invention is to store the liquid fuel supply type fuel cell in a sealed state and to remove the liquid adhering to the cathode before use such as after the storage. An object of the present invention is to provide a fuel cell exhibiting good restart characteristics and a storage container therefor by realizing the removal with a simple mechanism. Another object of the present invention is to provide a highly safe and reliable fuel cell and its storage container that prevents the liquid adhering to the cathode surface from leaking out of the fuel cell.
本発明の第1の視点によれば、高分子電解質膜と、その高分子電解質膜の一方の面に配置されたアノードと、他方の面に配置されたカソードとを含んでなる燃料電池セルと、燃料電池セルを支持する筐体と、燃料電池セルを筐体に実装した燃料電池パックを収納する保管容器とから構成される燃料電池であって、保管容器の内側上部にワイプ材を備えることを特徴とする。これにより、保管後の再起動時に燃料電池パックを保管容器から取り出す際に、このワイプ材が燃料電池セルのカソード面に接触することによって、カソード面に付着した液体を除去することができる。 According to a first aspect of the present invention, a fuel cell comprising a polymer electrolyte membrane, an anode disposed on one surface of the polymer electrolyte membrane, and a cathode disposed on the other surface; A fuel cell comprising a housing for supporting the fuel cell and a storage container for storing the fuel cell pack in which the fuel cell is mounted on the housing, the wiper being provided on the inner upper portion of the storage container It is characterized by. As a result, when the fuel cell pack is taken out of the storage container at the time of restart after storage, the wipe material comes into contact with the cathode surface of the fuel cell, whereby the liquid adhering to the cathode surface can be removed.
本発明の第2の視点によれば、高分子電解質膜と、その高分子電解質膜の一方の面に配置されたアノードと、他方の面に配置されたカソードとを含んでなる燃料電池セルと、燃料電池セルを支持する筐体と、燃料電池セルを筐体に実装した燃料電池パックを収納する保管容器とから構成される燃料電池であって、保管容器の内側上部にワイパーと、保管容器底部にワイパーによって集められた液体を吸収するための吸水部とを備えることを特徴とする。これにより、燃料電池パックを保管容器から取り出す際に、カソード面に付着した液体をワイパーが除去し、ワイパーによって集められた液体を吸水部に吸収させることができる。 According to a second aspect of the present invention, a fuel cell comprising a polymer electrolyte membrane, an anode disposed on one surface of the polymer electrolyte membrane, and a cathode disposed on the other surface; A fuel cell comprising a housing for supporting fuel cells and a storage container for storing a fuel cell pack in which the fuel cells are mounted in the housing, wherein a wiper and a storage container A water-absorbing part for absorbing the liquid collected by the wiper is provided at the bottom. As a result, when the fuel cell pack is taken out from the storage container, the liquid attached to the cathode surface is removed by the wiper, and the liquid collected by the wiper can be absorbed by the water absorption part.
本発明の第3の視点によれば、保管容器の吸水部に吸水材を備え、吸水材を交換できる機構を備えることが好ましい。これにより、満水状態に達した吸水材を交換することができる。 According to the 3rd viewpoint of this invention, it is preferable to provide the water absorption part of the storage container with a water absorption material, and to provide the mechanism which can replace a water absorption material. Thereby, the water absorption material which reached the full water state can be exchanged.
本発明の第4の視点によれば、保管容器内側に備えられたワイパーの上部にワイプ材を備えることが好ましい。これにより、カソード表面に付着した液体をより好適に除去できるだけでなく、保管容器外部への液体の飛散を防ぐことができる。 According to the 4th viewpoint of this invention, it is preferable to provide a wipe material in the upper part of the wiper provided inside the storage container. Thereby, not only can the liquid adhering to the cathode surface be removed more suitably, but also scattering of the liquid to the outside of the storage container can be prevented.
