JP2009070570A - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell which can supply a liquid fuel uniformly and efficiently and can improve an output. <P>SOLUTION: The fuel cell includes a fuel electrode, an electrolyte membrane which is arranged neighboring with the fuel electrode and transmits cations from the fuel electrode, an oxidant electrode which is arranged to face the fuel electrode with the electrolyte membrane in-between and makes the cations transmitting the electrolyte membrane reacted with the cations, a fuel supplying mechanism for supplying the liquid fuel to the fuel electrode, and a fuel diffusion layer which is arranged on a side of the fuel supplying mechanism and a fuel absorbing layer arranged on a side of the fuel electrode, both arranged between the fuel electrode and the fuel supplying mechanism. The fuel absorbing layer has a plurality of layers having different wettabilities against the liquid fuel in a thickness direction, and a layer arranged on the side of the fuel electrode is made of a material having a higher wettability than that of the layer arranged on the side of the fuel diffusion layer and, moreover, can impregnate more liquid fuel in itself than the fuel diffusion layer. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電極、電解質膜および酸化剤電極を備える燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell including a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an oxidant electrode.

燃料電池は、水素含有ガスまたは有機アルコールなどと、酸素を含むガスとを電極に供給して、発電を行う発電機であり、通常、電解質膜を介して燃料電極と酸化剤電極とが対向して配置された基本構造を備える。このような基本構造において、燃料電極上で水素が酸化され、生成した水素イオンが電解質膜を伝導して酸化剤電極側に移動し、酸化剤電極において、移動してきた水素イオンと供給された酸素とが反応して水を生成するとともに、電子が外部回路を流通することで電気エネルギーが生成される。   A fuel cell is a generator that generates electricity by supplying a hydrogen-containing gas or organic alcohol or the like and an oxygen-containing gas to an electrode. Usually, a fuel electrode and an oxidant electrode face each other through an electrolyte membrane. The basic structure is arranged. In such a basic structure, hydrogen is oxidized on the fuel electrode, and the generated hydrogen ions are transferred to the oxidant electrode side through the electrolyte membrane. In the oxidant electrode, the transferred hydrogen ions and the supplied oxygen are transferred. Reacts to produce water, and electrons circulate through an external circuit to produce electrical energy.

燃料電池は、発電により排出物の環境に対する負荷が少なく、クリーンな発電システムとして注目されている。燃料電池のうち、電解質膜として水素イオン導電体を有する固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池は、現在、宇宙用、車両用などの移動用電源としての用途が提案されている。   The fuel cell is attracting attention as a clean power generation system because it generates less load on the environment due to power generation. Among fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer membrane having a hydrogen ion conductor as an electrolyte membrane has been proposed for use as a mobile power source for space use and vehicle use.

ここで、図11は、従来の典型的な燃料電池の一例として、たとえば特開2003−86192号公報(特許文献1)に開示されたような固体高分子型燃料電池101を模式的に示す断面図である。図11に示す例の固体高分子型燃料電池101は、たとえば電解質膜105を介して燃料電極103と酸化剤電極104とが対向して配置された発電素子102を備える。この発電素子102の両側にそれぞれ流路板106,107が配置されて、燃料電極103に燃料を供給するための燃料流路108と、酸化剤電極104に酸化剤を供給するための酸化剤流路109とが形成されている。   Here, FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing a polymer electrolyte fuel cell 101 as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-86192 (Patent Document 1) as an example of a conventional typical fuel cell. FIG. The polymer electrolyte fuel cell 101 of the example shown in FIG. 11 includes a power generation element 102 in which a fuel electrode 103 and an oxidant electrode 104 are arranged to face each other with an electrolyte membrane 105 interposed therebetween, for example. Flow path plates 106 and 107 are disposed on both sides of the power generation element 102, respectively, and a fuel flow path 108 for supplying fuel to the fuel electrode 103 and an oxidant flow for supplying oxidant to the oxidant electrode 104. A passage 109 is formed.

固体高分子型燃料電池の燃料としては現在、高エネルギー効率、高出力が得られるメタノールが有望視されている。一般には、燃料を水で1〜3mol/l程度に薄めた希釈燃料が用いられる。また、酸化剤としては、大気中に含まれる酸素を用いることが一般的である。燃料電極、酸化剤電極でそれぞれ生じる化学反応は、次に示す反応式(1)、(2)で表される。   As a fuel for a polymer electrolyte fuel cell, methanol that can provide high energy efficiency and high output is currently promising. In general, a diluted fuel obtained by diluting the fuel with water to about 1 to 3 mol / l is used. Further, as the oxidant, it is common to use oxygen contained in the atmosphere. The chemical reactions occurring at the fuel electrode and the oxidant electrode are expressed by the following reaction formulas (1) and (2).

CH3OH+H2O→CO2+6H++6e- (1)
3/2O2+6H++6e-→3H2O (2)
図11に示すような固体高分子型燃料電池101においては、通常、燃料電極103と燃料流路板106との間に燃料拡散層110が介在され、この燃料拡散層110を通して液体燃料が燃料電極103に供給されるように構成される。同様に、酸化剤電極104と酸化剤流路板107との間には酸化剤拡散層111が介在され、この酸化剤拡散層111を通して酸化剤が酸化剤電極104に供給されるように構成される。ここで、図12は、図11に示した従来例の固体高分子型燃料電池101の燃料拡散層110近傍を一部拡大して示す図である。図11,12に示すような構成において、液体燃料が常に燃料電極103に供給されるためには、液体燃料が燃料流路108側から燃料電極103側に向かう方向の流れを有していることが望まれる。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e (1)
3 / 2O 2 + 6H + + 6e → 3H 2 O (2)
In the polymer electrolyte fuel cell 101 as shown in FIG. 11, a fuel diffusion layer 110 is usually interposed between the fuel electrode 103 and the fuel flow path plate 106, and the liquid fuel passes through this fuel diffusion layer 110 and the fuel electrode 103 to be supplied. Similarly, an oxidant diffusion layer 111 is interposed between the oxidant electrode 104 and the oxidant flow path plate 107, and the oxidant is supplied to the oxidant electrode 104 through the oxidant diffusion layer 111. The Here, FIG. 12 is a partially enlarged view showing the vicinity of the fuel diffusion layer 110 of the conventional polymer electrolyte fuel cell 101 shown in FIG. 11 and 12, in order for liquid fuel to be always supplied to the fuel electrode 103, the liquid fuel has a flow in a direction from the fuel flow path 108 side toward the fuel electrode 103 side. Is desired.

しかしながら、図12に示すように、燃料流路108内の液体燃料は、燃料拡散層110に拡散しながら一方向(図12中、方向A)に流れていくため、燃料流路108内の圧力は、当該方向に沿った圧損により減少し、燃料拡散層110に透過する液体燃料の量は、当該方向の下流になるほど減少しやすくなる。このため、燃料電極103への液体燃料の供給が不均一となったり、液体燃料の供給が不足する部分が生じる可能性がある。燃料電極103への液体燃料の供給が不足している部分がある燃料電池には、十分な出力が得られないという問題が生じる。特に、より小さい容積に燃料電池をスタックしようとした場合、燃料流路の断面を小さくして、流路板を薄膜化する必要があるため、燃料流路内の上記圧損はより大きくなり、燃料電極への液体燃料の供給は不均一になり易い。   However, as shown in FIG. 12, since the liquid fuel in the fuel flow path 108 flows in one direction (direction A in FIG. 12) while diffusing into the fuel diffusion layer 110, the pressure in the fuel flow path 108 is increased. Is reduced by the pressure loss along the direction, and the amount of the liquid fuel that permeates the fuel diffusion layer 110 is more likely to decrease as it becomes downstream in the direction. For this reason, the supply of the liquid fuel to the fuel electrode 103 may become uneven, or a portion where the supply of the liquid fuel is insufficient may occur. A fuel cell having a portion where supply of liquid fuel to the fuel electrode 103 is insufficient causes a problem that sufficient output cannot be obtained. In particular, when trying to stack a fuel cell in a smaller volume, it is necessary to reduce the cross section of the fuel flow path and reduce the thickness of the flow path plate. The supply of liquid fuel to the electrodes tends to be uneven.

図11に示すような構造において、燃料電極103に十分な液体燃料を供給するために、外部に設置した燃料ポンプなどによって液体燃料を送り込むなどの方法も考えられる。しかしながら、この場合、燃料電池で発電した電力の一部がそれら燃料ポンプなどの稼動に使用され、燃料電池全体としての発電効率が悪化することに繋がる。
特開2003−86192号公報
In the structure as shown in FIG. 11, in order to supply a sufficient amount of liquid fuel to the fuel electrode 103, a method of feeding the liquid fuel by a fuel pump or the like installed outside can be considered. However, in this case, a part of the electric power generated by the fuel cell is used for the operation of the fuel pump and the like, leading to deterioration of the power generation efficiency of the entire fuel cell.
JP 2003-86192 A

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、液体燃料を均一かつ効率よく供給でき、出力の向上を図ることができる燃料電池を提供することである。   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 supplying liquid fuel uniformly and efficiently and improving output. is there.

本発明の燃料電池は、液体燃料から陽イオンを生成する燃料電極と、燃料電極に隣接して配置され、燃料電極からの陽イオンが透過する電解質膜と、電解質膜を介して燃料電極と対向して配置され、電解質膜を透過した陽イオンと酸化剤とを反応させる酸化剤電極と、燃料電極に液体燃料を供給するための燃料供給機構と、燃料電極と燃料供給機構との間に介在され、燃料供給機構側に配置された燃料拡散層および燃料電極側に配置された燃料吸収層とを備え、燃料吸収層が、厚み方向に関し液体燃料に対する濡れ性の異なる2以上の層を有し、燃料電極側に配置された層が燃料拡散層側に配置された層よりも濡れ性の高い材料で形成され、かつ、燃料拡散層よりも多くの液体燃料を内部に含浸できるように構成されていることを特徴とする。   The fuel cell of the present invention includes a fuel electrode that generates cations from liquid fuel, an electrolyte membrane that is disposed adjacent to the fuel electrode and that allows cations from the fuel electrode to pass therethrough, and is opposed to the fuel electrode through the electrolyte membrane. And an oxidant electrode that reacts the cation and the oxidant that have passed through the electrolyte membrane, a fuel supply mechanism for supplying liquid fuel to the fuel electrode, and an intervening between the fuel electrode and the fuel supply mechanism A fuel diffusion layer disposed on the fuel supply mechanism side and a fuel absorption layer disposed on the fuel electrode side, and the fuel absorption layer has two or more layers having different wettability with respect to the liquid fuel in the thickness direction. The layer disposed on the fuel electrode side is formed of a material having higher wettability than the layer disposed on the fuel diffusion layer side, and is configured so that more liquid fuel can be impregnated inside than the fuel diffusion layer. It is characterized by

本発明の燃料電池は、燃料吸収層が、燃料拡散層よりも液体燃料に対する面方向に関する吸収速度が大きくなるように構成されていることが好ましい。   In the fuel cell of the present invention, it is preferable that the fuel absorption layer is configured to have a higher absorption rate in the surface direction with respect to the liquid fuel than the fuel diffusion layer.

