JP2009110711A - Fuel cell and manufacturing method of fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell and a manufacturing method of a fuel cell enabling improvement in an output as well as in fuel efficiency. <P>SOLUTION: The fuel cell is provided with a membrane electrode assembly 2 having an electrolyte membrane 17, a plurality of anodes 13 arranged on one face 17A of the electrolyte membrane 17, and a plurality of cathodes 16 arranged on the other face 17B of the electrolyte membrane 17 opposed to the respective anodes 13. The electrolyte membrane 17 is provided, at least partially, with first areas 171 each pinched by the anode 13 and the cathode 16, and second areas 172 reformed and exposed from the anodes 13 and the cathodes 16. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は、液体燃料を用いた燃料電池及び燃料電池の製造方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell using a liquid fuel and a method for manufacturing the fuel cell.

近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。   In recent years, attempts have been made to use a fuel cell as a power source for portable electronic devices such as notebook computers and mobile phones so that they can be used for a long time without being charged. A fuel cell is characterized in that it can generate electric power simply by supplying fuel and air, and can generate electric power continuously for a long time if fuel is replenished. For this reason, if the fuel cell can be reduced in size, it can be said that the system is extremely advantageous as a power source for portable electronic devices.

例えば、メタノールを燃料として用いた直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。DMFCにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。   For example, a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol as a fuel can be reduced in size and can be easily handled, and thus is regarded as a promising power source for portable electronic devices. Yes. As the liquid fuel supply method in the DMFC, there are known an active method such as a gas supply type and a liquid supply type, and a passive method such as an internal vaporization type in which the liquid fuel in the fuel container is vaporized inside the cell and supplied to the fuel electrode. It has been.

このような燃料電池は、高分子電解質膜を介してアノード(燃料極)及びカソード(空気極)を対向配置した膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)を備えている。より詳しく説明すると、各電極は、ガス拡散層及び触媒層を備えて構成され、触媒層を高分子電解質膜に接合されている。アノードにおいては、燃料であるメタノールが酸化分解され、二酸化炭素、プロトンおよび電子が生成される。一方、カソードにおいては、空気から得られる酸素と、電解質膜を経てアノードから供給されたプロトン、及び、アノードから外部回路を通じて供給される電子によって水が生成される。また、この外部回路を通る電子によって、電力が供給されることになる。   Such a fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) in which an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode) are arranged to face each other with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween. More specifically, each electrode includes a gas diffusion layer and a catalyst layer, and the catalyst layer is joined to the polymer electrolyte membrane. At the anode, methanol as a fuel is oxidatively decomposed to generate carbon dioxide, protons and electrons. On the other hand, in the cathode, water is generated by oxygen obtained from air, protons supplied from the anode through the electrolyte membrane, and electrons supplied from the anode through an external circuit. In addition, power is supplied by electrons passing through the external circuit.

このような膜電極接合体において、高出力を得るために、同一平面上に複数の単位電池を所定間隔で隣接して配置して、これらを直接に接続する構成が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   In such a membrane electrode assembly, in order to obtain high output, a configuration has been proposed in which a plurality of unit cells are arranged adjacent to each other at a predetermined interval on the same plane and these are directly connected (for example, Patent Document 1).

このような単位電池を所定間隔で隣接して配置した場合、隣り合う単位電池の電極同士が短絡しないよう、極端に近接して配置することができない。   When such unit cells are disposed adjacent to each other at a predetermined interval, they cannot be disposed extremely close to each other so that the electrodes of the adjacent unit cells are not short-circuited.

ところで、電解質膜がパーフルオロスルホン酸重合体のような固体高分子膜などによって構成された場合、メタノールなどの液体燃料が電解質膜を透過してカソード側に至るクロスオーバ現象を生じることがある。特に、同一電解質膜に複数の単位電池を配置した構成では、単位電池間の隙間からの燃料の透過が無視できなくなる。このように電解質膜を透過する燃料は、発電反応に寄与しないため、燃料の利用効率を低下させる要因となり得る。   By the way, when the electrolyte membrane is composed of a solid polymer membrane such as a perfluorosulfonic acid polymer, a liquid fuel such as methanol may pass through the electrolyte membrane and cause a crossover phenomenon to reach the cathode side. In particular, in a configuration in which a plurality of unit cells are arranged on the same electrolyte membrane, fuel permeation from the gaps between unit cells cannot be ignored. In this way, the fuel that permeates the electrolyte membrane does not contribute to the power generation reaction, and thus can be a factor that reduces the fuel utilization efficiency.

