JP2008171612A - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell which allows improved exhaust efficiency and facilitates an enhanced output. <P>SOLUTION: This fuel cell comprises fuel paths 10 opened in an anode 7 and exhausting paths 12 for exhausting gases to the outside through a gas-liquid separation membrane 4, wherein fuel paths 10c are opened toward the exhausting paths 12. In addition, the inner walls 10c of the fuel paths 10 consist of a material having a higher critical surface tension than that of liquid fuel, and the inner walls 12c of the exhausting paths 12 consist of a material having a lower critical surface tension than that of the liquid fuel. The path inner walls 10c of a liquid fuel path member 2 get wet with the liquid fuel, whereas the path inner walls 12c of a gas exhausting path member 3 does not get wet with the liquid fuel. Therefore, the exhausting paths 12 of the gas exhausting path member 3 can be prevented from being blocked with the liquid fuel. Therefore, gases generated by liquid fuel reaction in the anode 7 can easily flow into the exhausting paths 12 of the gas exhausting path member 2. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

この発明は、液体を燃料とする燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell using liquid as fuel.

燃料電池は、供給された燃料を電気エネルギーおよび熱に連続的に変換する電気化学的装置である。燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するので、従来の内燃機関と比べて、理論的エネルギー変換効率が高く、有害な窒素酸化物や硫化物を生成しない。   A fuel cell is an electrochemical device that continuously converts supplied fuel into electrical energy and heat. Since the fuel cell directly converts chemical energy into electric energy, it has higher theoretical energy conversion efficiency than a conventional internal combustion engine, and does not generate harmful nitrogen oxides and sulfides.

また、多くの燃料電池の燃料である水素は、都市ガス、液化石油ガス(LPG)、灯油、メタノール、ナフサ、バイオマスなど様々な原燃料から改質することができる。よって、燃料電池の燃料である水素は、燃料電池の用途や条件に応じてふさわしい原燃料を選択することができ、今後の技術革新や原燃料の供給条件の変化に合わせて、その時々で有利な原燃料を選択することが可能である。   In addition, hydrogen, which is the fuel of many fuel cells, can be reformed from various raw fuels such as city gas, liquefied petroleum gas (LPG), kerosene, methanol, naphtha, and biomass. Therefore, hydrogen, which is the fuel of the fuel cell, can be selected as a suitable raw fuel according to the application and conditions of the fuel cell, and it is advantageous from time to time in accordance with future technological innovations and changes in raw fuel supply conditions. It is possible to select a suitable raw fuel.

このような利点を有する燃料電池は、次世代の電源として本格的な実用化が期待されている。   A fuel cell having such advantages is expected to be put into practical use as a next-generation power source.

さらに、燃料電池は、既存の二次電池よりも質量当たりのエネルギー密度が高いことや、充電する必要がないことから、小型の可搬型または携帯電子機器用の電源への適用も試みられている。   Furthermore, since the fuel cell has a higher energy density per mass than an existing secondary battery and does not need to be charged, application to a power source for a small portable or portable electronic device is also attempted. .

貯蔵の困難な水素を燃料に使う替わりに、メタノール、ヒドラジンなどの液体燃料を改質または気化させずに直接利用する燃料電池は、構造がシンプルであって、小型化、軽量化の点で有利である。中でも、取扱が容易で、持続可能なエネルギー源であるバイオマスからの製造も期待できるメタノールを液体燃料とする直接型メタノール燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)は、理想的な小型電源として期待されている。   Instead of using hydrogen, which is difficult to store, as a fuel, a fuel cell that uses liquid fuel such as methanol or hydrazine directly without reforming or vaporizing has a simple structure and is advantageous in terms of size and weight. It is. In particular, direct methanol fuel cells (DMFC) that use methanol as a liquid fuel, which are easy to handle and can be expected to be produced from biomass, which is a sustainable energy source, are expected as an ideal compact power source. ing.

この直接型メタノール燃料電池のような液体燃料を用いる燃料電池を、近年ますます消費電力が大きくなっている携帯機器の小型電源として用いるためには、より出力密度を高める必要がある。   In order to use a fuel cell using a liquid fuel such as the direct methanol fuel cell as a small power source of a portable device whose power consumption has been increasing in recent years, it is necessary to further increase the output density.

そのため、触媒の高性能化や、カソードへの燃料メタノールの浸透が少なく、かつ水素イオンの伝導度の高い固体高分子膜の開発などが行われている。さらに、燃料供給用ポンプ、空気供給用送風機などの補助装置をなるべく使わずに燃料を効率よく供給でき、かつ、生成物を効率よく排出できるシステムの開発が行われている。   For this reason, high performance catalysts and development of solid polymer membranes with low fuel methanol penetration into the cathode and high hydrogen ion conductivity are being carried out. Furthermore, a system that can efficiently supply fuel and efficiently discharge products without using auxiliary devices such as a fuel supply pump and an air supply blower as much as possible has been developed.