また本発明の燃料電池は、燃料吸収層の燃料電極側に配置された層が、燃料吸収層の燃料拡散層側に配置された層よりも液体燃料に対する面方向に関する吸収速度が大きくなるように構成されていることが、好ましい。   Further, in the fuel cell of the present invention, the layer disposed on the fuel electrode side of the fuel absorption layer has a higher absorption rate in the plane direction with respect to the liquid fuel than the layer disposed on the fuel diffusion layer side of the fuel absorption layer. It is preferable that it is comprised.

本発明の燃料電池において、燃料吸収層の燃料電極側に配置された層が、面方向に関し放射状に延びる繊維状材料を含むことが好ましい。この場合、繊維状材料は親水性を有するものであることがより好ましい。   In the fuel cell of the present invention, it is preferable that the layer disposed on the fuel electrode side of the fuel absorption layer includes a fibrous material extending radially in the plane direction. In this case, the fibrous material is more preferably hydrophilic.

本発明の燃料電池は、燃料吸収層の燃料拡散層側に配置された層が、燃料吸収層の燃料電極側に配置された層よりも小さな厚みを有することが好ましい。   In the fuel cell of the present invention, the layer disposed on the fuel diffusion layer side of the fuel absorption layer preferably has a smaller thickness than the layer disposed on the fuel electrode side of the fuel absorption layer.

また本発明の燃料電池は、厚み方向に貫通する1以上の孔を有することが好ましい。
また、本発明の燃料電池は、燃料吸収層の側面が、液体燃料に対し不透性の材料により覆われていることが好ましい。
The fuel cell of the present invention preferably has one or more holes penetrating in the thickness direction.
In the fuel cell of the present invention, the side surface of the fuel absorption layer is preferably covered with a material that is impermeable to liquid fuel.

本発明の燃料電池はまた、燃料吸収層の燃料拡散層側に配置された層の表面に導電性膜が形成されていることが好ましい。   In the fuel cell of the present invention, it is preferable that a conductive film is formed on the surface of the layer disposed on the fuel diffusion layer side of the fuel absorption layer.

本発明の燃料電池によれば、燃料吸収層が燃料拡散層よりも多くの液体燃料を内部に含浸できるように構成されていることで、燃料拡散層または燃料流路から排出されてきた液体燃料を、燃料吸収層にて効率よく吸収し、燃料吸収層から燃料電極に必要な液体燃料を供給でき、これによって燃料電池の出力を向上させることができる。また、燃料吸収層が、厚み方向に関し液体燃料に対する濡れ性の異なる2以上の層を有し、燃料電極側に配置された層が燃料拡散層側に配置された層よりも濡れ性の高い材料で形成されていることにより、燃料吸収層内において、液体燃料の流れの方向を制御することができ、燃料電極への液体燃料の供給が不均一となったり、液体燃料の供給が不足する部分が生じない。これによって、液体燃料を均一かつ効率よく供給でき、出力の向上を図ることができる燃料電池が提供される。   According to the fuel cell of the present invention, the fuel absorption layer is configured to be able to impregnate more liquid fuel than the fuel diffusion layer, so that the liquid fuel discharged from the fuel diffusion layer or the fuel flow path Can be efficiently absorbed in the fuel absorption layer, and the liquid fuel necessary for the fuel electrode can be supplied from the fuel absorption layer, thereby improving the output of the fuel cell. The fuel absorption layer has two or more layers having different wettability with respect to the liquid fuel in the thickness direction, and the layer disposed on the fuel electrode side is higher in wettability than the layer disposed on the fuel diffusion layer side. In the fuel absorption layer, the flow direction of the liquid fuel can be controlled and the supply of the liquid fuel to the fuel electrode becomes uneven or the supply of the liquid fuel is insufficient. Does not occur. As a result, a fuel cell can be provided in which liquid fuel can be supplied uniformly and efficiently, and output can be improved.

図1は、本発明の好ましい一例の燃料電池1を模式的に示す断面図である。本発明の燃料電池1は、燃料電極3と、燃料電極3に隣接して配置された電解質膜4と、電解質膜4を介して燃料電極3と対向して配置された酸化剤電極5とで構成された発電素子2を基本的に備える。本発明の燃料電池1は、上述した基本構成に加え、燃料電極3に液体燃料を供給するための燃料供給機構(図1に示す例では、燃料電極3の電解質膜4と隣接する側とは反対側に設けられた、燃料流路7を有する燃料流路板6)を備え、この燃料供給機構と燃料電極3との間に、燃料供給機構側に配置された燃料拡散層8と、燃料電極3側に配置された燃料吸収層9とが介在された構成を備える。   FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a preferred example fuel cell 1 of the present invention. The fuel cell 1 of the present invention includes a fuel electrode 3, an electrolyte membrane 4 disposed adjacent to the fuel electrode 3, and an oxidant electrode 5 disposed opposite to the fuel electrode 3 through the electrolyte membrane 4. The power generation element 2 configured is basically provided. In addition to the basic configuration described above, the fuel cell 1 of the present invention has a fuel supply mechanism for supplying liquid fuel to the fuel electrode 3 (in the example shown in FIG. 1, the side adjacent to the electrolyte membrane 4 of the fuel electrode 3 is A fuel flow path plate 6) having a fuel flow path 7 provided on the opposite side, a fuel diffusion layer 8 disposed on the fuel supply mechanism side between the fuel supply mechanism and the fuel electrode 3, and a fuel The fuel absorbing layer 9 disposed on the electrode 3 side is interposed.

本発明の燃料電池1における燃料電極3は、金属触媒を含む樹脂層にて実現されるが、従来公知の材料で作製でき、この金属触媒の一例として白金−ルテニウム合金などが用いられるが、その他に、白金と金、白金とオスミウム、白金とロジウムなど合金を用いることができる。また、燃料電極3の樹脂層としては、たとえばパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂が用いられる。   The fuel electrode 3 in the fuel cell 1 of the present invention is realized by a resin layer containing a metal catalyst, but can be made of a conventionally known material, and a platinum-ruthenium alloy or the like is used as an example of the metal catalyst. In addition, alloys such as platinum and gold, platinum and osmium, platinum and rhodium can be used. Further, as the resin layer of the fuel electrode 3, for example, a perfluoroalkyl sulfonic acid resin is used.

本発明の燃料電池1における電解質膜4は、プロトン伝導性の耐熱耐酸性の材料であれば有機材料、無機材料を問わず、従来公知の材料で作製でき、有機系の含フッ素高分子を骨格とするスルホン酸基含有パーフルオロカーボン(ナフィオン117(デュポン社製))が用いられ得る。なお、本発明の燃料電池1における電解質膜4はプロトン伝導性の機能を有するのであれば、他の基材に電解質膜を埋め込んだ構造にて実現されていてもよい。   The electrolyte membrane 4 in the fuel cell 1 of the present invention can be made of a conventionally known material regardless of whether it is an organic material or an inorganic material as long as it is a proton-conductive heat-resistant and acid-resistant material. A sulfonic acid group-containing perfluorocarbon (Nafion 117 (manufactured by DuPont)) can be used. In addition, as long as the electrolyte membrane 4 in the fuel cell 1 of the present invention has a proton-conducting function, it may be realized by a structure in which the electrolyte membrane is embedded in another base material.

また本発明の燃料電池1における酸化剤電極5は、上述した燃料電極3と同様にたとえば、金属触媒を含む樹脂層にて実現されるが、これに限定されるものではなく当分野において従来より広く用いられている適宜の材料にて形成されたものを用いることができる。酸化剤電極5に用いられ得る金属触媒についても、特に限定されるものではなく、たとえば白金、白金−ルテニウム合金、白金−金合金、白金−オスミウム合金、白金−ロジウム合金などが好適に用いられるが、酸化剤電極側ではCOによる被毒の影響が少ないことから、白金で対応し得る。また、酸化剤電極5の形成に用いられる樹脂材料としては、特に限定されるものではなく、従来公知の材料で作製でき、たとえばパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂が用いられる。   Further, the oxidant electrode 5 in the fuel cell 1 of the present invention is realized by, for example, a resin layer containing a metal catalyst, as in the case of the fuel electrode 3 described above. What was formed with the appropriate material used widely can be used. The metal catalyst that can be used for the oxidant electrode 5 is not particularly limited, and platinum, platinum-ruthenium alloy, platinum-gold alloy, platinum-osmium alloy, platinum-rhodium alloy, and the like are preferably used. Since the influence of poisoning by CO is small on the oxidant electrode side, platinum can be used. The resin material used for forming the oxidant electrode 5 is not particularly limited, and can be made of a conventionally known material. For example, a perfluoroalkylsulfonic acid resin is used.

本発明の燃料電池1において、上述した燃料電極3、電解質膜4および酸化剤電極5で構成された発電素子2は、以下のような燃料電池反応により発電する。ます、燃料流路板6から燃料拡散層8および燃料吸収層9を介して燃料電極3に液体燃料(たとえば、メタノール(CH3OH)と水(H2O)との混合物)が供給されると、燃料電極3において液体燃料から陽イオン(たとえば水素イオン(H+))が生成される。この際、陽イオンとともに、電子および排出ガスとしての二酸化炭素が生成する。燃料電極3で生成した陽イオンは、電解質膜4を透過して酸化剤電極5側へと移動する。一方、燃料電極3で生成した電子は、燃料電極3から外部回路(図示せず)を経由して、酸化剤電極5に導かれる。酸化剤電極5に移動した陽イオンは、酸化剤電極5において酸化剤(たとえば酸素(O2))および電子と反応して水を生成する。すなわち、たとえば、液体燃料がメタノール(CH3OH)と水(H2O)との混合物であり、燃料電極3で生成する陽イオンが水素イオン(H+)であり、酸化剤電極5に供給される酸化剤が酸素(O2)である場合には、以下の反応式(1)、(2)に示すような化学反応が起こることになる。 In the fuel cell 1 of the present invention, the power generating element 2 composed of the fuel electrode 3, the electrolyte membrane 4 and the oxidant electrode 5 described above generates power by the following fuel cell reaction. First, liquid fuel (for example, a mixture of methanol (CH 3 OH) and water (H 2 O)) is supplied from the fuel flow path plate 6 to the fuel electrode 3 through the fuel diffusion layer 8 and the fuel absorption layer 9. Then, cations (for example, hydrogen ions (H + )) are generated from the liquid fuel at the fuel electrode 3. At this time, carbon dioxide as an electron and exhaust gas is generated together with the cation. The cations generated at the fuel electrode 3 permeate the electrolyte membrane 4 and move to the oxidant electrode 5 side. On the other hand, electrons generated by the fuel electrode 3 are guided from the fuel electrode 3 to the oxidant electrode 5 via an external circuit (not shown). The cation transferred to the oxidant electrode 5 reacts with the oxidant (for example, oxygen (O 2 )) and electrons at the oxidant electrode 5 to generate water. That is, for example, the liquid fuel is a mixture of methanol (CH 3 OH) and water (H 2 O), and the cation generated at the fuel electrode 3 is hydrogen ion (H + ), which is supplied to the oxidant electrode 5. When the oxidizing agent to be used is oxygen (O 2 ), chemical reactions as shown in the following reaction formulas (1) and (2) occur.