本発明の第5の視点によれば、ワイプ材及び/又はワイパーは交換可能な機構にすることが好ましい。これにより、ワイプ材及びワイパーの特性が低下した場合でもワイプ材及び/又はワイパーを交換するだけで保管容器を継続して使うことができ、また、保管後にカソード面に付着した液体を効率よく除去する機能を維持できる。 According to the fifth aspect of the present invention, it is preferable that the wipe member and / or the wiper have a replaceable mechanism. As a result, even when the properties of the wipe material and wiper are deteriorated, the storage container can be continuously used by simply replacing the wipe material and / or wiper, and the liquid adhering to the cathode surface after storage can be efficiently removed. Can maintain the function.
本発明の第6の視点によれば、以上の構成に加えて、保管容器の内側にカソード閉止部材を設ける燃料電池が好ましい。これにより、燃料電池の保管中はカソード空間の密閉性をさらに高めることができ、MEAの性能低下を抑制することができる。また、このカソード面の密閉性向上によってカソード面に付着する液体の量を低減できるので、より効果的にカソード面に付着した液体を除去できる。 According to the sixth aspect of the present invention, in addition to the above configuration, a fuel cell in which a cathode closing member is provided inside the storage container is preferable. Thereby, during storage of the fuel cell, it is possible to further improve the sealing property of the cathode space, and to suppress the performance deterioration of the MEA. Further, since the amount of liquid adhering to the cathode surface can be reduced by improving the sealing property of the cathode surface, the liquid adhering to the cathode surface can be removed more effectively.
本発明の第7の視点によれば、上記燃料電池は、保管容器内側上部にワイプ材及び/又はワイパーを備えることにより、燃料電池パックを保管容器から取り出す際に、ワイプ材及び/又はワイパーが燃料電池セルのカソード面に接触することによって、カソード面に付着した液体を除去することができる。 According to a seventh aspect of the present invention, the fuel cell includes a wipe material and / or a wiper on the inside upper part of the storage container, so that when the fuel cell pack is taken out from the storage container, the wipe material and / or the wiper is removed. The liquid adhering to the cathode surface can be removed by contacting the cathode surface of the fuel cell.
本発明の第8の視点によれば、上記燃料電池は、筐体の保管容器との接触面にシール材を配することにより、保管容器に燃料電池パックを収納するという動作だけで、保管容器が燃料電池パックをしっかりと密閉保管できることを特徴とする。従来技術に比べると簡便かつ低コストに実現できるという特徴がある。 According to an eighth aspect of the present invention, the fuel cell is provided with a storage container only by the operation of storing the fuel cell pack in the storage container by disposing a sealing material on the contact surface of the housing with the storage container. The fuel cell pack can be securely sealed and stored. Compared to the prior art, it has a feature that it can be realized easily and at low cost.
本発明の第9の視点によれば、保管容器は、液体燃料供給型燃料電池セルを支持筐体に実装した燃料電池パックを収納保管する燃料電池用の保管容器であって、その保管容器の内側上部にワイプ材及び/又はワイパーを備えることを特徴とする。 According to a ninth aspect of the present invention, the storage container is a storage container for a fuel cell that stores and stores a fuel cell pack in which a liquid fuel supply type fuel cell is mounted in a support housing. A wipe material and / or a wiper is provided on the inner upper part.
本発明の第10の視点によれば、ワイパーを備えることを特徴とする上記の保管容器は、保管容器の底部にワイパーによって集められた液体を吸収するための吸水部を備えることが好ましい。 According to a tenth aspect of the present invention, the storage container including a wiper preferably includes a water absorption part for absorbing the liquid collected by the wiper at the bottom of the storage container.
本発明の第11の視点によれば、上記保管容器は、保管容器の吸水部に吸水材を備え、吸水材を交換できる機構を備えることが好ましい。 According to an eleventh aspect of the present invention, it is preferable that the storage container includes a water absorbing material in a water absorbing portion of the storage container and includes a mechanism capable of exchanging the water absorbing material.