例えば、特許文献1、2には、燃料室内に気液分離管または気液分離膜を配して、アノードで発生した二酸化炭素を外部に排気する燃料電池が開示されている。   For example, Patent Documents 1 and 2 disclose a fuel cell in which a gas-liquid separation tube or a gas-liquid separation membrane is disposed in a fuel chamber, and carbon dioxide generated at the anode is exhausted to the outside.

ところで、燃料電池の出力を大きく取るためには、アノードでの反応を増やす必要がある。   By the way, in order to increase the output of the fuel cell, it is necessary to increase the reaction at the anode.

しかし、アノードでの反応が増えるにつれて、アノードでの液体燃料の酸化によって生成する二酸化炭素が増えることになる。このため、二酸化炭素の気泡がアノード表面に付着したり、燃料供給流路を塞いだりして、液体燃料のアノードへの供給を阻害することになり、燃料電池の出力を大きくすることが困難になるという問題がある。
特開2006−24401号公報 特開2006−24441号公報
However, as the reaction at the anode increases, the carbon dioxide produced by the oxidation of the liquid fuel at the anode will increase. For this reason, bubbles of carbon dioxide adhere to the anode surface or block the fuel supply flow path, which obstructs the supply of liquid fuel to the anode, making it difficult to increase the output of the fuel cell. There is a problem of becoming.
JP 2006-24401 A JP 2006-24441 A

そこで、この発明の課題は、排気効率を向上でき、高出力化が容易な燃料電池を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fuel cell that can improve exhaust efficiency and easily achieve high output.

上記課題を解決するため、この発明の燃料電池は、供給される液体燃料の化学反応を媒介する触媒部を有するアノードと、
上記液体燃料が供給されると共に上記アノードに開口している燃料流路を有する液体燃料流路部と、
上記液体燃料流路部上に積層されており、かつ、上記燃料流路を経由して上記アノードに連通していると共に上記アノードでの上記液体燃料の化学反応によって発生した気体を排出する排気流路を有する気体排出流路部と、
上記気体排出流路部上に積層されていると共に上記気体排出流路部の開口部からの上記気体を透過する気液分離膜とを備え、
上記液体燃料流路部の燃料流路は、上記液体燃料の表面張力よりも大きい臨界表面張力を有する流路内壁を有し、
上記気体排出流路部の排気流路は、上記液体燃料の表面張力よりも小さい臨界表面張力を有する流路内壁を有することを特徴としている。
In order to solve the above problems, a fuel cell according to the present invention includes an anode having a catalyst unit that mediates a chemical reaction of supplied liquid fuel;
A liquid fuel flow path portion having a fuel flow path to which the liquid fuel is supplied and opened to the anode;
An exhaust stream that is stacked on the liquid fuel flow path and communicates with the anode via the fuel flow path and discharges gas generated by a chemical reaction of the liquid fuel at the anode. A gas discharge flow path portion having a path;
A gas-liquid separation membrane that is laminated on the gas discharge flow path and transmits the gas from the opening of the gas discharge flow path;
The fuel flow path of the liquid fuel flow path portion has a flow path inner wall having a critical surface tension larger than the surface tension of the liquid fuel,
The exhaust flow path of the gas discharge flow path section has a flow path inner wall having a critical surface tension smaller than the surface tension of the liquid fuel.

この発明によれば、液体燃料流路部の流路内壁面は液体燃料に濡れる一方、気体排出流路部の流路内壁は液体燃料に濡れない。よって、気体排出流路部の排気流路が液体燃料で塞がれることを防止できる。よって、アノードにおいて液体燃料が反応することで生成した気体は、気体排出流路部の排気流路に容易に流れ込むことができる。これにより、上記気体の排出と上記アノードへの燃料供給を効率的に行うことができ、出力の大きい燃料電池を得ることができる。   According to this invention, the channel inner wall surface of the liquid fuel channel part gets wet with the liquid fuel, while the channel inner wall of the gas discharge channel part does not get wet with the liquid fuel. Therefore, it can prevent that the exhaust flow path of a gas exhaust flow path part is obstruct | occluded with liquid fuel. Therefore, the gas generated by the reaction of the liquid fuel at the anode can easily flow into the exhaust passage of the gas discharge passage section. Thereby, the discharge of the gas and the fuel supply to the anode can be efficiently performed, and a fuel cell having a large output can be obtained.

また、一実施形態の燃料電池は、上記液体燃料流路部の燃料流路は、上記燃料流路内を上記液体燃料が進行する方向に対して直交する面において積層方向と直交する幅方向の寸法よりも、上記積層方向の寸法が小さい。   Further, in the fuel cell according to an embodiment, the fuel flow path of the liquid fuel flow path portion is arranged in a width direction orthogonal to the stacking direction on a plane orthogonal to the direction in which the liquid fuel travels in the fuel flow path. The dimension in the stacking direction is smaller than the dimension.