CH3OH+H2O→CO2+6H++6e- (1)
3/2O2+6H++6e-→3H2O (2)
本発明の燃料電池は、上述した燃料電極3に液体燃料を供給するための機構(燃料供給機構)をさらに備える。図1には、一例として、燃料電極3の電解質膜4に隣接する側とは反対側に配置された、燃料流路7を有する燃料流路板6で燃料供給機構を実現した場合が示されている。この場合、燃料流路板6としては、液体燃料に対し透過性を有しない適宜の基板であれば特に制限されるものではなく、たとえば金属基板、シリコン基板、ガラス基板、樹脂基板などを用いて実現することができる。中でも、量産性という観点からは、既存のシリコンデバイス作製プロセスと互換性のあるシリコン基板が好ましく、図1には、微細加工によって燃料流路7が形成されたシリコン基板にて燃料流路板6を実現した例が示されている。なお、燃料流路7は、燃料拡散層8に液体燃料が供給されるような流路を形成しているのであれば、その形状、大きさなどは特に制限されるものではない。また、本発明の燃料電池における燃料供給機構は、図1に示したような燃料流路7を有する燃料流路板6に限定されるものではなく、たとえば、液体燃料の貯蔵槽と隣接し、毛細管作用によって液体燃料を燃料拡散層8にまで運搬し得るような多孔質材料にて実現されていてもよい。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e (1)
3 / 2O 2 + 6H + + 6e → 3H 2 O (2)
The fuel cell of the present invention further includes a mechanism (fuel supply mechanism) for supplying liquid fuel to the fuel electrode 3 described above. FIG. 1 shows, as an example, a case where a fuel supply mechanism is realized by a fuel flow path plate 6 having a fuel flow path 7 disposed on the opposite side of the fuel electrode 3 from the side adjacent to the electrolyte membrane 4. ing. In this case, the fuel flow path plate 6 is not particularly limited as long as it is an appropriate substrate that is not permeable to liquid fuel. For example, a metal substrate, a silicon substrate, a glass substrate, a resin substrate, or the like is used. Can be realized. Among these, from the viewpoint of mass productivity, a silicon substrate compatible with an existing silicon device manufacturing process is preferable. In FIG. 1, a fuel flow path plate 6 is formed of a silicon substrate on which a fuel flow path 7 is formed by microfabrication. An example of realizing is shown. The shape and size of the fuel flow path 7 are not particularly limited as long as the fuel flow path 7 forms a flow path for supplying liquid fuel to the fuel diffusion layer 8. Further, the fuel supply mechanism in the fuel cell of the present invention is not limited to the fuel flow path plate 6 having the fuel flow path 7 as shown in FIG. 1, for example, adjacent to the liquid fuel storage tank, It may be realized by a porous material capable of transporting liquid fuel to the fuel diffusion layer 8 by capillary action.

上述した燃料供給機構と燃料電極3との間の、燃料供給機構側に配置された燃料拡散層8には、たとえば、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、多孔質シリコン、多孔質シリコン酸化物、ニッケルなどの焼結金属、発泡金属などの多孔質材が用いられる。中でも、化学的に安定で、かつ繊維上に触媒を担持することのできるカーボンペーパーにて燃料拡散層8が実現されるのが好ましい。燃料拡散層8は、通常、空孔率が70〜80%程度の材料が用いられる。   The fuel diffusion layer 8 disposed on the fuel supply mechanism side between the fuel supply mechanism and the fuel electrode 3 described above includes, for example, carbon paper, a sintered body of carbon, porous silicon, porous silicon oxide, A porous material such as a sintered metal such as nickel or a foam metal is used. Among them, it is preferable that the fuel diffusion layer 8 is realized by carbon paper that is chemically stable and can carry a catalyst on the fiber. The fuel diffusion layer 8 is usually made of a material having a porosity of about 70 to 80%.

本発明の燃料電池1は、上述した燃料供給機構と燃料電極3との間の、燃料電極3側に配置された燃料吸収層9が、厚み方向に関し液体燃料に対する濡れ性の異なる2以上の層を有し、燃料電極3側に配置された層が燃料拡散層8側に配置された層よりも濡れ性の高い材料で形成され、かつ、燃料吸収層9の全体が燃料拡散層8よりも多くの液体燃料を内部に含浸できるように構成されていることをその大きな特徴とするものである。このような本発明の燃料電池1によれば、燃料吸収層9が燃料拡散層8よりも多くの液体燃料を内部に含浸できるように構成されていることで、燃料拡散層8または燃料流路7から排出されてきた液体燃料を、燃料吸収層9にて効率よく吸収し、燃料吸収層9から燃料電極3に必要な液体燃料を供給でき、これによって燃料電池の出力を向上させることができる。また、燃料吸収層9が厚み方向に関し液体燃料に対する濡れ性の異なる2以上の層を有し、燃料電極3側に配置された層が燃料拡散層8側に配置された層よりも濡れ性の高い材料で形成されていることにより、燃料吸収層9内において、液体燃料の流れの方向を制御することができ、燃料電極3への液体燃料の供給が不均一となったり、液体燃料の供給が不足する部分が生じない。これによって、液体燃料を均一かつ効率よく供給でき、出力の向上を図ることができる燃料電池1が提供される。   In the fuel cell 1 of the present invention, the fuel absorption layer 9 disposed on the fuel electrode 3 side between the fuel supply mechanism and the fuel electrode 3 described above has two or more layers having different wettability with respect to the liquid fuel in the thickness direction. And the layer disposed on the fuel electrode 3 side is made of a material having higher wettability than the layer disposed on the fuel diffusion layer 8 side, and the entire fuel absorption layer 9 is more than the fuel diffusion layer 8. The main feature is that it is configured so that a large amount of liquid fuel can be impregnated therein. According to the fuel cell 1 of the present invention, the fuel absorption layer 9 can be impregnated with more liquid fuel than the fuel diffusion layer 8, so that the fuel diffusion layer 8 or the fuel flow path can be obtained. The liquid fuel discharged from the fuel cell 7 is efficiently absorbed by the fuel absorption layer 9, and the necessary liquid fuel can be supplied from the fuel absorption layer 9 to the fuel electrode 3, thereby improving the output of the fuel cell. . In addition, the fuel absorption layer 9 has two or more layers having different wettability with respect to the liquid fuel in the thickness direction, and the layer disposed on the fuel electrode 3 side is more wettable than the layer disposed on the fuel diffusion layer 8 side. By being formed of a high material, the flow direction of the liquid fuel can be controlled in the fuel absorption layer 9, and the supply of the liquid fuel to the fuel electrode 3 becomes uneven or the supply of the liquid fuel There will be no shortage. As a result, the fuel cell 1 can be provided in which the liquid fuel can be supplied uniformly and efficiently, and the output can be improved.

上述したように、燃料吸収層9は燃料拡散層8よりも多くの液体燃料を内部に含浸し得るように実現される。換言すれば、燃料吸収層9の形成には、液体燃料を吸収および浸透しやすい構造または材料が選択される。具体的には、燃料拡散層のメタノール吸収容量が1.66g/gであるのに対し、燃料吸収層のメタノール吸収容量が4.55g/gである場合が例示される。なお、燃料吸収層9が燃料拡散層8よりも多くの液体燃料を内部に含浸できることは、たとえば燃料吸収層と燃料拡散層に液体燃料を含浸させた前後の重量を測定することで確認することができる。   As described above, the fuel absorption layer 9 is realized so that more liquid fuel can be impregnated inside than the fuel diffusion layer 8. In other words, for the formation of the fuel absorption layer 9, a structure or material that easily absorbs and permeates liquid fuel is selected. Specifically, the fuel absorption layer has a methanol absorption capacity of 1.66 g / g, whereas the fuel absorption layer has a methanol absorption capacity of 4.55 g / g. Note that the fuel absorption layer 9 can be impregnated with more liquid fuel than the fuel diffusion layer 8 by, for example, measuring the weight before and after the fuel absorption layer and the fuel diffusion layer are impregnated with the liquid fuel. Can do.

本発明の燃料電池は、燃料吸収層9は燃料拡散層8よりも液体燃料を含浸し得ることで、燃料拡散層8から不均一に排出されてきた液体燃料が燃料吸収層9により速やかに吸収され、燃料吸収層9に浸透する。また、通常、燃料拡散層8は燃料電極3よりも液体燃料を含浸し得るように構成されるため、燃料吸収層9はこの燃料電極3よりも液体燃料を含浸し得ることになる。これによって、燃料電極3は燃料吸収層9よりも液体燃料を浸透しにくく、液体燃料は一時的に燃料供給層9内に十分な量蓄積されることになり、燃料電極3には、燃料吸収層9に一時的に含浸された液体燃料が供給されることになる。   In the fuel cell of the present invention, the fuel absorption layer 9 can be impregnated with liquid fuel more than the fuel diffusion layer 8, so that the liquid fuel that has been discharged unevenly from the fuel diffusion layer 8 can be absorbed quickly by the fuel absorption layer 9. And penetrates into the fuel absorption layer 9. In general, since the fuel diffusion layer 8 is configured to be impregnated with liquid fuel rather than the fuel electrode 3, the fuel absorption layer 9 can be impregnated with liquid fuel rather than the fuel electrode 3. As a result, the fuel electrode 3 is less likely to penetrate liquid fuel than the fuel absorption layer 9, and a sufficient amount of liquid fuel is temporarily accumulated in the fuel supply layer 9. The liquid fuel temporarily impregnated in the layer 9 will be supplied.