このため、燃料の不所望な透過を抑制するために、例えば、特許文献2によれば、固体電解質膜に複数の燃料極触媒層それぞれの周囲を囲むように形成された燃料極用疎水性絶縁層を具備する燃料電池が開示されている。また、例えば、特許文献3によれば、イオン伝導性をもった膜の少なくとも一面の表面層を電子線照射などの物理的に改質あるいは化学的な修飾を加えて改変し、その導電性が内部の導電性に比較して低いイオン導電性膜を使用する燃料電池が開示されている。このほかに、電解質膜を改質する技術として、特許文献4乃至6に開示された技術なども知られている。
特開2002−015763号公報 特開2007−026873号公報 特開2001−167775号公報 特開平8−239494号公報 特開2002−124272号公報 特開2005−038620号公報
For this reason, in order to suppress undesired permeation of fuel, for example, according to Patent Document 2, a hydrophobic insulation for a fuel electrode formed on a solid electrolyte membrane so as to surround each of a plurality of fuel electrode catalyst layers. A fuel cell comprising a layer is disclosed. Further, for example, according to Patent Document 3, at least one surface layer of a film having ion conductivity is modified by physical modification or chemical modification such as electron beam irradiation, and the conductivity is improved. A fuel cell is disclosed that uses an ion conductive membrane that is low compared to the internal conductivity. In addition, techniques disclosed in Patent Documents 4 to 6 are known as techniques for modifying the electrolyte membrane.
JP 2002-015763 A JP 2007-026873 A JP 2001-167775 A JP-A-8-239494 JP 2002-124272 A JP 2005-038620 A

この発明の目的は、出力を向上することが可能であるとともに、燃費を向上することが可能な燃料電池及び燃料電池の製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a fuel cell and a fuel cell manufacturing method capable of improving output and improving fuel efficiency.

この発明の第1の態様による燃料電池は、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置された複数のアノードと、前記電解質膜の他方の面に配置され前記アノードのそれぞれと対向する複数のカソードと、を有する膜電極接合体を備え、
前記電解質膜は、少なくともその一部に前記アノードと前記カソードとで挟持された第1領域と、前記アノード及び前記カソードから露出し改質された第2領域と、を有することを特徴とする。
The fuel cell according to the first aspect of the present invention comprises:
A membrane electrode assembly comprising: an electrolyte membrane; a plurality of anodes disposed on one surface of the electrolyte membrane; and a plurality of cathodes disposed on the other surface of the electrolyte membrane and facing each of the anodes. ,
The electrolyte membrane includes a first region sandwiched between at least a part of the anode and the cathode, and a second region exposed and modified from the anode and the cathode.

また、この発明の他の態様による燃料電池は、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置された複数のアノードと、前記電解質膜の他方の面に配置され前記アノードのそれぞれと対向する複数のカソードと、を有する膜電極接合体を備え、
前記電解質膜は、少なくともその一部に前記アノードと前記カソードとで挟持された第1領域と、前記アノード及び前記カソードから露出し前記第1領域より燃料透過率が低い第2領域と、を有することを特徴とするものであっても良い。
A fuel cell according to another aspect of the present invention is
A membrane electrode assembly comprising: an electrolyte membrane; a plurality of anodes disposed on one surface of the electrolyte membrane; and a plurality of cathodes disposed on the other surface of the electrolyte membrane and facing each of the anodes. ,
The electrolyte membrane includes a first region sandwiched between at least a part of the anode and the cathode, and a second region exposed from the anode and the cathode and having a lower fuel permeability than the first region. It may be characterized by that.

この発明の第2の態様による燃料電池の製造方法は、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置された複数のアノードと、前記電解質膜の他方の面に配置され前記アノードのそれぞれと対向する複数のカソードと、を有する膜電極接合体を用意する工程と、
前記電解質膜の前記アノード及び前記カソードから露出した領域に電子線を照射して改質する工程と、
を有することを特徴とする。
A fuel cell manufacturing method according to a second aspect of the present invention comprises:
A membrane electrode assembly having an electrolyte membrane, a plurality of anodes disposed on one surface of the electrolyte membrane, and a plurality of cathodes disposed on the other surface of the electrolyte membrane and facing each of the anodes is prepared And a process of
Irradiating an electron beam to a region exposed from the anode and the cathode of the electrolyte membrane, and modifying the electrolyte membrane;
It is characterized by having.