この実施形態によれば、アノードから発生した気体の気泡が液体燃料流路部の燃料流路の幅いっぱいに広がってアノードへの燃料供給を妨げる前に、上記気泡は上記気体排出流路部の排気流路に達する。そして、この気体排出流路部の流路内壁面の臨界表面張力は液体燃料の表面張力よりも小さいので、上記気泡は上記気体排出流路部の流路側に移動することになる。よって、気泡によって燃料供給が妨げられることがなく、出力の大きい燃料電池を得ることができる。   According to this embodiment, before the gas bubbles generated from the anode spread to the full width of the fuel flow path of the liquid fuel flow path portion and hinder the fuel supply to the anode, the bubbles are formed in the gas discharge flow path portion. Reach the exhaust passage. Since the critical surface tension of the inner wall surface of the gas discharge channel portion is smaller than the surface tension of the liquid fuel, the bubbles move to the channel side of the gas discharge channel portion. Therefore, the fuel supply is not hindered by the bubbles, and a fuel cell with high output can be obtained.

また、一実施形態の燃料電池では、上記気体排出流路部は、ゴムで作製されている。   Moreover, in the fuel cell of one Embodiment, the said gas discharge flow path part is produced with rubber | gum.

この実施形態によれば、上記気体排出流路部を、液体燃料流路部に容易に密接させることができるので、燃料漏れ等の起こりにくい信頼性の高い燃料電池を得ることができる。   According to this embodiment, since the gas discharge channel portion can be easily brought into close contact with the liquid fuel channel portion, a highly reliable fuel cell that is unlikely to cause fuel leakage or the like can be obtained.

また、一実施形態の燃料電池では、上記ゴムが、シリコン系ゴムである。この実施形態によれば、気体排出流路部を作製する材料として、 気体透過係数の大きいシリコーン系ゴムを用いたことで、アノードで発生する気体の排気をより速やかに行うことができ、燃料電池の出力を大きくすることができる。   In one embodiment of the fuel cell, the rubber is silicon rubber. According to this embodiment, by using a silicone rubber having a large gas permeability coefficient as a material for producing the gas discharge flow path portion, the gas generated at the anode can be exhausted more quickly, and the fuel cell Output can be increased.

この発明の燃料電池によれば、液体燃料流路部の流路内壁面は液体燃料に濡れる一方、気体排出流路部の流路内壁面は液体燃料に濡れない。よって、気体排出流路部の排気流路が液体燃料で塞がれることを防止でき、アノードで発生する気体を燃料供給流路部から速やかに排気できて排気効率を向上でき、出力の大きい燃料電池を得ることができる。   According to the fuel cell of the present invention, the channel inner wall surface of the liquid fuel channel part gets wet with the liquid fuel, while the channel inner wall surface of the gas discharge channel part does not get wet with the liquid fuel. Therefore, the exhaust passage of the gas discharge passage portion can be prevented from being clogged with liquid fuel, the gas generated at the anode can be quickly exhausted from the fuel supply passage portion, the exhaust efficiency can be improved, and the fuel with high output A battery can be obtained.

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.

まず、この発明の燃料電池の実施形態とする直接型メタノール燃料電池の基本的動作について説明する。直接型メタノール燃料電池は、液体を燃料とする燃料電池のうち、最も一般的であるメタノールを燃料とする燃料電池である。   First, the basic operation of a direct methanol fuel cell as an embodiment of the fuel cell of the present invention will be described. The direct methanol fuel cell is a fuel cell using methanol as a fuel, which is the most common among fuel cells using liquid as fuel.

この直接型メタノール燃料電池(DMFC)の全体反応式は、次の化学式(化1)のように表される。この直接型メタノール燃料電池は、化学式(化1)の左辺と右辺の化学的エネルギーの差の一部を電気エネルギーとして取り出すことにより、発電を行う。
CHOH+(3/2)O → 2HO+CO … (化1)
The overall reaction formula of this direct methanol fuel cell (DMFC) is represented by the following chemical formula (Formula 1). This direct methanol fuel cell generates electric power by taking out part of the difference in chemical energy between the left side and the right side of the chemical formula (Chemical Formula 1) as electric energy.
CH 3 OH + (3/2) O 2 → 2H 2 O + CO 2 (Chemical Formula 1)

直接型メタノール燃料電池のアノードには、メタノールと水の混合液が供給される。アノード中の触媒によって、次の化学式(化2)に示すように、メタノールの酸化反応が起こり、二酸化炭素と水素イオンと電子が生成する。
CHOH+HO → 6H+6e+CO … (化2)
A mixed liquid of methanol and water is supplied to the anode of the direct methanol fuel cell. As shown in the following chemical formula (Chemical Formula 2), the catalyst in the anode causes an oxidation reaction of methanol to generate carbon dioxide, hydrogen ions, and electrons.
CH 3 OH + H 2 O → 6H + + 6e + CO 2 (Chemical formula 2)