ここで、図2は、本発明の燃料電池1の燃料吸収層9の近傍を一部拡大して示す図である。なお、図2には、便宜上、燃料吸収層9を1つの層として簡略化して示している。上述したように燃料吸収層9は、燃料拡散層8よりも液体燃料が浸透しやすく、また、燃料吸収層9内には一時的に液体燃料が蓄積される。このため、本発明の燃料電池1では、図11,12に示したような燃料吸収層を有しない従来例の燃料電池の場合とは異なり、図2に示すように、燃料流路7の流れの方向に沿った圧損による燃料拡散層8を透過する液体燃料の不均一さの影響を受けにくい。また、燃料電極3に隣接する燃料吸収層9に多くの液体燃料を含むことができるため、燃料電池が高出力で動作し、燃料電極3での反応により多くの液体燃料が消費される状況においても、局所的な液体燃料の供給不足を発生することなく、燃料電極3に均一に液体燃料を供給することができる。また、本発明の燃料電池1では、液体燃料を多く含浸する燃料吸収層9が、燃料拡散層8の燃料電極3側に隣接して設けられていることで、反応生成物であるCO2の排出が阻害されにくいという利点もある。 Here, FIG. 2 is a partially enlarged view showing the vicinity of the fuel absorption layer 9 of the fuel cell 1 of the present invention. In FIG. 2, the fuel absorption layer 9 is simplified as one layer for convenience. As described above, the fuel absorption layer 9 allows the liquid fuel to penetrate more easily than the fuel diffusion layer 8, and the liquid fuel is temporarily accumulated in the fuel absorption layer 9. For this reason, in the fuel cell 1 of the present invention, unlike the conventional fuel cell having no fuel absorbing layer as shown in FIGS. 11 and 12, the flow of the fuel flow path 7 as shown in FIG. It is hard to be influenced by the nonuniformity of the liquid fuel that permeates the fuel diffusion layer 8 due to the pressure loss along the direction of. In addition, since the fuel absorption layer 9 adjacent to the fuel electrode 3 can contain a large amount of liquid fuel, the fuel cell operates at a high output, and a large amount of liquid fuel is consumed due to the reaction at the fuel electrode 3. However, the liquid fuel can be uniformly supplied to the fuel electrode 3 without causing a local supply shortage of the liquid fuel. Further, in the fuel cell 1 of the present invention, the fuel absorption layer 9 impregnated with a large amount of liquid fuel is provided adjacent to the fuel electrode 3 side of the fuel diffusion layer 8, so that CO 2 as a reaction product can be obtained. There is also an advantage that emissions are not easily inhibited.

ここで、図3は、本発明のように燃料吸収層を設けた場合(図中、実線)と、従来例のように燃料吸収層を設けない場合(図中、破線)とについて、燃料電池の出力特性を比較して示すグラフであり、縦軸は出力(a.u.)、横軸は電流(mA)である。図3から、本発明の燃料電池のように燃料吸収層を設けた構成とすることで、燃料電極への液体燃料の均一な供給が実現され、従来例のように燃料吸収層を設けない場合と比較して高い出力が得られることが分かる。なお、図3には、たとえば従来公知で一般的に用いられてなる電流源、電圧計から構成される電池特性測定回路、および液体燃料供給ポンプ(ISMATEC社製)、空気流量調整用のマスフローコントローラ(STEC社製)を用いて測定した結果を示している。   Here, FIG. 3 shows a fuel cell when the fuel absorption layer is provided as in the present invention (solid line in the figure) and when the fuel absorption layer is not provided as in the conventional example (broken line in the figure). Is a graph showing the comparison of output characteristics, wherein the vertical axis represents output (au) and the horizontal axis represents current (mA). As shown in FIG. 3, when the fuel absorption layer is provided as in the fuel cell of the present invention, the liquid fuel is uniformly supplied to the fuel electrode, and the fuel absorption layer is not provided as in the conventional example. It can be seen that a higher output can be obtained than FIG. 3 shows, for example, a conventionally known and generally used current source, a battery characteristic measuring circuit including a voltmeter, a liquid fuel supply pump (manufactured by ISMATEC), and a mass flow controller for adjusting the air flow rate. The result measured using (made by STEC) is shown.

また、燃料拡散層と燃料電極との間に、燃料拡散層よりも多くの液体燃料を内部に含浸できる燃料吸収層が設けられていたとしても、この燃料吸収層が1層のみである場合には、燃料拡散層側から燃料電極側へと向かう方向の液体燃料の安定した流れを得ることが困難である。そこで、本発明の燃料電池では、上述したように、燃料吸収層9が、厚み方向に関し液体燃料に対する濡れ性の異なる2以上の層を有し、燃料電極3側に配置された層が燃料拡散層8側に配置された層よりも濡れ性の高い材料で形成されている。   Further, even when a fuel absorption layer capable of impregnating more liquid fuel than the fuel diffusion layer is provided between the fuel diffusion layer and the fuel electrode, when the fuel absorption layer is only one layer. It is difficult to obtain a stable flow of liquid fuel in the direction from the fuel diffusion layer side to the fuel electrode side. Therefore, in the fuel cell of the present invention, as described above, the fuel absorption layer 9 has two or more layers having different wettability with respect to the liquid fuel in the thickness direction, and the layer disposed on the fuel electrode 3 side is the fuel diffusion layer. It is made of a material having higher wettability than the layer disposed on the layer 8 side.

ここで、図4は、本発明の燃料電池1における燃料吸収層9の近傍を一部拡大して示す図である。図4には、燃料吸収層9が、燃料供給機構側に配置された第1吸収層11と、燃料電極3側に配置された第2吸収層12との2層で実現された場合を示している。なお、本発明における燃料吸収層は、2以上の層であればよく、図4に示すような2層構造に限定されるものではない。図4に示す例では、燃料拡散層8から排出された液体燃料は、まず、燃料拡散層8側に配置された第1吸収層11を透過した後、燃料電極3側に配置された第2吸収層12を透過し、燃料電極3へと運ばれる。この際、第1吸収層が第2吸収層よりも高い濡れ性を有する場合には、第1吸収層から第2吸収層へと液体燃料が透過しにくく、場合によっては第1吸収層から燃料拡散層に液体燃料が逆戻りしてしまうことになる。本発明の燃料電池では、燃料電極3側に配置された第2吸収層12が燃料拡散層8側に配置された第1吸収層11よりも高い濡れ性を有するように構成されるため、第1吸収層11から第2吸収層12へと液体燃料が透過しやすい。また、燃料拡散層8には燃料流路7から液体燃料が送り込まれていることから、通常、燃料拡散層8内は燃料吸収層9内よりも高い圧力に保たれており、第2吸収層12内の圧力が十分に高圧力の状態となることはないため、液体燃料が燃料拡散層8側へと逆戻りすることはない。これにより、液体燃料を、燃料電極3に隣接する燃料吸収層9に効率よく保持することができ、安定した電池出力を有する燃料電池1を実現することができる。さらには、上述のように液体燃料が逆戻りしにくい性質を有することにより、燃料電池を使用する際の設置方向に対する出力依存が少なくなり、燃料電極側を上下のいずれに配置して設置した場合でも一定の出力を得ることができるという利点もある。   Here, FIG. 4 is a partially enlarged view showing the vicinity of the fuel absorbing layer 9 in the fuel cell 1 of the present invention. FIG. 4 shows a case where the fuel absorption layer 9 is realized by two layers of a first absorption layer 11 arranged on the fuel supply mechanism side and a second absorption layer 12 arranged on the fuel electrode 3 side. ing. In addition, the fuel absorption layer in this invention should just be two or more layers, and is not limited to a two-layer structure as shown in FIG. In the example shown in FIG. 4, the liquid fuel discharged from the fuel diffusion layer 8 first passes through the first absorption layer 11 disposed on the fuel diffusion layer 8 side, and then the second fuel disposed on the fuel electrode 3 side. It passes through the absorption layer 12 and is carried to the fuel electrode 3. At this time, if the first absorbent layer has higher wettability than the second absorbent layer, the liquid fuel is difficult to permeate from the first absorbent layer to the second absorbent layer. The liquid fuel returns to the diffusion layer. In the fuel cell of the present invention, the second absorbent layer 12 disposed on the fuel electrode 3 side is configured to have higher wettability than the first absorbent layer 11 disposed on the fuel diffusion layer 8 side. Liquid fuel is likely to permeate from the first absorbent layer 11 to the second absorbent layer 12. In addition, since liquid fuel is fed into the fuel diffusion layer 8 from the fuel flow path 7, the fuel diffusion layer 8 is normally kept at a higher pressure than the fuel absorption layer 9, and the second absorption layer Since the pressure in 12 is not sufficiently high, the liquid fuel does not return to the fuel diffusion layer 8 side. Thereby, the liquid fuel can be efficiently held in the fuel absorption layer 9 adjacent to the fuel electrode 3, and the fuel cell 1 having a stable battery output can be realized. Furthermore, as described above, the liquid fuel has a property that it is difficult to return, so that the output dependency on the installation direction when using the fuel cell is reduced, and even when the fuel electrode side is arranged on either the upper or lower side. There is also an advantage that a constant output can be obtained.

これに対し、燃料拡散層と燃料電極との間に、厚み方向に関し液体燃料に対する濡れ性の異なる2以上の層を有していた場合であっても、燃料吸収層の燃料拡散層側に配置された層が燃料電極側に配置された層よりも液体燃料に対する濡れ性が大きい場合には、液体燃料が、燃料拡散層側に配置された層に保持され、燃料電極側に配置された層に吸収されにくくなってしまうため、燃料電極の直近での液体燃料の量が不足し、電池出力が低下してしまう。また、この場合、燃料吸収層の燃料拡散層側に配置された層は、液体燃料の燃料拡散層への逆流を抑制する機能を果たすことができず、たとえばこれを防止すべく燃料拡散層と燃料流路との界面で液体燃料の逆流を阻止するための層を形成したとしても、液体燃料は燃料拡散層内にまで逆流することになるので、燃料吸収層内に含まれる液体燃料の量が不足してしまう可能性がある。また、燃料拡散層の燃料吸収層と隣接する側の表面に、上述した液体燃料の逆流を抑制するための層を形成することも考えられるが、燃料拡散層は通常、燃料吸収層よりも密な構造を有しており、このため、このような層を形成すると、燃料拡散層から燃料吸収層への液体燃料の移動も阻害されてしまうという問題が生じる。したがって、本発明の燃料電池のように、燃料電極3側に配置された層が燃料拡散層8側に配置された層よりも濡れ性の高い材料で形成されるように燃料吸収層を実現することで、簡便な構成でしかも不具合も起こることなく、上述した効果を発揮できる。   On the other hand, even if there are two or more layers having different wettability with respect to the liquid fuel in the thickness direction between the fuel diffusion layer and the fuel electrode, they are arranged on the fuel diffusion layer side of the fuel absorption layer. When the wetted layer has a higher wettability with respect to the liquid fuel than the layer disposed on the fuel electrode side, the liquid fuel is retained in the layer disposed on the fuel diffusion layer side, and the layer disposed on the fuel electrode side Therefore, the amount of liquid fuel in the immediate vicinity of the fuel electrode is insufficient, and the battery output is reduced. Further, in this case, the layer disposed on the fuel diffusion layer side of the fuel absorption layer cannot perform the function of suppressing the backflow of the liquid fuel to the fuel diffusion layer. For example, in order to prevent this, Even if the layer for preventing the backflow of the liquid fuel is formed at the interface with the fuel flow path, the liquid fuel will flow back into the fuel diffusion layer, so the amount of the liquid fuel contained in the fuel absorption layer May be insufficient. In addition, it is conceivable to form a layer for suppressing the back flow of the liquid fuel described above on the surface of the fuel diffusion layer adjacent to the fuel absorption layer, but the fuel diffusion layer is usually denser than the fuel absorption layer. Therefore, when such a layer is formed, there is a problem that the movement of liquid fuel from the fuel diffusion layer to the fuel absorption layer is also hindered. Therefore, as in the fuel cell of the present invention, the fuel absorption layer is realized so that the layer disposed on the fuel electrode 3 side is formed of a material having higher wettability than the layer disposed on the fuel diffusion layer 8 side. Thus, the above-described effects can be exhibited with a simple configuration and without causing problems.