また、この発明の他の態様による燃料電池の製造方法は、
電解質膜に電子線を照射して所定サイズにカットする工程と、
前記電解質膜の一方の面に配置された複数のアノードと、前記電解質膜の他方の面に配置され前記アノードのそれぞれと対向する複数のカソードと、を有する膜電極接合体を用意する工程と、
前記電解質膜の前記アノード及び前記カソードから露出した領域に、前記電解質膜をカットするのに使用した電子線より低エネルギの電子線を照射して前記電解質膜を改質する工程と、
を有することを特徴とするものであっても良い。
A fuel cell manufacturing method according to another aspect of the present invention includes:
Irradiating the electrolyte membrane with an electron beam and cutting it into a predetermined size;
Providing a membrane electrode assembly having a plurality of anodes disposed on one surface of the electrolyte membrane and a plurality of cathodes disposed on the other surface of the electrolyte membrane and facing each of the anodes;
Irradiating a region exposed from the anode and the cathode of the electrolyte membrane with an electron beam having a lower energy than the electron beam used to cut the electrolyte membrane; and modifying the electrolyte membrane;
It may be characterized by having.

この発明によれば、出力を向上することが可能であるとともに、燃費を向上することが可能な燃料電池及び燃料電池の製造方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell and a fuel cell manufacturing method capable of improving output and improving fuel efficiency.

以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池及びその製造方法について図面を参照して説明する。   Hereinafter, a fuel cell and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、この実施の形態に係る燃料電池1の構造を概略的に示す断面図である。なお、この実施の形態においては、燃料電池1として、内部気化型のパッシブ方式について説明するが、この方式に限定されるものではない。   FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a fuel cell 1 according to this embodiment. In this embodiment, an internal vaporization type passive system will be described as the fuel cell 1, but the present invention is not limited to this system.

燃料電池1は、起電部を構成する膜電極接合体2を備えている。すなわち、燃料電池1において、膜電極接合体2は、アノード触媒層11とアノードガス拡散層12とを有するアノード(燃料極)13と、カソード触媒層14とカソードガス拡散層15とを有するカソード(空気極/酸化剤極)16と、アノード触媒層11とカソード触媒層14とで挟持されたプロトン(水素イオン)伝導性の電解質膜17とを備えて構成されている。   The fuel cell 1 includes a membrane electrode assembly 2 constituting an electromotive unit. That is, in the fuel cell 1, the membrane electrode assembly 2 includes an anode (fuel electrode) 13 having an anode catalyst layer 11 and an anode gas diffusion layer 12, and a cathode having a cathode catalyst layer 14 and a cathode gas diffusion layer 15 ( (Air electrode / oxidant electrode) 16 and a proton (hydrogen ion) conductive electrolyte membrane 17 sandwiched between the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14.

アノード触媒層11やカソード触媒層14に含有される触媒としては、例えば白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、パラジウム(Pd)等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層11には、メタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するPt−RuやPt−Mo等を用いることが好ましい。カソード触媒層14には、PtやPt−Ni等を用いることが好ましい。ただし、触媒は、これらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。また、触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。   Examples of the catalyst contained in the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 include platinum such as platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), iridium (Ir), osmium (Os), and palladium (Pd). Examples thereof include a group element simple substance and an alloy containing a platinum group element. For the anode catalyst layer 11, it is preferable to use Pt—Ru, Pt—Mo, or the like that has strong resistance to methanol, carbon monoxide, or the like. It is preferable to use Pt, Pt—Ni or the like for the cathode catalyst layer 14. However, the catalyst is not limited to these, and various substances having catalytic activity can be used. The catalyst may be either a supported catalyst using a conductive carrier such as a carbon material or an unsupported catalyst.

電解質膜17を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂(ナフィオン(商品名、デュポン社製)やフレミオン(商品名、旭硝子社製)等)、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜17は、これらに限られるものではない。   Examples of the proton conductive material constituting the electrolyte membrane 17 include fluorine-based resins (Nafion (trade name, manufactured by DuPont) and Flemion (trade name, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) such as a perfluorosulfonic acid polymer having a sulfonic acid group. Etc.), organic materials such as hydrocarbon resins having sulfonic acid groups, or inorganic materials such as tungstic acid and phosphotungstic acid. However, the proton conductive electrolyte membrane 17 is not limited to these.