アノードで生成した水素イオンは電解質膜を通り抜けて、アノードからカソードに達する。一方、電子は、外部回路(燃料電池を電源として動く機器)を経由してカソードに達する。このカソードでは、水素イオンと空気中の酸素と電子とが、次の化学式(化3)に示す反応をすることによって、水を生成する。
6H+(3/2)O+6e → 3HO … (化3)
Hydrogen ions generated at the anode pass through the electrolyte membrane and reach the cathode from the anode. On the other hand, the electrons reach the cathode via an external circuit (a device that operates using a fuel cell as a power source). In this cathode, hydrogen ions, oxygen in the air and electrons react with each other as shown in the following chemical formula (Chemical Formula 3) to generate water.
6H + + (3/2) O 2 + 6e → 3H 2 O (Chemical Formula 3)

損失の無い直接型メタノール燃料電池から得られる電圧は、上記化学式(化1)の左辺と右辺の化学的エネルギーの差に相当する1.2Vであり、現実に得られる電圧は0.2〜0.6V程度である。したがって、この直接型メタノール燃料電池を、電子機器の電源に用いる際には単位電池を複数直列に接続して、所望の電圧を得るようにする。   The voltage obtained from the direct methanol fuel cell without loss is 1.2 V corresponding to the difference in chemical energy between the left side and the right side of the above chemical formula (Chemical Formula 1), and the actually obtained voltage is 0.2-0. It is about .6V. Therefore, when this direct methanol fuel cell is used as a power source for an electronic device, a plurality of unit cells are connected in series to obtain a desired voltage.

次に、上記実施形態としての直接型メタノール燃料電池の単位電池について詳細に説明する。   Next, the unit cell of the direct methanol fuel cell as the above embodiment will be described in detail.

図1の分解斜視図はこの実施形態の燃料電池の単位電池の構造を例示しており、図2は上記単位電池の断面構造を例示している。   The exploded perspective view of FIG. 1 illustrates the structure of the unit cell of the fuel cell of this embodiment, and FIG. 2 illustrates the cross-sectional structure of the unit cell.

この単位電池は、薄膜電極組立体(MEA:Membrane Electrode Assembly)1、液体燃料流路部材2、気体排気流路部材3をアノード支持基板5とカソード支持基板6とで挟み込んだ構造になっている。   This unit cell has a structure in which a thin film electrode assembly (MEA) 1, a liquid fuel channel member 2, and a gas exhaust channel member 3 are sandwiched between an anode support substrate 5 and a cathode support substrate 6. .

図2に示すように、薄膜電極組立体1は、アノード7とカソード8の間に電解質膜9を挟んだ構造になっている。そして、この薄膜電極組立体1のアノード7側に液体燃料流路部材2が配置され、この液体燃料流路部材2に燃料流路10が形成されている。この液体燃料流路部材2は、燃料流路10の内壁10cが上記液体燃料の表面張力よりも大きい臨界表面張力を有する材料(例えば、後述の酸化チタンのような親水性物質を担持させた樹脂など)によって形成されている。   As shown in FIG. 2, the thin film electrode assembly 1 has a structure in which an electrolyte membrane 9 is sandwiched between an anode 7 and a cathode 8. A liquid fuel flow path member 2 is disposed on the anode 7 side of the thin film electrode assembly 1, and a fuel flow path 10 is formed in the liquid fuel flow path member 2. This liquid fuel channel member 2 is made of a material having a critical surface tension that is larger than the surface tension of the liquid fuel (for example, a resin carrying a hydrophilic substance such as titanium oxide described later). Etc.).

一方、上記液体燃料流路部材2には気体排気流路部材3が積層され、この気体排気流路部材3には排気流路12が形成されている。この排気流路12は、気体排気流路部材3を積層方向に貫通していて、燃料流路10を経由してアノード7に連通している。そして、排気流路12の内壁12cは、臨界表面張力が液体燃料の表面張力よりも小さい材料(例えば、ゴムなど)によって形成されている。そして、この気体排気流路部材3には気液分離膜4が積層され、この気液分離膜4にはアノード支持基板5が積層されている。このアノード支持基板5には、発電に伴ってアノード7で発生する二酸化炭素を外部に排出するための排気溝11が形成されており、排気流路12は気液分離膜4を経由して排気溝11に通気可能になっている。   On the other hand, a gas exhaust passage member 3 is stacked on the liquid fuel passage member 2, and an exhaust passage 12 is formed in the gas exhaust passage member 3. The exhaust passage 12 passes through the gas exhaust passage member 3 in the stacking direction, and communicates with the anode 7 via the fuel passage 10. The inner wall 12c of the exhaust passage 12 is formed of a material (for example, rubber) whose critical surface tension is smaller than the surface tension of the liquid fuel. A gas-liquid separation film 4 is laminated on the gas exhaust flow path member 3, and an anode support substrate 5 is laminated on the gas-liquid separation film 4. The anode support substrate 5 is formed with an exhaust groove 11 for exhausting carbon dioxide generated at the anode 7 with power generation to the outside. The exhaust channel 12 is exhausted via the gas-liquid separation membrane 4. The groove 11 can be ventilated.