なお、上述した燃料吸収層の液体燃料に対する「濡れ性」とは、所定量の水滴を水平に設置した当該材料表面に接触させた際の水滴と材料表面とが形成する接触角で一般に評価される(液滴法)性質を指す。すなわち、当該液滴法にて測定された接触角が小さいほど、濡れ性が高いと評価される。本発明の燃料電池1は、燃料電極3側に配置された層が燃料拡散層8側に配置された層よりも濡れ性の高い材料で形成されるように燃料吸収層を実現することによる上述した効果が確実に得られることから、燃料吸収層9において、燃料拡散層8側に配置された第1吸収層11が疎水性を有し、燃料電極3側に配置された第2吸収層12が親水性を有することが、好ましい。ここで、本発明における「親水性」とは、上述した液滴法により測定された接触角が40度以下であることを指し、「疎水性」とは、同様に測定された接触角が90度以上であることを指すものとする。特に好適な場合として、第1吸収層11を接触角100度程度の疎水性の材料(たとえばポリプロピレン、ポリエチレンからなる繊維質材料表面に、疎水性の膜が形成された素材など)にて形成し、第2吸収層12を接触角10度以下の超親水性の材料(たとえばセルロースを主体とする高吸収の繊維質材料など)にて形成する例が挙げられる。   In addition, the “wetting property” of the fuel absorption layer with respect to the liquid fuel is generally evaluated by a contact angle formed between the water droplet and the material surface when a predetermined amount of water droplet is brought into contact with the surface of the material placed horizontally. (Droplet method) property. That is, the smaller the contact angle measured by the droplet method, the higher the wettability. In the fuel cell 1 of the present invention, the above-described fuel absorption layer is realized by forming the layer disposed on the fuel electrode 3 side with a material having higher wettability than the layer disposed on the fuel diffusion layer 8 side. Therefore, in the fuel absorption layer 9, the first absorption layer 11 disposed on the fuel diffusion layer 8 side has hydrophobicity, and the second absorption layer 12 disposed on the fuel electrode 3 side is obtained. It is preferable that has hydrophilicity. Here, “hydrophilic” in the present invention means that the contact angle measured by the above-described droplet method is 40 degrees or less, and “hydrophobic” means that the contact angle measured similarly is 90 °. It means that it is more than degree. As a particularly suitable case, the first absorption layer 11 is formed of a hydrophobic material having a contact angle of about 100 degrees (for example, a material in which a hydrophobic film is formed on the surface of a fibrous material made of polypropylene or polyethylene). An example in which the second absorbent layer 12 is formed of a superhydrophilic material having a contact angle of 10 degrees or less (for example, a highly absorbent fibrous material mainly composed of cellulose) can be given.

本発明の燃料電池1はまた、燃料吸収層9が、燃料拡散層8よりも液体燃料に対する面方向に関する吸収速度が大きくなるように構成されていることが好ましい。本発明において、液体燃料に対する「面方向に関する吸収速度」とは、燃料吸収層9の厚み方向に対し垂直な平面に沿った方向に関する液体燃料の吸収速度を指す。なお、燃料吸収層が、燃料拡散層よりも液体燃料に対する面方向に関する吸収速度が大きくなるように構成されていることは、たとえば2.3cm×0.5cm角の乾燥した燃料拡散層および燃料吸収層の一部をメタノールと接触させ、燃料拡散層および燃料吸収層の全面がメタノールで満たされるまでに要した時間を測定することで確認することができる。具体的には、このようにして測定された時間が燃料拡散層では1分18秒であったのに対し、燃料吸収層では0分2秒であった場合が例示される。このような液体燃料に対する面方向に関する吸収速度の差は、たとえばそれらの層を構成する繊維状材料に濡れ性の異なるものを用いる、異なる形状の繊維状材料を用いる、などすることで調整することができる。   The fuel cell 1 of the present invention is also preferably configured such that the fuel absorption layer 9 has a higher absorption speed in the surface direction with respect to the liquid fuel than the fuel diffusion layer 8. In the present invention, the “absorption rate in the plane direction” with respect to the liquid fuel refers to the absorption rate of the liquid fuel in the direction along the plane perpendicular to the thickness direction of the fuel absorption layer 9. Note that the fuel absorption layer is configured so that the absorption speed in the plane direction with respect to the liquid fuel is larger than that of the fuel diffusion layer. For example, the 2.3 cm × 0.5 cm square dry fuel diffusion layer and the fuel absorption This can be confirmed by contacting a part of the layer with methanol and measuring the time required for the entire surface of the fuel diffusion layer and the fuel absorption layer to be filled with methanol. Specifically, the case where the time measured in this way was 1 minute 18 seconds in the fuel diffusion layer, but 0 minute 2 seconds in the fuel absorption layer is exemplified. Such a difference in the absorption speed with respect to the surface direction with respect to the liquid fuel is adjusted by, for example, using fibrous materials having different wettability for the fibrous materials constituting the layers, or using fibrous materials having different shapes. Can do.

図5は、燃料吸収層9が燃料拡散層8よりも液体燃料に対する吸収速度が大きくなるように構成された場合の、燃料吸収層9の近傍を一部拡大して示す図である。なお、図5には、便宜上、燃料吸収層9を1つの層として簡略化して示している。燃料流路7内の圧力は、燃料流路7の液体燃料の流れに沿った圧損により減少するため、燃料拡散層8を通過する液体燃料の量は、上記方向に関する下流になるほど減少することは上述した。この際、燃料吸収層9が、燃料拡散層8よりも液体燃料に対する面方向に関する吸収速度が大きくなるように構成されていることで、図5に示すように、燃料拡散層8への燃料供給が不均一であっても、燃料拡散層8から多くの燃料を排出させ、液体燃料を素早く燃料吸収層9の面方向に関し均一に吸収させることができる。これによって、燃料電極3の面方向に関し均一に液体燃料を供給することができるようになり、燃料電極3での反応により多くの液体燃料が消費される状況においても、素早く燃料電極3の面方向に関して均一に液体燃料を供給することができる。   FIG. 5 is a partially enlarged view showing the vicinity of the fuel absorption layer 9 when the fuel absorption layer 9 is configured to have a higher absorption rate for liquid fuel than the fuel diffusion layer 8. In FIG. 5, for convenience, the fuel absorption layer 9 is shown as a single layer in a simplified manner. Since the pressure in the fuel flow path 7 decreases due to the pressure loss along the flow of the liquid fuel in the fuel flow path 7, the amount of liquid fuel passing through the fuel diffusion layer 8 does not decrease as it becomes downstream in the above direction. As described above. At this time, the fuel absorption layer 9 is configured so that the absorption speed in the surface direction with respect to the liquid fuel is larger than that of the fuel diffusion layer 8, so that the fuel supply to the fuel diffusion layer 8 is performed as shown in FIG. Even if this is not uniform, a large amount of fuel can be discharged from the fuel diffusion layer 8 and the liquid fuel can be quickly and uniformly absorbed in the surface direction of the fuel absorption layer 9. As a result, the liquid fuel can be supplied uniformly with respect to the surface direction of the fuel electrode 3, and even in a situation where a large amount of liquid fuel is consumed by the reaction at the fuel electrode 3, the surface direction of the fuel electrode 3 can be quickly achieved. The liquid fuel can be supplied uniformly.

ここで、図6は、燃料吸収層が、燃料拡散層よりも液体燃料に対する面方向に関する吸収速度が大きくなるように構成されている場合(図中、実線)と、燃料吸収層と燃料拡散層との液体燃料に対する面方向に関する吸収速度が同等である場合(図中、破線)とについて、燃料電池の出力特性を比較して示すグラフであり、縦軸は出力(a.u.)、横軸は電流(mA)である。図6から、燃料吸収層が燃料拡散層よりも液体燃料に対する面方向に関する吸収速度が大きくなるように構成されている場合には、燃料吸収層と燃料拡散層との液体燃料に対する面方向に関する吸収速度が同等である場合と比較して、高い出力が得られていることが分かる。なお、図6には、たとえば従来公知で一般的に用いられる電流源、電圧計から構成される電池特性測定回路、および液体燃料供給ポンプ(ISMATEC社製)、空気流量調整用のマスフローコントローラ(STEC社製)を用いて測定した結果を示している。   Here, FIG. 6 shows a case where the fuel absorption layer is configured so that the absorption speed in the surface direction with respect to the liquid fuel is larger than that of the fuel diffusion layer (solid line in the figure), and the fuel absorption layer and the fuel diffusion layer. Is a graph showing the comparison of the output characteristics of the fuel cell with respect to the case where the absorption speed in the plane direction with respect to the liquid fuel is equivalent (broken line in the figure), the vertical axis is the output (au), the horizontal The axis is current (mA). From FIG. 6, when the fuel absorption layer is configured so that the absorption speed in the surface direction with respect to the liquid fuel is larger than that in the fuel diffusion layer, the absorption in the surface direction with respect to the liquid fuel between the fuel absorption layer and the fuel diffusion layer. It can be seen that a higher output is obtained compared to the case where the speeds are equal. FIG. 6 shows, for example, a conventionally known and generally used current source, a battery characteristic measuring circuit including a voltmeter, a liquid fuel supply pump (manufactured by ISMATEC), and a mass flow controller (STEC) for adjusting the air flow rate. The results of measurement using a

また本発明の燃料電池は、燃料吸収層の燃料電極側に配置された層が、燃料吸収層の燃料拡散層側に配置された層よりも液体燃料に対する面方向に関する吸収速度が大きくなるように構成されていることが、好ましい。これによって、燃料吸収層内の燃料拡散層側に配置された層から燃料電極側に配置された層へと液体燃料が供給される領域が限定されていた場合であっても、部分的に液体燃料が通過した部分から、燃料吸収層の燃料電極側に配置された層の面方向に関し素早く均一に液体燃料が拡散され、当該燃料電極側に配置された層に液体燃料を確実に吸収させ、保持させることができるという効果が奏される。なお、燃料吸収層の燃料電極側に配置された層が、燃料吸収層の燃料拡散層側に配置された層よりも液体燃料に対する面方向に関する吸収速度が大きくなるように構成されていることは、上述の燃料吸収層と燃料拡散層との場合についてと同様に、全面がメタノールで満たされるまでに要した時間を測定することで確認することができる。このような液体燃料に対する面方向に関する吸収速度の差は、たとえばそれらの層を構成する繊維状材料に濡れ性の異なるものを用いる、異なる形状の繊維状材料を用いる、などすることで調整することができる。   Further, in the fuel cell of the present invention, the layer disposed on the fuel electrode side of the fuel absorption layer has a higher absorption rate in the plane direction with respect to the liquid fuel than the layer disposed on the fuel diffusion layer side of the fuel absorption layer. It is preferable that it is comprised. As a result, even if the region where the liquid fuel is supplied from the layer disposed on the fuel diffusion layer side in the fuel absorption layer to the layer disposed on the fuel electrode side is limited, the liquid is partially Liquid fuel is quickly and uniformly diffused from the portion where the fuel has passed with respect to the surface direction of the layer disposed on the fuel electrode side of the fuel absorption layer, and the liquid fuel is reliably absorbed in the layer disposed on the fuel electrode side, The effect that it can hold | maintain is show | played. Note that the layer disposed on the fuel electrode side of the fuel absorption layer is configured so that the absorption speed in the surface direction with respect to the liquid fuel is greater than the layer disposed on the fuel diffusion layer side of the fuel absorption layer. As in the case of the fuel absorption layer and the fuel diffusion layer described above, it can be confirmed by measuring the time required until the entire surface is filled with methanol. Such a difference in the absorption speed with respect to the surface direction with respect to the liquid fuel is adjusted by, for example, using fibrous materials having different wettability for the fibrous materials constituting the layers, or using fibrous materials having different shapes. Can do.