本発明の第12の視点によれば、上記保管容器は、ワイプ材及び/又はワイパーが交換可能な機構を備えることが好ましい。 According to a twelfth aspect of the present invention, it is preferable that the storage container includes a mechanism capable of replacing the wipe material and / or the wiper.
本発明の第13の視点によれば、上記保管容器は、保管容器内側にカソード閉止部材を備えることが好ましい。 According to a thirteenth aspect of the present invention, the storage container preferably includes a cathode closing member inside the storage container.
本発明の第14の視点によれば、上記保管容器は、保管容器の内側上部にワイプ材及び/又はワイパーを備えることにより、燃料電池パックを保管容器から取り出す際に、ワイプ材及び/又はワイパーが燃料電池セルのカソード面に接触することによって、カソード面に付着した液体を除去することができる。 According to a fourteenth aspect of the present invention, the storage container includes a wipe material and / or a wiper on an inner upper portion of the storage container, so that when the fuel cell pack is taken out from the storage container, the wipe material and / or the wiper is removed. By contacting the cathode surface of the fuel cell, the liquid adhering to the cathode surface can be removed.
本発明の第15の視点によれば、液体燃料供給型燃料電池の保管方法は、上記保管容器に燃料電池パックを保管し、燃料電池使用時に燃料電池パックを上記保管容器から取り出すことを特徴とする。 According to a fifteenth aspect of the present invention, a method for storing a liquid fuel supply type fuel cell is characterized in that the fuel cell pack is stored in the storage container and the fuel cell pack is taken out from the storage container when the fuel cell is used. To do.
上述の如く、本発明では燃料電池パックを密閉収納する保管容器の改良によって、再起動時のカソード表面の液体除去とカソード空間の密閉が簡便に実現できるので、良好な起動特性を有する燃料電池を提供することが可能となる。また、燃料電池パックを保管容器から取り出す際に、カソード表面に吸着した液体の燃料電池外部への漏洩も防止できる。なお、本発明は携帯機器、特に携帯電話などの小型の携帯機器への応用に適している薄型でパッシブタイプの燃料電池において劇的に効果が現れる。 As described above, in the present invention, by improving the storage container for hermetically storing the fuel cell pack, it is possible to easily remove the liquid on the cathode surface and seal the cathode space at the time of restarting. It becomes possible to provide. Further, when the fuel cell pack is taken out from the storage container, leakage of the liquid adsorbed on the cathode surface to the outside of the fuel cell can be prevented. The present invention has a dramatic effect in a thin and passive type fuel cell suitable for application to a portable device, particularly a small portable device such as a cellular phone.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
本実施形態の構成について説明する。図1は、本実施形態における、保管容器を含む燃料電池100の斜視図であり、燃料電池セル101、燃料電池セル101を支持する筐体120、燃料電池セル101を筐体120に実装した燃料電池パックを収納する保管容器130で構成される。なお、燃料電池セル101を筐体120に実装する方向及び燃料電池パックを保管容器130に収納する方向を点線矢印で示している。
The configuration of this embodiment will be described. FIG. 1 is a perspective view of a