一方、電解質膜9を挟んでアノード支持基板5とは反対側にカソード支持基板6が配置され、このカソード支持基板6には排気溝11と直交する方向に延びる通気孔13が形成されている。この通気孔13を通して、還元剤である酸素を含む空気をカソード8に導入できるようになっている。   On the other hand, a cathode support substrate 6 is disposed on the opposite side of the anode support substrate 5 with the electrolyte membrane 9 interposed therebetween, and a vent hole 13 extending in a direction orthogonal to the exhaust groove 11 is formed in the cathode support substrate 6. Through the vent hole 13, air containing oxygen as a reducing agent can be introduced into the cathode 8.

上記電解質膜9の材料としては、水素イオンの導電性が良く、かつ、メタノール等の液体燃料の透過性の低い材料を用いることが望ましい。このような材料の一例としては、パーフルオロスルホン酸系のポリマー膜や炭化水素系のポリマー膜などが挙げられる。   As the material of the electrolyte membrane 9, it is desirable to use a material having good conductivity of hydrogen ions and low permeability of liquid fuel such as methanol. Examples of such materials include perfluorosulfonic acid polymer membranes and hydrocarbon polymer membranes.

また、上記アノード7はアノード集電体7aとアノード拡散層7b、および触媒部としてのアノード触媒(図示せず)を備える。アノード集電体7aは、導電性が高く、使用環境下で電気化学的に不活性で、耐食性および耐久性を持った材料で構成される。また、アノード集電体7aは、液体燃料や反応生成物である二酸化酸素を透過させる必要があるので、金属メッシュやスポンジメタルのような材料で作製することが好ましい。このような金属材料の一例としては、金(Au)や白金(Pt)が望ましいが、高価であるので、ステンレスやチタンに金や白金をコーティングしたものをアノード集電体7aの材料として用いてもよい。   The anode 7 includes an anode current collector 7a, an anode diffusion layer 7b, and an anode catalyst (not shown) as a catalyst part. The anode current collector 7a is made of a material having high conductivity, being electrochemically inert in the use environment, and having corrosion resistance and durability. Further, the anode current collector 7a is preferably made of a material such as a metal mesh or sponge metal because it is necessary to transmit liquid dioxide or oxygen dioxide as a reaction product. As an example of such a metal material, gold (Au) or platinum (Pt) is desirable, but it is expensive. Therefore, stainless steel or titanium coated with gold or platinum is used as a material for the anode current collector 7a. Also good.

また、アノード拡散層7bは、液体燃料をアノード集電体7aへ均一に分配するため、および、アノード7における反応で生成した二酸化炭素を速やかに排出するために設けられる。また、前述の化学式(化1)で表された化学反応によって生成する電子をアノード触媒(図示せず)からアノード集電体7aに伝えるために良好な導電性が求められる。このアノード拡散層7bの材料としては、例えば、炭素繊維の織布や不織布に、紫外線照射やプラズマ処理を施す方法や、臨界表面張力の大きい樹脂を分散する方法などで、液体燃料に濡れやすくしたものを用いることができる。   The anode diffusion layer 7b is provided to uniformly distribute the liquid fuel to the anode current collector 7a and to quickly discharge the carbon dioxide generated by the reaction at the anode 7. Also, good conductivity is required to transmit electrons generated by the chemical reaction represented by the above chemical formula (Chemical Formula 1) from the anode catalyst (not shown) to the anode current collector 7a. As a material of the anode diffusion layer 7b, for example, a method of performing ultraviolet irradiation or plasma treatment on a woven or non-woven fabric of carbon fiber, a method of dispersing a resin having a large critical surface tension, or the like makes it easy to get wet with liquid fuel. Things can be used.

電解質膜9に面したアノード拡散層7bの面には、上記アノード触媒の粒子と電解質の材料となる水素イオン導電体樹脂との混合物が塗布されている。上記アノード触媒としては、例えば、白金とルテニウム(Ru)の合金の粒子や白金とルテニウムの混合粒子を炭素系粒子などの担持材料に分散、担持したものを用いることができる。   On the surface of the anode diffusion layer 7 b facing the electrolyte membrane 9, a mixture of the anode catalyst particles and a hydrogen ion conductor resin serving as an electrolyte material is applied. As the anode catalyst, for example, platinum and ruthenium (Ru) alloy particles or platinum and ruthenium mixed particles dispersed and supported on a supporting material such as carbon-based particles can be used.