本発明の燃料電池はまた、燃料吸収層の燃料電極側に配置された層が、面方向に関し放射状に延びる繊維状材料を含むことが好ましい。ここで、図7は、本発明の燃料電池における燃料吸収層の燃料電極側に配置された側に含まれ得る繊維状材料16を模式的に示す図である。上述した燃料吸収層の燃料電極側に配置された層に含まれ得る繊維状材料16は、図7に示されるように、放射状に延びる形状を有しており、この放射状に延びる方向が、燃料吸収層の燃料電極側に配置された層の厚み方向に対し略垂直な平面に平行となるように配置されて、当該燃料吸収層の燃料電極側に配置された層に含まれる。このようにして繊維状材料16が含まれることで、放射状に延びる繊維状材料16によって液体燃料を運搬することができ、当該燃料電極側に配置された層の面方向に関し、より速く液体燃料を拡散することができるようになる。   In the fuel cell of the present invention, it is preferable that the layer disposed on the fuel electrode side of the fuel absorption layer includes a fibrous material extending radially in the plane direction. Here, FIG. 7 is a diagram schematically showing the fibrous material 16 that can be included on the side of the fuel absorption layer of the present invention disposed on the fuel electrode side of the fuel absorption layer. The fibrous material 16 that can be included in the layer disposed on the fuel electrode side of the fuel absorbing layer described above has a radially extending shape as shown in FIG. It is disposed so as to be parallel to a plane substantially perpendicular to the thickness direction of the layer disposed on the fuel electrode side of the absorption layer, and is included in the layer disposed on the fuel electrode side of the fuel absorption layer. By including the fibrous material 16 in this manner, the liquid fuel can be transported by the radially extending fibrous material 16, and the liquid fuel can be transported faster with respect to the surface direction of the layer disposed on the fuel electrode side. Will be able to diffuse.

ここで、図8は、燃料吸収層の燃料電極側に配置された層が、面方向に関し放射状に延びる繊維状材料を含む場合(図中、実線)と、当該繊維状材料を含まない場合(図中、破線)とについて、燃料電池の出力特性を比較して示すグラフであり、縦軸は出力(a.u.)、横軸は電流(mA)である。図8から、燃料吸収層の燃料電極側に配置された層が、面方向に関し放射状に延びる繊維状材料を含む場合には、当該繊維状材料を含まない場合と比較して、高い出力が得られていることが分かる。これは、上述のように繊維状材料により、燃料吸収層の燃料電極側に配置された層が面方向に関し、液体燃料を均一に素早く吸収することができ、燃料電極への液体燃料の供給が促進されたことに起因するものと考えられる。なお、図8には、たとえば従来公知で一般的に用いられる電流源、電圧計から構成される電池特性測定回路、および液体燃料供給ポンプ(ISMATEC社製)、空気流量調整用のマスフローコントローラ(STEC社製)を用いて測定した結果を示している。   Here, FIG. 8 shows a case where the layer disposed on the fuel electrode side of the fuel absorption layer includes a fibrous material extending radially in the plane direction (solid line in the drawing) and a case where the layer does not include the fibrous material ( The broken line in the figure is a graph showing the comparison of the output characteristics of the fuel cell, where the vertical axis is the output (au) and the horizontal axis is the current (mA). From FIG. 8, when the layer disposed on the fuel electrode side of the fuel absorption layer includes a fibrous material extending radially in the plane direction, a higher output can be obtained as compared with the case where the fibrous material is not included. You can see that This is because the layer disposed on the fuel electrode side of the fuel absorption layer as described above can absorb liquid fuel uniformly and quickly with respect to the surface direction, and supply of the liquid fuel to the fuel electrode can be performed. This is thought to be due to the promotion. FIG. 8 shows, for example, a conventionally known and generally used current source, a battery characteristic measuring circuit including a voltmeter, a liquid fuel supply pump (manufactured by ISMATEC), and a mass flow controller (STEC) for adjusting the air flow rate. The results of measurement using a

また本発明の燃料電池においては、上述した繊維状材料16が親水性を有していることが好ましい。ここで、「親水性」とは、上述と同様、液滴法により測定された接触角が40度以下であることを指す。このように親水性を有する上記繊維状材料16が燃料吸収層の燃料電極側に配置された層に含まれていることによって、燃料吸収層の燃料拡散層側に配置された層と燃料電極側に配置された層とが全面ではなく部分的に接しているような状態であっても、当該繊維状材料16の表面を液体燃料が伝播しやすいため、燃料拡散層側に配置された層から燃料電極側に配置された層へと液体燃料を円滑に運搬することができる。   In the fuel cell of the present invention, it is preferable that the fibrous material 16 described above has hydrophilicity. Here, “hydrophilic” indicates that the contact angle measured by the droplet method is 40 degrees or less, as described above. By including the hydrophilic fibrous material 16 in the layer disposed on the fuel electrode side of the fuel absorption layer in this manner, the layer disposed on the fuel diffusion layer side of the fuel absorption layer and the fuel electrode side Even in a state where the layer disposed on the surface of the fibrous material 16 is in partial contact with the entire surface, the liquid fuel easily propagates on the surface of the fibrous material 16, so that the layer disposed on the fuel diffusion layer side The liquid fuel can be smoothly conveyed to the layer disposed on the fuel electrode side.

上述した燃料吸収層の燃料電極側に配置された層に含まれ得る(好ましくは親水性を有する)繊維状材料としては、具体的には、セルロースを主体とする高吸収の繊維状材料を用いることが好ましい。このような繊維状材料は、たとえば、上述した材料にて形成された細い繊維を複数本束ねることによって形成することができる。なお、繊維状材料は、表面に繊維方向に沿った微細な凹凸部を有していることが好ましく、このような凹凸部を有していることで、液体燃料が溝のように凹部に沿って運搬され得、液体燃料の吸収がさらに円滑となる。   Specifically, as the fibrous material (preferably having hydrophilicity) that can be included in the layer disposed on the fuel electrode side of the fuel absorbing layer described above, a highly absorbing fibrous material mainly composed of cellulose is used. It is preferable. Such a fibrous material can be formed, for example, by bundling a plurality of thin fibers formed of the materials described above. In addition, it is preferable that the fibrous material has a fine uneven portion on the surface along the fiber direction, and by having such an uneven portion, the liquid fuel extends along the recessed portion like a groove. The liquid fuel can be absorbed more smoothly.

また本発明の燃料電池は、燃料吸収層の燃料拡散層側に配置された層が、燃料吸収層の燃料電極側に配置された層よりも小さな厚みを有することが、好ましい。燃料吸収層の燃料電極側に配置された層は、液体燃料を含浸できればよいが、厚みが大きい方がより多くの液体燃料を保持でき、多くの液体燃料が保持できることは電池として高出力につながる。燃料吸収層の燃料電極側に配置された層の好ましい厚みは50μm以上である。燃料吸収層の燃料拡散層側に配置された層は、燃料電極側に配置された層と比較して液体燃料に対する濡れ性が低いことで、厚みが小さくとも、液体燃料の逆流を防止する機能を果たすことができる。また、燃料吸収層の燃料拡散層側に配置された層は、厚みが過剰であると、燃料の透過が困難となる。一例として、燃料吸収層の燃料拡散層側に配置された層の層厚としては5μm以上50μm未満などが挙げられる。たとえば微細なデバイスに用いられる燃料電池の一例としては、燃料吸収層として使用可能な厚みが200μm以下であることから、燃料吸収層として使用可能な厚みが限定されるような燃料電池に適用する場合には、燃料吸収層の燃料拡散層側に配置された層の厚みを小さくすることで、限られた厚みを効率よく使用することができる。   In the fuel cell of the present invention, it is preferable that the layer disposed on the fuel diffusion layer side of the fuel absorption layer has a smaller thickness than the layer disposed on the fuel electrode side of the fuel absorption layer. The layer disposed on the fuel electrode side of the fuel absorption layer only needs to be able to impregnate the liquid fuel, but the larger the thickness, the more liquid fuel can be held, and the more liquid fuel that can be held leads to high output as a battery. . The preferred thickness of the layer disposed on the fuel electrode side of the fuel absorption layer is 50 μm or more. The layer arranged on the fuel diffusion layer side of the fuel absorption layer has a low wettability with respect to the liquid fuel as compared with the layer arranged on the fuel electrode side. Can be fulfilled. Further, if the thickness of the layer disposed on the fuel diffusion layer side of the fuel absorption layer is excessive, it becomes difficult to permeate the fuel. As an example, the layer thickness of the layer disposed on the fuel diffusion layer side of the fuel absorption layer may be 5 μm or more and less than 50 μm. For example, as an example of a fuel cell used for a fine device, since the thickness usable as a fuel absorption layer is 200 μm or less, it is applied to a fuel cell in which the thickness usable as a fuel absorption layer is limited. In this case, a limited thickness can be efficiently used by reducing the thickness of the layer disposed on the fuel diffusion layer side of the fuel absorption layer.

また本発明の燃料電池は、燃料吸収層が厚み方向に貫通する1以上の孔を有することが好ましい。図1には、燃料吸収層9が燃料拡散層8側に配置された第1吸収層11と燃料電極3側に配置された第2吸収層12と、当該第2吸収層12の表面に形成された導電性膜26(後述)を有し、さらに、燃料吸収層9を厚み方向に貫通する複数の貫通孔21が形成された例が示されている。上述したように、燃料電極3での反応では二酸化炭素が発生するが、この二酸化炭素は、上述した貫通孔が形成されていない場合には、燃料吸収層の空隙(たとえば燃料吸収層を形成する繊維状材料の隙間)などから排出されることになる。図1に示す構成では、燃料吸収層9に上述した貫通孔21が形成されていることで、当該貫通孔21を通して排出口(図示せず)から燃料電池外に二酸化炭素を多量に排出しやすくなる。これによって、上述した貫通孔が形成されていない場合とは異なり、高電流で電池を動作させ、生成する二酸化炭素の量が増えても、二酸化炭素を滞りなく排出できるという利点がある。   In the fuel cell of the present invention, it is preferable that the fuel absorption layer has one or more holes penetrating in the thickness direction. In FIG. 1, the fuel absorption layer 9 is formed on the surface of the first absorption layer 11 disposed on the fuel diffusion layer 8 side, the second absorption layer 12 disposed on the fuel electrode 3 side, and the second absorption layer 12. An example is shown in which a plurality of through-holes 21 that have a conductive film 26 (described later) and that penetrate the fuel absorption layer 9 in the thickness direction are formed. As described above, carbon dioxide is generated in the reaction at the fuel electrode 3, but this carbon dioxide forms a void in the fuel absorption layer (for example, forms a fuel absorption layer) when the above-described through hole is not formed. It is discharged from the gap between the fibrous materials. In the configuration shown in FIG. 1, since the through-hole 21 described above is formed in the fuel absorption layer 9, a large amount of carbon dioxide is easily discharged from the discharge port (not shown) to the outside of the fuel cell through the through-hole 21. Become. Thus, unlike the case where the above-described through holes are not formed, there is an advantage that even when the battery is operated at a high current and the amount of generated carbon dioxide increases, carbon dioxide can be discharged without delay.