アノード触媒層11に積層されるアノードガス拡散層12は、アノード触媒層11に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層11の集電体としての機能も兼ね備えている。カソード触媒層14に積層されるカソードガス拡散層15は、カソード触媒層14に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層14の集電体としての機能も兼ね備えている。アノードガス拡散層12及びカソードガス拡散層15は、例えばカーボンペーパーなどの多孔質基材で構成されている。   The anode gas diffusion layer 12 laminated on the anode catalyst layer 11 serves to uniformly supply fuel to the anode catalyst layer 11 and also has a function as a current collector of the anode catalyst layer 11. The cathode gas diffusion layer 15 laminated on the cathode catalyst layer 14 serves to uniformly supply the oxidant to the cathode catalyst layer 14 and also has a function as a current collector of the cathode catalyst layer 14. The anode gas diffusion layer 12 and the cathode gas diffusion layer 15 are made of a porous substrate such as carbon paper, for example.

アノードガス拡散層12やカソードガス拡散層15には、必要に応じて導電層が積層される。これらの導電層としては、例えば金(Au)のような導電性金属材料からなるメッシュ、多孔質膜、薄膜または箔体、あるいはステンレス鋼(SUS)などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。   A conductive layer is laminated on the anode gas diffusion layer 12 and the cathode gas diffusion layer 15 as necessary. These conductive layers include, for example, a mesh made of a conductive metal material such as gold (Au), a porous film, a thin film or a foil, or a conductive metal material such as stainless steel (SUS) and a good conductivity such as gold. A composite material coated with a conductive metal is used.

なお、図2及び図3に示した例においては、膜電極接合体2は、単一の電解質膜17を4個のアノード13及び4個のカソード16によってそれぞれ挟持し、これらのアノード13とカソード16との各組み合わせ(単位セル)を電気的に直列に接続したMEA構造のものを示しているが、膜電極接合体2の構造は、この例に限らず他の構造であっても良い。   In the example shown in FIGS. 2 and 3, the membrane electrode assembly 2 includes a single electrolyte membrane 17 sandwiched between four anodes 13 and four cathodes 16, respectively. Although the MEA structure in which each combination (unit cell) with 16 is electrically connected in series is shown, the structure of the membrane electrode assembly 2 is not limited to this example, and may be another structure.

電解質膜17のアノード側及びカソード側には、それぞれゴム製のOリングなどのシール材19が配置されており、これらによって膜電極接合体2からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。   A sealing material 19 such as a rubber O-ring is disposed on the anode side and the cathode side of the electrolyte membrane 17, respectively, thereby preventing fuel leakage and oxidant leakage from the membrane electrode assembly 2.

燃料電池1は、さらに、膜電極接合体2に対して液体燃料Fを供給する燃料供給機構3を備えている。この燃料供給機構3は、液体燃料Fを収容する燃料収容部30を備えている。この燃料収容部30は、膜電極接合体2のアノード13側に配置され、膜電極接合体2のアノード13に対して燃料を供給するものである。膜電極接合体2は、たとえば矩形の平面形状を有し、燃料収容部30も同一矩形の平面形状を有している。燃料収容部30は、膜電極接合体2のアノード13と対向する面に設けられた開口部30Aを有している。すなわち、燃料収容部30は、その上面全面が開口された箱状容器となっている。このような燃料収容部30の内部には、膜電極接合体2に対応した液体燃料Fが収容されている。   The fuel cell 1 further includes a fuel supply mechanism 3 that supplies the liquid fuel F to the membrane electrode assembly 2. The fuel supply mechanism 3 includes a fuel storage unit 30 that stores the liquid fuel F. The fuel storage unit 30 is disposed on the anode 13 side of the membrane electrode assembly 2 and supplies fuel to the anode 13 of the membrane electrode assembly 2. The membrane electrode assembly 2 has, for example, a rectangular planar shape, and the fuel storage portion 30 also has the same rectangular planar shape. The fuel storage unit 30 has an opening 30 </ b> A provided on the surface of the membrane electrode assembly 2 facing the anode 13. That is, the fuel storage unit 30 is a box-shaped container having an entire upper surface opened. In such a fuel storage part 30, the liquid fuel F corresponding to the membrane electrode assembly 2 is stored.