また、上記カソード8は、カソード集電体8aとカソード拡散層8bおよびカソード触媒(図示せず)を備える。カソード集電体8aは、導電性が高く、使用環境下で電気化学的に不活性であり、かつ、耐食性および耐久性を有する材料で構成される。また、カソード集電体8aとしては、空気や反応生成物である水を透過させる必要があるので、アノード集電体7aと同様の構成のものが用いられる。また、カソード拡散層8bは、カソード8における反応生成物である水蒸気を拡散して排出し、水の凝集を防ぐために設けられている。このカソード拡散層8bは、外部負荷を通ってカソード集電体8aに達した電子を上記カソード触媒(図示せず)に伝えるために良好な導電性が求められる。よって、このカソード拡散層8bとしては、例えば、炭素繊維の織布や不織布をポリテトラフルオロカーボンの水分散液に浸漬した後、乾燥,焼付けをして撥水性を強めたものを用いることができる。また、カソード拡散層8bの電解質膜9に面した面には、上記カソード触媒(図示せず)をなすカソード触媒粒子と電解質の材料となる水素イオン導電体樹脂との混合物が塗布される。上記カソード触媒としては、白金粒子を炭素系微粒子などに分散担持したものを用いることができる。   The cathode 8 includes a cathode current collector 8a, a cathode diffusion layer 8b, and a cathode catalyst (not shown). The cathode current collector 8a is made of a material having high conductivity, being electrochemically inactive under the use environment, and having corrosion resistance and durability. Further, as the cathode current collector 8a, it is necessary to permeate air or water as a reaction product, so that the cathode current collector 8a has the same configuration as the anode current collector 7a. The cathode diffusion layer 8b is provided in order to diffuse and discharge water vapor, which is a reaction product in the cathode 8, and prevent water from aggregating. The cathode diffusion layer 8b is required to have good conductivity in order to transmit electrons that have reached the cathode current collector 8a through an external load to the cathode catalyst (not shown). Therefore, as the cathode diffusion layer 8b, for example, a carbon fiber woven fabric or non-woven fabric immersed in an aqueous dispersion of polytetrafluorocarbon and then dried and baked to enhance water repellency can be used. Further, a mixture of the cathode catalyst particles forming the cathode catalyst (not shown) and the hydrogen ion conductor resin as the electrolyte material is applied to the surface of the cathode diffusion layer 8b facing the electrolyte membrane 9. As the cathode catalyst, platinum particles dispersed and supported on carbon-based fine particles can be used.

そして、アノード支持基板5およびカソード支持基板6の材料としては、ポリカーボネート、エポキシ、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ビニルなどの樹脂やこれら樹脂にガラス繊維等を補強材として含有した樹脂を用いることができる。また、炭素板やマグネシウム、アルミニウム、ニッケル、各種金属合金などの金属材料の表面に樹脂を塗布することによって表面を不導体化したものを、アノード支持基板5およびカソード支持基板6の材料として用いることができる。   As materials for the anode support substrate 5 and the cathode support substrate 6, resins such as polycarbonate, epoxy, polyimide, polyethylene, polypropylene, and vinyl chloride, and resins containing glass fibers or the like as a reinforcing material can be used. . In addition, a material obtained by applying a resin to the surface of a metal material such as carbon plate, magnesium, aluminum, nickel, and various metal alloys, and using it as a material for the anode support substrate 5 and the cathode support substrate 6 is used. Can do.

この実施形態では、液体燃料流路部材2に形成された液体燃料流路10を通して、アノード7に液体燃料が供給される。この実施形態では、気液分離膜4と燃料流路10との間に排気流路12が形成されていると共に、排気流路12の内壁12cが液体燃料の表面張力よりも小さな臨界表面張力の材料で形成されていて排気流路12の内壁12cが液体燃料に濡れない。よって、気体排出流路部材3の排気流路12が液体燃料で塞がれることを防止できる。よって、アノード7において液体燃料が反応することで生成した気体は、気体排出流路部材3の排気流路12に容易に流れ込むことができる。   In this embodiment, the liquid fuel is supplied to the anode 7 through the liquid fuel passage 10 formed in the liquid fuel passage member 2. In this embodiment, an exhaust passage 12 is formed between the gas-liquid separation membrane 4 and the fuel passage 10, and the inner wall 12c of the exhaust passage 12 has a critical surface tension smaller than the surface tension of the liquid fuel. The inner wall 12c of the exhaust passage 12 is made of a material and does not get wet with the liquid fuel. Therefore, the exhaust flow path 12 of the gas discharge flow path member 3 can be prevented from being blocked with the liquid fuel. Therefore, the gas generated by the reaction of the liquid fuel at the anode 7 can easily flow into the exhaust flow path 12 of the gas discharge flow path member 3.