本発明の燃料電池はまた、燃料吸収層の側面が、液体燃料に対し不透性の材料により覆われていることが好ましい。上述してきたように燃料吸収層は多くの量の液体燃料を含むが、このため燃料吸収層の側面側から液体燃料が漏れてしまう可能性がある。この場合、液体燃料の利用効率が下がるだけでなく、燃料電極周辺から電解質膜内への液体燃料のクロスオーバーの原因となる。燃料吸収層の側面が液体燃料に対し不透性の材料により覆われていることで、このような液体燃料の漏れを防止することができるようになる。なお、燃料吸収層の側面を覆う材料としては、液体燃料に対し不透性であれば特に制限されないが、たとえばポリジメチルシロキサン(PDMS)、フルオロカーボンなどが挙げられ、これらの材料で形成された層状物または膜状物にて燃料吸収層の側面を覆うようにすることが好ましい。   In the fuel cell of the present invention, the side surface of the fuel absorption layer is preferably covered with a material impermeable to liquid fuel. As described above, the fuel absorption layer contains a large amount of liquid fuel, but there is a possibility that the liquid fuel leaks from the side surface side of the fuel absorption layer. In this case, not only the utilization efficiency of the liquid fuel is lowered, but also a crossover of the liquid fuel from the periphery of the fuel electrode into the electrolyte membrane is caused. Since the side surface of the fuel absorption layer is covered with a material that is impermeable to the liquid fuel, such leakage of the liquid fuel can be prevented. The material for covering the side surface of the fuel absorption layer is not particularly limited as long as it is impermeable to liquid fuel, and examples thereof include polydimethylsiloxane (PDMS), fluorocarbon, and the like, and a layer formed of these materials. It is preferable to cover the side surface of the fuel absorption layer with an object or a film-like object.

さらに、本発明の燃料電池は、燃料吸収層の燃料電極側に配置された層の表面に導電性膜が形成されていることが好ましい。上述したように図1には、燃料吸収層9の燃料電極3側に配置された第2吸収層12の表面に導電性膜26が形成された例が示されている。従来の燃料電池では、燃料電池反応によって生成した電荷は、燃料拡散層または燃料電極を利用、または導電性のメッシュを燃料電極上に導入することによって集電されているのが現状である。しかしながら、通常用いられるカーボンシートなどによる燃料拡散層、燃料電極では電気抵抗値が高いという問題がある。また、導電性のメッシュを導入すると、燃料電極と燃料拡散層との接触が悪くなり、液体燃料の供給が妨げられるなどの問題が考えられる。このため、図1の例のように、燃料吸収層9の燃料電極3側に配置された層(第2吸収層12)の表面に導電性膜26が形成してなることで、当該導電性膜26が燃料電池反応によって生成した電荷を集める集電極の役割を果たすことができ、上述したような不具合を生じることはない。   Furthermore, in the fuel cell of the present invention, it is preferable that a conductive film is formed on the surface of the layer disposed on the fuel electrode side of the fuel absorption layer. As described above, FIG. 1 shows an example in which the conductive film 26 is formed on the surface of the second absorption layer 12 disposed on the fuel electrode 3 side of the fuel absorption layer 9. In the conventional fuel cell, the charge generated by the fuel cell reaction is currently collected by using a fuel diffusion layer or a fuel electrode or by introducing a conductive mesh on the fuel electrode. However, there is a problem that the electric resistance value is high in a fuel diffusion layer and a fuel electrode made of carbon sheets or the like that are usually used. In addition, when a conductive mesh is introduced, the contact between the fuel electrode and the fuel diffusion layer is deteriorated, and there is a problem that the supply of liquid fuel is hindered. For this reason, as in the example of FIG. 1, the conductive film 26 is formed on the surface of the layer (second absorption layer 12) disposed on the fuel electrode 3 side of the fuel absorption layer 9. The membrane 26 can serve as a collecting electrode for collecting electric charges generated by the fuel cell reaction, and does not cause the above-described problems.

導電性膜26を形成する材料としては、膜状に形成し得る導電性を有する材料であれば特に制限されるものではないが、たとえばAu、Pt、Ru、Rh、Irなどの貴金属材料、またはこれらの合金、またはこれらの金属元素の導電性酸化物を用いることで、特に長期的に特性の安定した導電性膜を得ることができ、燃料電池の性能の安定に寄与し得るため、好ましい。なお、導電性膜26の厚みについては特に制限されないが、導電性膜が微視的には、燃料吸収層を構成する繊維表面を覆うように形成されており、導電性膜が厚くなるほど、液体燃料の吸収容量が減少する可能性があることから、導電性膜の層厚は燃料吸収層厚の半分以下であることが好ましい。   The material for forming the conductive film 26 is not particularly limited as long as it is a conductive material that can be formed into a film shape. For example, a noble metal material such as Au, Pt, Ru, Rh, and Ir, or Use of these alloys or conductive oxides of these metal elements is preferable because a conductive film having stable characteristics can be obtained particularly in the long term and can contribute to the stability of the performance of the fuel cell. The thickness of the conductive film 26 is not particularly limited, but microscopically, the conductive film is formed so as to cover the fiber surface constituting the fuel absorption layer, and the thicker the conductive film, the more liquid Since the fuel absorption capacity may be reduced, the thickness of the conductive film is preferably less than half the fuel absorption layer thickness.

本発明の燃料電池は、上述してきたように、燃料拡散層と燃料電極との間に特定の燃料吸収層を介在させてなる構成に特徴を有するものであり、当該特徴以外の構成については特に制限されるものではなく、従来公知の適宜の構成を採用することができる。たとえば、図1には、酸化剤電極5の電解質膜4と隣接する側とは反対の側は、酸化剤を供給する機構(酸化剤供給機構)として酸化剤流路32が形成された酸化剤流路板31が、酸化剤拡散層33を介して設けられた例の燃料電池1が示されている。   As described above, the fuel cell of the present invention has a feature in a configuration in which a specific fuel absorption layer is interposed between the fuel diffusion layer and the fuel electrode. The present invention is not limited, and a conventionally known appropriate configuration can be adopted. For example, in FIG. 1, the side of the oxidant electrode 5 opposite to the side adjacent to the electrolyte membrane 4 is an oxidant in which an oxidant channel 32 is formed as a oxidant supply mechanism (oxidant supply mechanism). The fuel cell 1 of the example in which the flow-path board 31 was provided through the oxidizing agent diffusion layer 33 is shown.

酸化剤流路板31としては、金属基板、シリコン基板、ガラス基板、樹脂基板など液体および酸化剤である酸素に対する透過性を有しない材料が使用可能であり、たとえば上述した燃料流路板6と同様に、酸化剤流路32を微細加工により形成したシリコン基板を好適に用いることができる。また、酸化剤流路を有さず、大気が透過できる空孔が形成された板状物を酸化剤供給機構として用いても勿論よい。   As the oxidant flow path plate 31, a material that is not permeable to liquid and oxygen, which is an oxidant, such as a metal substrate, a silicon substrate, a glass substrate, and a resin substrate can be used. Similarly, a silicon substrate in which the oxidant flow path 32 is formed by fine processing can be suitably used. Of course, a plate-like object that does not have an oxidant flow path and is formed with holes through which air can pass may be used as the oxidant supply mechanism.

また酸化剤拡散層33としては、上述した燃料拡散層8と同様、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、多孔質シリコン、多孔質シリコン酸化物、ニッケルなどの焼結金属、発泡金属などの多孔質材を用いることができるが、これらに制限されるものではない。なお、上述した燃料電池反応で酸化剤電極5において生成した水は、この酸化剤拡散層33内を拡散し、排出口(図示せず)から燃料電池外に排出される。   Further, as the oxidant diffusion layer 33, as with the fuel diffusion layer 8 described above, carbon paper, a sintered body of carbon, porous silicon, porous silicon oxide, sintered metal such as nickel, and porous material such as foam metal. The material can be used, but is not limited thereto. In addition, the water produced | generated in the oxidant electrode 5 by the fuel cell reaction mentioned above diffuses in this oxidant diffusion layer 33, and is discharged | emitted out of a fuel cell from a discharge port (not shown).

本発明の燃料電池は、上述したような特徴を有するものであれば、その製造方法は特に制限されるものではない。ここで、図9は、燃料流路板6を作製する方法を段階的に示す図である。本発明の燃料電池に用いられる燃料流路板6および酸化剤流路板31は、燃料流路板6についての例を図9に示すように、適宜の基板材料41(図9(a))に、公知のフォトリソグラフィおよびDeep−RIE法を用いて微細加工を施して燃料流路7(または酸化剤流路32)を形成する(図9(b))ことで、作製することができる。   If the fuel cell of this invention has the above characteristics, the manufacturing method will not be restrict | limited in particular. Here, FIG. 9 is a figure which shows the method of producing the fuel flow-path board 6 in steps. The fuel flow path plate 6 and the oxidant flow path plate 31 used in the fuel cell according to the present invention are formed of an appropriate substrate material 41 (FIG. 9A) as shown in FIG. Further, the fuel channel 7 (or the oxidant channel 32) is formed by performing microfabrication using known photolithography and Deep-RIE methods (FIG. 9B).