図2は図1の各部材の断面図である。図2に示すように、燃料電池セル101は、高分子電解質膜102と、高分子電解質膜102の異なる面に配されたアノード103及びカソード106と、を含み、アノード103に液体の燃料が直接供給される構造となっている。アノード103及びカソード106は、後述するように、触媒と高分子電解質とを含む触媒層105又は108を基体104又は107上に有する構成をとり、それぞれの電極は周囲を同一平面上に樹脂層109によって囲まれた構造となっている。樹脂層109は基体104又は107と同じ高さ、あるいは低くなることが好ましい。また、それぞれの電極には引出電極110が備えられている。樹脂層109の材質としては、熱可塑性樹脂、エラストマー(ゴムを含む)など射出成形可能な素材であればよいので、耐熱温度や硬度等を考慮し、用途に応じて適宜選択すればよい。
FIG. 2 is a cross-sectional view of each member of FIG. As shown in FIG. 2, the
高分子電解質膜102は、アノード103とカソード106とを隔てるとともに、両者の間で水素イオンを移動させる役割を有する。このため、高分子電解質膜は、水素イオンの導電性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。高分子電解質膜を構成する材料としては、スルホン基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基などの強酸基や、カルボキシル基などの弱酸基などの極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、スルホン化ポリ(4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン)、アルキルスルホン化ポリベンゾイミダゾールなどの芳香族含有高分子、ポリスチレンスルホン酸共重合体、ポリビニルスルホン酸共重合体、架橋アルキルスルホン酸誘導体、フッ素樹脂骨格及びスルホン酸からなるフッ素含有高分子などの共重合体、アクリルアミド−2−メチルプロパンスルフォン酸のようなアクリルアミド類とn−ブチルメタクリレートのようなアクリレート類とを共重合させて得られる共重合体、スルホン基含有パーフルオロカーボン(ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成ケミカルズ社製))、カルボキシル基含有パーフルオロカーボン(フレミオン(登録商標)S膜(旭硝子社製))などが例示される。
The
アノード103及びカソード106は、基体104及び107に触媒が付着した構成を有し、その具体的構成としては種々の態様を採用することができる。基体104及び107としては、発泡金属、金属不織布等の多孔質金属やカーボンペーパー等を用いることができる。このうち、多孔質金属は良好な集電性が得られるために、より好ましい材料である。
The
触媒層105及び108については、たとえば、多孔質金属に、触媒及び水素イオン導電性樹脂を含む触媒樹脂が付着した構成とすることができる。また、多孔質金属に、触媒を含むめっき層が形成された構成とすることもできる。 About the catalyst layers 105 and 108, it can be set as the structure which the catalyst resin containing a catalyst and hydrogen ion conductive resin adhered to the porous metal, for example. Moreover, it can also be set as the structure by which the plating layer containing a catalyst was formed in the porous metal.
アノード103やカソード106に用いられる触媒としては、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、金、銀、ニッケル、コバルト、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウムなどが例示され、これらを単独または二種類以上組み合わせて用いることができる。アノード103及びカソード106の触媒は同じものを用いても異なるものを用いてもよい。
Examples of the catalyst used for the
触媒を導電粒子に担持する場合、当該導電粒子としては炭素粒子を好ましく用いることができる。炭素粒子としては、アセチレンブラック(デンカブラック(登録商標、電気化学工業社製)、Vulcan(登録商標)XC72(Cabot社製)など)、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどが例示される。炭素粒子の粒径は、たとえば、0.01〜0.1μm、好ましくは0.02〜0.06μmとする。 When the catalyst is supported on conductive particles, carbon particles can be preferably used as the conductive particles. Examples of the carbon particles include acetylene black (DENKA BLACK (registered trademark, manufactured by Denki Kagaku Kogyo), Vulcan (registered trademark) XC72 (manufactured by Cabot)), ketjen black, carbon nanotube, carbon nanohorn, and the like. The particle size of the carbon particles is, for example, 0.01 to 0.1 μm, preferably 0.02 to 0.06 μm.