これにより、アノード7で生成した二酸化炭素が気液分離膜4を通して外部に排出できるほど液体燃料流路部材2の燃料流路10内の圧力が高くない場合でも、二酸化炭素は、排気流路12に流れ込むことができるので、アノード7表面から効率的に気泡除去を行うことができ、燃料電池の出力を安定して維持することができる。   Thereby, even when the pressure in the fuel flow path 10 of the liquid fuel flow path member 2 is not so high that the carbon dioxide generated in the anode 7 can be discharged to the outside through the gas-liquid separation membrane 4, the carbon dioxide is removed from the exhaust flow path 12. Therefore, bubbles can be efficiently removed from the surface of the anode 7, and the output of the fuel cell can be stably maintained.

なお、好ましくは、燃料流路10の高さ寸法(積層方向の寸法)D1は、燃料流路10の幅寸法(燃料流路10内を液体燃料が進行する方向Zに対して直交するX-Y面において積層方向Yと直交する幅方向Xの寸法)D2よりも短いことが望ましい。この構造を取ることによって、二酸化炭素の気泡が燃料流路10の流路幅いっぱいに広がる前に、二酸化炭素の気泡は排気流路12に触れて(達して)破壊される。よって、アノード7の表面から効率的に気泡を除去でき、燃料電池の出力を安定して維持できる。また、同様の理由で、図1に示すように、1つの排気流路12に対して上記方向Zに隣り合うもう1つの排気流路12との間の距離D3は、燃料流路10の幅寸法D2よりも短いことが望ましい。   Preferably, the height dimension (dimension in the stacking direction) D1 of the fuel flow path 10 is the width dimension of the fuel flow path 10 (X − perpendicular to the direction Z in which the liquid fuel travels in the fuel flow path 10). It is desirable that it is shorter than the dimension D2 in the width direction X perpendicular to the stacking direction Y on the Y plane. By adopting this structure, before the carbon dioxide bubbles expand to the full width of the fuel flow path 10, the carbon dioxide bubbles touch (reach) the exhaust flow path 12 and are destroyed. Therefore, bubbles can be efficiently removed from the surface of the anode 7 and the output of the fuel cell can be stably maintained. For the same reason, as shown in FIG. 1, the distance D3 between one exhaust flow path 12 and another exhaust flow path 12 adjacent in the direction Z is the width of the fuel flow path 10. Desirably shorter than dimension D2.

また、液体燃料流路部材2の材料としては、使用環境下で電気化学的に不活性、耐食性、耐久性を持った材料であり、絶縁された構造であれば特に制限はない。例えば、液体燃料流路部材2の材料としては、ガラスなどを用いることができるし、ポリカーボネート、エポキシ、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ビニルなどの樹脂やこれら樹脂にガラス繊維等を補強材として含有した樹脂を用いることができる。   The material of the liquid fuel passage member 2 is a material that is electrochemically inert, corrosion resistant, and durable under the usage environment, and is not particularly limited as long as it is an insulated structure. For example, as the material of the liquid fuel flow path member 2, glass or the like can be used, and resins such as polycarbonate, epoxy, polyimide, polyethylene, polypropylene, and vinyl chloride, and glass fibers or the like are contained as a reinforcing material in these resins. Resin can be used.

また、液体燃料の表面張力よりも高い臨界表面張力を有する燃料流路10の内壁10cは、液体燃料の表面張力より大きな臨界表面張力の樹脂を塗布すること、あるいは、酸化チタンのような親水性物質を担持させることで実現できる。また、気体排気流路部材3の材料は、使用環境下で電気化学的に不活性、かつ、耐食性および耐久性を持った材料であれば特に制限はないが、好ましくは、ゴムによって形成されることが望ましい。気体排気流路部材3をゴム製にした場合は、アノード支持基板5と液体燃料流路部材2とを接着剤を用いることなくネジなどによる締め付けだけで、気体排気流路部材3を液体燃料流路部材2に容易に密接させることが可能となる。   Further, the inner wall 10c of the fuel flow path 10 having a critical surface tension higher than the surface tension of the liquid fuel is coated with a resin having a critical surface tension larger than the surface tension of the liquid fuel, or hydrophilic such as titanium oxide. This can be realized by loading a substance. The material of the gas exhaust passage member 3 is not particularly limited as long as it is electrochemically inert under the use environment and has corrosion resistance and durability, but is preferably formed of rubber. It is desirable. When the gas exhaust flow path member 3 is made of rubber, the gas exhaust flow path member 3 is made to flow into the liquid fuel flow only by tightening the anode support substrate 5 and the liquid fuel flow path member 2 with screws or the like without using an adhesive. It becomes possible to make it close to the road member 2 easily.

より好ましくは、気体排気流路部材3はシリコーン系のゴムによって形成されることが望ましい。気体排気流路部材3の材料を気体透過係数の大きいシリコーン系ゴムとした場合には、二酸化炭素の排気能力が向上し、燃料電池の出力を向上できる。この気体排気流路部材3の材料としては、例えば、ビニルメチルシリコーンゴムやフッ化アルキル基を導入して臨界表面張力を小さくしたフッ素化シリコーンゴムが適している。   More preferably, the gas exhaust passage member 3 is formed of silicone rubber. When the material of the gas exhaust passage member 3 is a silicone rubber having a large gas permeability coefficient, the exhaust capacity of carbon dioxide is improved and the output of the fuel cell can be improved. As a material of the gas exhaust passage member 3, for example, vinyl methyl silicone rubber or fluorinated silicone rubber having a critical surface tension reduced by introducing a fluorinated alkyl group is suitable.