また図10は、図1に示した燃料吸収層9を作製する方法を段階的に示す図である。燃料吸収層9の燃料拡散層8側に配置される層(図1に示す例では第1吸収層11)は、たとえばポリプロピレン、ポリエチレンなどからなる繊維質材料を用いて形成することができる。また燃料吸収層9の燃料電極3側に配置される層(図1に示す例では第2吸収層12)は、セルロースを主体とした材料からなる繊維質材料を用いて形成される。これらの層を、たとえば特開平8−066425号公報(参考文献1)などに記載された公知の方法を用いて積層させる(図10(a))。次に、第1吸収層11と第2吸収層12との積層体に、公知のレーザアブレーション法、パンチング、ドリルなどの機械的穿孔手段を用いて厚み方向に貫通する1以上の貫通孔21を形成する(図10(b))。さらに、第2吸収層12の表面に、たとえはAuなどの導電性を有する材料を公知のスパッタリング法などによって堆積させて導電性膜26を形成する(図10(c))。なお、第2吸収層12を形成する繊維材料は、導電性膜26を形成する表面の密度が内部よりも高いことが好ましく、これによってスパッタされた金属粒子が必要以上に繊維質材料の奥深くまで入り込むのを阻止しつつ、高い導電性が得られるという利点がある。   FIG. 10 is a diagram showing in steps the method for producing the fuel absorbing layer 9 shown in FIG. The layer (the first absorption layer 11 in the example shown in FIG. 1) disposed on the fuel diffusion layer 8 side of the fuel absorption layer 9 can be formed using a fibrous material made of, for example, polypropylene, polyethylene or the like. Further, a layer (second absorbing layer 12 in the example shown in FIG. 1) disposed on the fuel electrode 3 side of the fuel absorbing layer 9 is formed using a fibrous material made of a material mainly composed of cellulose. These layers are laminated by using a known method described in, for example, JP-A-8-066425 (Reference 1) (FIG. 10A). Next, one or more through-holes 21 penetrating in the thickness direction using a known laser ablation method, punching, drilling or other mechanical punching means are formed in the laminate of the first absorption layer 11 and the second absorption layer 12. It forms (FIG.10 (b)). Further, a conductive material such as Au is deposited on the surface of the second absorption layer 12 by a known sputtering method or the like to form a conductive film 26 (FIG. 10C). In addition, it is preferable that the fiber material which forms the 2nd absorption layer 12 has the density of the surface which forms the electroconductive film 26 higher than the inside, and the metal particle sputter | spattered by this to the depth of a fiber material more than necessary. There is an advantage that high conductivity can be obtained while preventing entry.

なお、上述したような金属材料を層状に形成してそれぞれ形成した燃料電極3および酸化剤電極5を、電解質膜4を介して対向するように配置して積層させて発電素子2を作製し、さらに、上述のように作製された燃料吸収層9、一般的なカーボンペーパーなどを用いて形成した燃料拡散層8および酸化剤拡散層33、上述のように作製された燃料流路板6および酸化剤流路板31を順次積層することで、図1に示したような本発明の燃料電池1を製造することができる。   The fuel electrode 3 and the oxidant electrode 5 that are formed by laminating the metal materials as described above are arranged so as to face each other with the electrolyte membrane 4 therebetween, and the power generation element 2 is manufactured. Furthermore, the fuel absorption layer 9 manufactured as described above, the fuel diffusion layer 8 and the oxidant diffusion layer 33 formed using general carbon paper, the fuel flow path plate 6 manufactured as described above and the oxidation By sequentially laminating the agent flow path plates 31, the fuel cell 1 of the present invention as shown in FIG. 1 can be manufactured.

本発明の好ましい一例の燃料電池1を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the fuel cell 1 of a preferable example of this invention. 本発明の燃料電池1の燃料吸収層9の近傍を一部拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the vicinity of the fuel absorption layer 9 of the fuel cell 1 of this invention partially. 本発明のように燃料吸収層を設けた場合(図中、実線)と、従来例のように燃料吸収層を設けない場合(図中、破線)とについて、燃料電池の出力特性を比較して示すグラフであり、縦軸は出力(a.u.)、横軸は電流(mA)である。When the fuel absorption layer is provided as in the present invention (solid line in the figure) and when the fuel absorption layer is not provided as in the conventional example (broken line in the figure), the output characteristics of the fuel cell are compared. The vertical axis represents output (au), and the horizontal axis represents current (mA). 本発明の燃料電池1の燃料吸収層9の近傍を一部拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the vicinity of the fuel absorption layer 9 of the fuel cell 1 of this invention partially. 燃料吸収層9が燃料拡散層8よりも液体燃料に対する吸収速度が大きくなるように構成された場合の、燃料吸収層9の近傍を一部拡大して示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a part of the vicinity of the fuel absorption layer 9 in an enlarged manner when the fuel absorption layer 9 is configured to have a higher absorption rate for liquid fuel than the fuel diffusion layer 8. 燃料吸収層が、燃料拡散層よりも液体燃料に対する面方向に関する吸収速度が大きくなるように構成されている場合(図中、実線)と、燃料吸収層と燃料拡散層との液体燃料に対する面方向に関する吸収速度が同等でるある場合(図中、破線)とについて、燃料電池の出力特性を比較して示すグラフであり、縦軸は出力(a.u.)、横軸は電流(mA)である。When the fuel absorption layer is configured so that the absorption speed in the surface direction with respect to the liquid fuel is larger than the fuel diffusion layer (solid line in the figure), the surface direction with respect to the liquid fuel between the fuel absorption layer and the fuel diffusion layer Is a graph showing a comparison of the output characteristics of the fuel cell with respect to the case where the absorption rate is equivalent (broken line in the figure), where the vertical axis is output (au) and the horizontal axis is current (mA). is there. 本発明の燃料電池における燃料吸収層の燃料電極側に配置された側に含まれ得る繊維状材料16を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the fibrous material 16 which may be contained in the side arrange | positioned at the fuel electrode side of the fuel absorption layer in the fuel cell of this invention. 燃料吸収層の燃料電極側に配置された層が、面方向に関し放射状に延びる繊維状材料を含む場合(図中、実線)と、当該繊維状材料を含まない場合(図中、破線)とについて、燃料電池の出力特性を比較して示すグラフであり、縦軸は出力(a.u.)、横軸は電流(mA)である。When the layer arranged on the fuel electrode side of the fuel absorption layer includes a fibrous material extending radially in the plane direction (solid line in the figure) and when not including the fibrous material (broken line in the figure) FIG. 5 is a graph showing comparison of output characteristics of fuel cells, where the vertical axis represents output (au) and the horizontal axis represents current (mA). 燃料流路板6を作製する方法を段階的に示す図である。It is a figure which shows the method of producing the fuel flow-path board 6 in steps. 図1に示した燃料吸収層9を作製する方法を段階的に示す図である。It is a figure which shows the method of producing the fuel absorption layer 9 shown in FIG. 1 in steps. 従来の典型的な燃料電池の一例として、たとえば特開2003−86192号公報に開示されたような固体高分子型燃料電池101を模式的に示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a solid polymer fuel cell 101 as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-86192 as an example of a conventional typical fuel cell. 図11に示した従来例の固体高分子型燃料電池101の燃料拡散層110近傍を一部拡大して示す図である。FIG. 12 is a partially enlarged view showing the vicinity of a fuel diffusion layer 110 of the polymer electrolyte fuel cell 101 of the conventional example shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池、2 発電素子、3 燃料電極、4 電解質膜、5 酸化剤電極、6 燃料流路板、7 燃料流路、8 燃料拡散層、9 燃料吸収層、11 第1吸収層、12 第2吸収層、16 繊維状材料、21 貫通孔、26 導電性膜、31 酸化剤流路板、32 酸化剤流路、33 酸化剤拡散層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell, 2 Power generation element, 3 Fuel electrode, 4 Electrolyte membrane, 5 Oxidant electrode, 6 Fuel flow path plate, 7 Fuel flow path, 8 Fuel diffusion layer, 9 Fuel absorption layer, 11 1st absorption layer, 12 1st 2 absorbent layers, 16 fibrous material, 21 through-hole, 26 conductive film, 31 oxidant flow path plate, 32 oxidant flow path, 33 oxidant diffusion layer.

Claims (9)

液体燃料から陽イオンを生成する燃料電極と、
燃料電極に隣接して配置され、燃料電極からの陽イオンが透過する電解質膜と、
電解質膜を介して燃料電極と対向して配置され、電解質膜を透過した陽イオンと酸化剤とを反応させる酸化剤電極と、
燃料電極に液体燃料を供給するための燃料供給機構と、
燃料電極と燃料供給機構との間に介在され、燃料供給機構側に配置された燃料拡散層および燃料電極側に配置された燃料吸収層とを備え、
燃料吸収層が、厚み方向に関して液体燃料に対する濡れ性の異なる2以上の層を有し、燃料電極側に配置された層が燃料拡散層側に配置された層よりも濡れ性の高い材料で形成され、かつ、燃料拡散層よりも多くの液体燃料を内部に含浸できるように構成されている、燃料電池。
A fuel electrode that generates cations from liquid fuel;
An electrolyte membrane disposed adjacent to the fuel electrode and permeable to cations from the fuel electrode;
An oxidant electrode disposed opposite to the fuel electrode through the electrolyte membrane and reacting the cation and permeate the electrolyte membrane with the oxidant;
A fuel supply mechanism for supplying liquid fuel to the fuel electrode;
A fuel diffusion layer disposed between the fuel electrode and the fuel supply mechanism, disposed on the fuel supply mechanism side, and a fuel absorption layer disposed on the fuel electrode side;
The fuel absorption layer has two or more layers having different wettability with respect to the liquid fuel in the thickness direction, and the layer disposed on the fuel electrode side is formed of a material having higher wettability than the layer disposed on the fuel diffusion layer side. And a fuel cell configured to be able to impregnate more liquid fuel than the fuel diffusion layer.
燃料吸収層が、燃料拡散層よりも液体燃料に対する面方向に関する吸収速度が大きくなるように構成されている、請求項1に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel absorption layer is configured to have a higher absorption rate in a plane direction with respect to the liquid fuel than the fuel diffusion layer. 燃料吸収層の燃料電極側に配置された層が、燃料吸収層の燃料拡散層側に配置された層よりも液体燃料に対する面方向に関する吸収速度が大きくなるように構成されている、請求項1または2に記載の燃料電池。   The layer disposed on the fuel electrode side of the fuel absorption layer is configured such that the absorption speed in the surface direction with respect to the liquid fuel is larger than the layer disposed on the fuel diffusion layer side of the fuel absorption layer. Or the fuel cell of 2. 燃料吸収層の燃料電極側に配置された層が、面方向に関し放射状に延びる繊維状材料を含む、請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the layer disposed on the fuel electrode side of the fuel absorption layer includes a fibrous material extending radially in the plane direction. 繊維状材料が親水性を有する、請求項4に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 4, wherein the fibrous material has hydrophilicity. 燃料吸収層の燃料拡散層側に配置された層は、燃料吸収層の燃料電極側に配置された層よりも小さな厚みを有する、請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the layer disposed on the fuel diffusion layer side of the fuel absorption layer has a smaller thickness than the layer disposed on the fuel electrode side of the fuel absorption layer. 燃料吸収層が、厚み方向に貫通する1以上の孔を有する、請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel absorption layer has one or more holes penetrating in the thickness direction. 燃料吸収層の側面が、液体燃料に対し不透性の材料により覆われている、請求項1〜7のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein a side surface of the fuel absorption layer is covered with a material impermeable to liquid fuel. 燃料吸収層の燃料拡散層側に配置された層の表面に導電性膜が形成されている、請求項1〜8のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein a conductive film is formed on a surface of a layer disposed on the fuel diffusion layer side of the fuel absorption layer.
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