水素イオン導電性樹脂としては、前述の高分子電解質膜102の構成材料として例示したものを用いることができ、たとえば、スルホン基含有パーフルオロカーボン(ナフィオン、アシプレックス)等を好ましく用いることができる。
As the hydrogen ion conductive resin, those exemplified as the constituent material of the
多孔質金属に触媒を付着させるには種々の方法が考えられるが、たとえば以下のような方法を用いることができる。まず、炭素粒子へ触媒を担持する。これは、一般的に用いられている含浸法によって行うことができる。次に、触媒を担持させた炭素粒子と高分子電解質粒子を溶媒に分散させ、ペースト状とした後、これを基体に塗布、乾燥させることによってアノードやカソードを得ることができる。ここで、炭素粒子の粒径は、たとえば0.01〜0.1μmとする。また、触媒粒子の粒径は、たとえば1nm〜50nmとする。また、高分子電解質粒子の粒径は、たとえば0.05〜1μmとする。炭素粒子と高分子電解質粒子とは、たとえば、重量比で2:1〜40:1の範囲で用いられる。また、ペースト中の水と溶質との重量比は、たとえば、1:2〜10:1程度とする。基体へのペーストの塗布方法については特に制限がないが、たとえば、刷毛塗り、スプレー塗布、及びスクリーン印刷等の方法を用いることができる。ペーストは、約1μm〜2mmの厚さで塗布される。ペーストを塗布した後、熱プレスによって、アノード及びカソードを高分子電解質膜に接着することによってMEAが作製される。加熱温度及び加熱時間は、用いる材料によって適宜に選択されるが、たとえば、加熱温度100℃〜250℃、加熱時間30秒間〜30分間とすることができる。 Various methods are conceivable for attaching the catalyst to the porous metal. For example, the following methods can be used. First, a catalyst is supported on carbon particles. This can be done by a commonly used impregnation method. Next, the carbon particles supporting the catalyst and the polymer electrolyte particles are dispersed in a solvent to form a paste, which is then applied to a substrate and dried to obtain an anode or a cathode. Here, the particle size of the carbon particles is, for example, 0.01 to 0.1 μm. The particle size of the catalyst particles is, for example, 1 nm to 50 nm. The particle diameter of the polymer electrolyte particles is, for example, 0.05 to 1 μm. The carbon particles and the polymer electrolyte particles are used, for example, in a weight ratio of 2: 1 to 40: 1. Further, the weight ratio of water and solute in the paste is, for example, about 1: 2 to 10: 1. Although there is no restriction | limiting in particular about the coating method of the paste to a base | substrate, For example, methods, such as brush coating, spray coating, and screen printing, can be used. The paste is applied with a thickness of about 1 μm to 2 mm. After applying the paste, the MEA is manufactured by adhering the anode and the cathode to the polymer electrolyte membrane by hot pressing. The heating temperature and the heating time are appropriately selected depending on the material to be used. For example, the heating temperature may be 100 ° C. to 250 ° C., and the heating time may be 30 seconds to 30 minutes.
以上は炭素粒子担持触媒を利用した例であるが、白金ブラック等の白金粒子をそのまま用いたり、多孔質金属に直接触媒を形成する構成とすることもできる。 The above is an example using a carbon particle-supported catalyst. However, platinum particles such as platinum black can be used as they are, or a catalyst can be directly formed on a porous metal.
多孔質金属に直接触媒を形成する場合、たとえば、電気めっき、無電解めっき等のめっき法、真空蒸着、化学蒸着(CVD)等の蒸着法などを用いて多孔質金属表面に触媒となる金属を付着させて形成することができる。 When the catalyst is directly formed on the porous metal, for example, a metal serving as a catalyst is formed on the surface of the porous metal using a plating method such as electroplating or electroless plating, or a vapor deposition method such as vacuum vapor deposition or chemical vapor deposition (CVD). It can be formed by adhering.