また、気液分離膜4としては、気体透過性が高く、電気化学的に不活性で液体燃料の表面張力よりも臨界表面張力の小さい材料を用いることが望ましい。この気液分離膜4としては、例えば、臨界表面張力がメタノールの表面張力(22.6(mN/m))よりも小さい15(mN/m)であるポリテトラフルオロエチレンの多孔質膜を採用できる。   Further, as the gas-liquid separation membrane 4, it is desirable to use a material that has high gas permeability, is electrochemically inactive, and has a critical surface tension smaller than the surface tension of the liquid fuel. As the gas-liquid separation membrane 4, for example, a porous membrane of polytetrafluoroethylene having a critical surface tension of 15 (mN / m) smaller than the surface tension of methanol (22.6 (mN / m)) is adopted. it can.

なお、上述した実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明だけではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   In addition, it should be thought that embodiment mentioned above is an illustration and restrictive at no points. The scope of the present invention is defined not only by the above description but also by the scope of claims for patent, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent.

この発明の燃料電池の実施形態の単位電池の構造を示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows the structure of the unit cell of embodiment of the fuel cell of this invention. 上記実施形態の燃料電池の断面構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross-section of the fuel cell of the said embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 薄膜電極組立体
2 液体燃料流路部材
3 気体排気流路部材
4 気液分離膜
5 アノード支持基板
6 カソード支持基板
7 アノード
8 カソード
9 電解質膜
10 燃料流路
10c 内壁
11 排気溝
12 排気流路
12c 内壁
13 通気口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thin film electrode assembly 2 Liquid fuel flow path member 3 Gas exhaust flow path member 4 Gas-liquid separation film 5 Anode support substrate 6 Cathode support substrate 7 Anode 8 Cathode 9 Electrolyte membrane 10 Fuel flow path 10c Inner wall 11 Exhaust groove 12 Exhaust flow path 12c Inner wall 13 Vent

Claims (4)

供給される液体燃料の化学反応を媒介する触媒部を有するアノードと、
上記液体燃料が供給されると共に上記アノードに開口している燃料流路を有する液体燃料流路部と、
上記液体燃料流路部上に積層されており、かつ、上記燃料流路を経由して上記アノードに連通していると共に上記アノードでの上記液体燃料の化学反応によって発生した気体を排出する排気流路を有する気体排出流路部と、
上記気体排出流路部上に積層されていると共に上記気体排出流路部の開口部からの上記気体を透過する気液分離膜とを備え、
上記液体燃料流路部の燃料流路は、上記液体燃料の表面張力よりも大きい臨界表面張力を有する流路内壁を有し、
上記気体排出流路部の排気流路は、上記液体燃料の表面張力よりも小さい臨界表面張力を有する流路内壁を有することを特徴とする燃料電池。
An anode having a catalyst part that mediates a chemical reaction of the supplied liquid fuel;
A liquid fuel flow path portion having a fuel flow path to which the liquid fuel is supplied and opened to the anode;
An exhaust stream that is stacked on the liquid fuel flow path and communicates with the anode via the fuel flow path and discharges gas generated by a chemical reaction of the liquid fuel at the anode. A gas discharge flow path portion having a path;
A gas-liquid separation membrane that is laminated on the gas discharge flow path and transmits the gas from the opening of the gas discharge flow path;
The fuel flow path of the liquid fuel flow path portion has a flow path inner wall having a critical surface tension larger than the surface tension of the liquid fuel,
The fuel cell according to claim 1, wherein the exhaust flow path of the gas discharge flow path section has a flow path inner wall having a critical surface tension smaller than a surface tension of the liquid fuel.
請求項1に記載の燃料電池において、
上記液体燃料流路部の燃料流路は、
上記燃料流路内を上記液体燃料が進行する方向に対して直交する面において積層方向と直交する幅方向の寸法よりも、上記積層方向の寸法が小さいことを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
The fuel flow path of the liquid fuel flow path section is
A fuel cell characterized in that a dimension in the stacking direction is smaller than a dimension in a width direction orthogonal to the stacking direction on a plane orthogonal to the direction in which the liquid fuel travels in the fuel flow path.
請求項1または2に記載の燃料電池において、
上記気体排出流路部は、ゴムで作製されていることを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 1 or 2,
The fuel cell according to claim 1, wherein the gas discharge channel is made of rubber.
請求項3に記載の燃料電池において、
上記ゴムが、シリコン系ゴムであることを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 3, wherein
A fuel cell, wherein the rubber is a silicon rubber.
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