以上のような方法で得られる燃料電池セルの複数個を同一平面上に並べて直列または並列に接続した燃料電池スタックとすることも可能である。この場合、複数の燃料電池セルの電極の周囲が樹脂層によって囲まれた構造としてもよい。例として、図3に2つの燃料電池セルを直列接続した場合を示す。図3に示される燃料電池スタックでは、第一の燃料電池セルのアノード152aが隣の第二の燃料電池セルのカソード153bと金属リベット151を介して接続されている。
It is also possible to form a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells obtained by the above method are arranged on the same plane and connected in series or in parallel. In this case, it is good also as a structure where the circumference | surroundings of the electrode of several fuel battery cell were enclosed by the resin layer. As an example, FIG. 3 shows a case where two fuel cells are connected in series. In the fuel cell stack shown in FIG. 3, the
図2に戻って、燃料電池セル101が実装される筐体120は、燃料電池セル101に燃料を供給するための燃料槽121を備えている。また、上部には燃料の注入口及びガス抜き口122が設けられている。後述するように、保管容器130の出口と接する部分に、空気の出入りの遮断するためのシール材123が設けられている。
Returning to FIG. 2, the
筐体120の材質は、電気絶縁性を確保でき、燃料に対する耐性を有する材料であれば用いることができる。例えば、ポリエチレン、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリアセタール(POM:ポリオキシメチレン)等の樹脂を用いることができる。表面を樹脂等で被覆すれば金属を用いることもできる。
The material of the
燃料槽121にはメタノール水溶液など液体燃料が収容されるが、図4に示すように、燃料槽の中に液体燃料保持部124を設けてもよい。液体燃料保持部124は細孔が3次元的に連続した発泡体構造を有し、その孔径は、30μm以上100μm以下のもので、気孔率は50%以上95%以下が望ましい。また、液体燃料保持部124は、弾性力と耐酸性を有する材料であることが好ましい。上述のような機能を有する液体燃料保持部124の材料として、具体的には、耐メタノール特性のあるポリウレタンや架橋したポリビニルアルコール重合体から成る高分子材料などが挙げられる。液体燃料保持部124に加えて、図4に示すように、液体燃料保持部124と燃料電池セル(図示せず)との間に気液分離膜125を設けてもよい。気液分離膜125は、液体燃料をアノードに気化供給するために設けられる。気液分離膜125は、電気絶縁性の材料であり、高分子多孔質体である。具体的には、ポリテトラフロロエチレン(PTFE)などのフッ素樹脂などが挙げられる。気液分離膜125としては、絶縁性であり必要な燃料供給量ができるものであれば他のものも使用することができる。例えば、高分子多孔質体にイオン伝導体を注入した細孔フィリング膜など部分的に絶縁性も有する膜も用いることができる。
Although liquid fuel such as aqueous methanol solution is accommodated in the
シール材123は弾性変形可能なもので、液体燃料に対する耐性、及び、気体に対する気密性を有する材料であることが好ましい。こうした材料としては、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム等のエラストマー等があげられる。シール材123をエチレンプロピレンゴムとする場合、エチレンとプロピレンの共重合体(EPM)またはエチレンとプロピレンと第三成分との共重合体(EPDM)を用いることができる。また、加硫ゴムとすることもできる。
The sealing
図2に示す保管容器130は、燃料電池セル101を燃料槽121を有する筐体120に実装した燃料電池パックを密閉収納する機能を有する。保管容器130の内側には上部(取り出し口付近)にワイプ材131が設置される。この上部とは、少なくとも燃料電池パックを収納した場合の、カソード部上端部よりも上側(取り出し口側)であることを意味する。カソード表面に凝結した液体を吸い取るためである。
The
ワイプ材131は、保管容器130から燃料電池パックを取り出す際に燃料電池セル101のカソード106表面に接触しながら、カソード106表面に凝結した液体を速やかに吸い取る機能を有している。したがって、ワイプ材としては弾性変形が可能であることが望ましい。また、保管容器130中に燃料電池パックが存在しないとき、すなわち、保管容器130が大気中に放置されているときは吸収した液体を外部に蒸散できる性能を有する吸水材を用いることが望ましい。さらに、燃料に対する化学的耐久性を有することがより好ましい。吸水材としては、ポリエステル、レーヨン、ナイロン、綿、セルロース等から成る布、紙のほか、吸水性ポリマーを含む材料を用いることができる。
The wipe
ワイプ材131は大きさ、材料、構成等、適宜変更することができる。また、図示しないが、燃料電池パックの出し入れに伴って経時変化を起こす場合も想定して、交換できる機構を設けてもよい。
The wipe
図5は保管容器の別の形態を示している。この保管容器200では、ワイプ材の代わりに燃料電池セルのカソードに溜まった液体を集めるためのワイパー202が設けられている。保管容器200から燃料電池を取り出す際には、このワイパー202がカソード表面に付着した液体を除去し、底面に落とす。ワイパー202は弾性変形が可能で、撥水性を有し、液体燃料に対する耐性を有する材料とすることが好ましい。例として、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム等が挙げられる。また、ワイプ材同様、ワイパー202にも交換可能な機構を設けてもよい。
FIG. 5 shows another form of the storage container. The
保管容器200の底面に、ワイパー202によって集められた液体を吸収するための吸水部を設けることが好ましい。その吸水部には吸水材204を設置することができる。これにより、保管容器200の底面に集められた液体は吸水材204に吸収される。吸水材204は一度吸収した液体を再び液体で放出しない性質を有するものが好ましく、たとえば、吸水性ポリマー、あるいはこれを含む布を用いることができる。
It is preferable to provide a water absorption part for absorbing the liquid collected by the
保管容器200は分離できる構造にしてもよい。図5に示されている保管容器200の筐体205は分離できるようになっていて、底面及び吸水材204を含む筐体207は吸水材が満水状態になった場合、新しいものに交換できるようになっている。筐体206及び207の間にはシール材208が設けられており、これは先述のシール材123と同様、空気の出入りを遮断するために設けられたものである。なお、図示しないが、満水状態か否かを知覚できるインジケーターを設けてもよい。
The
保管容器200の筐体205の内側は撥水性を持つことが好ましい。そうすれば、液体を確実に吸水材204に誘導できる。
The inside of the
ワイパーとワイプ材を併用しても良い。図6は図5に示された保管容器200に備えられたワイパー202の上部にワイプ材201を設けた場合を示している。この場合、ワイプ材201はカソード表面にわずかに残った液体を除去するだけでなく、燃料電池パックの出し入れの際に、液体が保管容器外部に飛散することを防ぐ役割を果たす。
A wiper and a wipe material may be used in combination. FIG. 6 shows a case where the wipe
ここでは図示しないが、ワイパーとワイプ材には交換可能な機構を設けてもよい。こうすれば、ワイプ材及びワイパーを交換することによって、カソードに付着した液体を除去する機能を維持できる。 Although not shown here, a replaceable mechanism may be provided for the wiper and the wipe material. In this way, the function of removing the liquid adhering to the cathode can be maintained by exchanging the wipe material and the wiper.
図7は保管容器130及び200の内側にカソード閉止部材132及び203を設けたものである。カソード閉止部材はワイプ材又はワイパーより奥部(低部)に備えられ、燃料電池セルのカソード表面を確実に隙間なく遮蔽する。カソード閉止部材によってカソード表面での気液平衡が保たれるため、燃料電池の保管中に燃料が電解質膜を透過してカソード側へ到達する量を抑制することができる。その結果、ワイプ材又はワイパーによって除去される液体量を最小限に留めることができる。
In FIG. 7,
カソード閉止部材132及び203は燃料電池セルのカソードの表面を隙間なく覆う面積を有するとともに弾性変形可能な材料であることが望ましい。また、カソード閉止部材132及び203の材料は、液体燃料に対する耐性を有する材料であることが好ましい。こうした材料としては、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム等のエラストマー等があげられる。カソード閉止部材132をエチレンプロピレンゴムとする場合、エチレンとプロピレンの共重合体(EPM)またはエチレンとプロピレンと第三成分との共重合体(EPDM)を用いることができる。また、加硫ゴムとすることもできる。
The
図8は図7に示された保管容器130に、燃料電池セル101を筐体120に実装した燃料電池パックを密閉収納した場合の断面図である。
FIG. 8 is a cross-sectional view when the fuel cell pack in which the
発電を終えた燃料電池パックは保管容器130に密閉収納され、再発電時まで保管される。保管中はカソード閉止部材132が燃料電池セル101のカソード面に密着するので、燃料のカソードへの透過は抑制される。また、筐体120に設けられたシール材123は、保管容器130の出口上端面と面接触するために、外部からの空気の侵入及び内部からの液体の蒸発を防ぐ役割を果たす。一方、再発電時には燃料電池パックは保管容器130から取り出される。その際に、保管容器130出口付近に設けられたワイプ材131がカソード表面に付着した液体を除去する。なお、保管容器130は燃料電池パックの発電中には大気中に放置される。ワイプ材131によって吸収された液体は速やかに蒸散するので、ワイプ材131は乾燥状態に戻る。
The fuel cell pack that has completed power generation is hermetically stored in the
図3に示された燃料電池スタックを作成した。各燃料電池セルのサイズは20mm×40mmである。これを図2に示された筐体120に実装して燃料電池パックを作製した。この燃料電池パックの燃料槽121に燃料となる20%メタノール水溶液を約12ml加えた後、出力密度30mW/cm2での定電力発電を30分実施した。発電終了後、この燃料電池パックを図7に示された保管容器130に収納し、12時間保管した。その後、燃料を継ぎ足し、保管容器130から燃料電池パックを取り出して、カソード表面の液体が除去されていることを確認の上、再び30mW/cm2での定電力発電を実施した。図9は定電力発電開始直後の出力の推移である。
The fuel cell stack shown in FIG. 3 was created. The size of each fuel cell is 20 mm × 40 mm. This was mounted on the
図9の通り、上述の改良を加えることによって、所望の出力を短時間のうちに得ることができる。一方、改良前、すなわち、保管容器にワイプ材とカソード閉止部材を設けなかった場合には、保管後にカソード表面が液体で覆われていた。この場合には、酸化剤である酸素のカソード触媒層への拡散が起こりにくい状態になっている。その結果、改良前の燃料電池パックは保管後に短時間で所望の出力を取り出せないだけでなく、カソードへの酸素の拡散が不安定であるために出力も安定しないという問題が発生した。さらに、改良を施さなかった場合においては、保管後の発電開始前に保管容器から燃料電池パックを取り出した際に、カソードから液体が滴り落ちるという問題も発生した。 As shown in FIG. 9, a desired output can be obtained in a short time by adding the above-described improvements. On the other hand, before the improvement, that is, when the wiper and the cathode closing member were not provided in the storage container, the cathode surface was covered with the liquid after storage. In this case, diffusion of oxygen as an oxidant into the cathode catalyst layer is unlikely to occur. As a result, the fuel cell pack before improvement has a problem that not only the desired output cannot be taken out in a short time after storage, but also the output is not stable due to unstable diffusion of oxygen to the cathode. Further, when no improvement was made, there was a problem that liquid dropped from the cathode when the fuel cell pack was taken out of the storage container before the start of power generation after storage.
100 燃料電池
101 燃料電池セル
102 高分子電解質膜
103 アノード
104 基体
105 触媒層
106 カソード
107 基体
108 触媒層
109 樹脂層
110 引出電極
120 筐体
121 燃料槽
122 燃料注入口及びガス抜き口
123 シール材
124 液体燃料保持部
125 気液分離膜
130 保管容器
131 ワイプ材
132 カソード閉止部材
150 平面燃料電池スタック
151 金属リベット
152a 第一の燃料電池セルのアノード
152b 第二の燃料電池セルのアノード
153a 第一の燃料電池セルのカソード
153b 第二の燃料電池セルのカソード
200 保管容器
201 ワイプ材
202 ワイパー
203 カソード閉止部材
204 吸水材(又は吸水部)
205 筐体
206 分離筐体上部
207 分離筐体下部
208 シール材
DESCRIPTION OF
205
Claims (15)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006334647A JP2008147081A (en) | 2006-12-12 | 2006-12-12 | Fuel cell and its storage vessel |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2006334647A JP2008147081A (en) | 2006-12-12 | 2006-12-12 | Fuel cell and its storage vessel |
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JP2008147081A true JP2008147081A (en) | 2008-06-26 |
Family
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Family Applications (1)
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-
2006
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