液体燃料Fとしては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。なお、液体燃料Fは、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料Fは、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、膜電極接合体2に応じた液体燃料Fが使用される。   Examples of the liquid fuel F include methanol fuels such as methanol aqueous solutions having various concentrations and pure methanol. The liquid fuel F is not necessarily limited to methanol fuel. The liquid fuel F may be, for example, an ethanol fuel such as an ethanol aqueous solution or pure ethanol, a propanol fuel such as a propanol aqueous solution or pure propanol, a glycol fuel such as a glycol aqueous solution or pure glycol, dimethyl ether, formic acid, or other liquid fuel. In any case, the liquid fuel F corresponding to the membrane electrode assembly 2 is used.

燃料収容部30は、例えば樹脂製容器によって構成される。燃料収容部30は、液体燃料Fの残量を外部から目視することが可能なように透明樹脂によって形成されることが望ましい。また、このような透明樹脂は、耐メタノール性などを有していることが好ましい。なお、燃料収容部30は、全体を透明樹脂で形成しても良いし、その一部を透明樹脂で形成しても良い。   The fuel storage unit 30 is constituted by a resin container, for example. The fuel storage unit 30 is preferably formed of a transparent resin so that the remaining amount of the liquid fuel F can be visually observed from the outside. Moreover, it is preferable that such transparent resin has methanol resistance. The fuel storage unit 30 may be entirely formed of a transparent resin, or a part thereof may be formed of a transparent resin.

上述した透明樹脂としては、例えばポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、環状オレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルペンテン、ポリフェニルサルホンなどが挙げられる。ただし、一般的なポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂などのオレフィン系樹脂などで構成した燃料収容部30を除外するものではない。   Examples of the transparent resin described above include polyethylene naphthalate, polyethylene terephthalate, cyclic olefin copolymer, cycloolefin polymer, polymethylpentene, and polyphenylsulfone. However, this does not exclude the fuel storage unit 30 made of an olefin resin such as a general polyethylene resin or polypropylene resin.

燃料収容部30の開口部30Aと膜電極接合体2との間には、図1に示したように、気液分離膜4が設置されていてもよい。この気液分離膜4は、燃料収容部30の開口部30Aを塞ぐように配置され、液体燃料Fの気化成分を透過するとともに液体燃料Fを透過させない膜によって形成されている。これにより、燃料収容部30内で気化した液体燃料Fの気化成分は、燃料収容部30の開口部30A及び気液分離膜4を介して膜電極接合体2のアノード13に供給される。   As shown in FIG. 1, a gas-liquid separation membrane 4 may be installed between the opening 30 </ b> A of the fuel storage unit 30 and the membrane electrode assembly 2. The gas-liquid separation membrane 4 is disposed so as to close the opening 30A of the fuel storage unit 30, and is formed of a membrane that transmits the vaporized component of the liquid fuel F but does not transmit the liquid fuel F. Thereby, the vaporized component of the liquid fuel F vaporized in the fuel storage unit 30 is supplied to the anode 13 of the membrane electrode assembly 2 via the opening 30A of the fuel storage unit 30 and the gas-liquid separation membrane 4.

このような気液分離膜4の構成材料としては、例えば、シリコン、ポリテトラフルオロエチレンのようなフッ素系樹脂などが挙げられる。ここで、液体燃料Fの気化成分とは、例えば液体燃料Fとしてメタノール水溶液を適用した場合には、メタノールの気化成分と水の気化成分とからなる混合気を意味し、液体燃料Fとして純メタノールを適用した場合には、メタノールの気化成分を意味する。   Examples of the constituent material of the gas-liquid separation membrane 4 include fluorine resins such as silicon and polytetrafluoroethylene. Here, the vaporized component of the liquid fuel F means, for example, when a methanol aqueous solution is applied as the liquid fuel F, it means an air-fuel mixture composed of a vaporized component of methanol and a vaporized component of water. Is applied, it means a vaporization component of methanol.

膜電極接合体2のカソード16上には、保湿層20が配置されているが省略しても良い。この保湿層20は、カソード触媒層14で生成された水の一部を含浸して、水の蒸散を抑制するとともに、カソードガス拡散層15に酸化剤(空気)を均一に導入することで、カソード触媒層14への酸化剤の均一拡散を促進する機能を有している。この保湿層20は、たとえば多孔質構造の部材で構成され、具体的な構成材料としては、ポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体などが挙げられる。   The moisture retaining layer 20 is disposed on the cathode 16 of the membrane electrode assembly 2, but may be omitted. The moisturizing layer 20 is impregnated with a part of the water generated in the cathode catalyst layer 14 to suppress the transpiration of water and uniformly introduce an oxidant (air) into the cathode gas diffusion layer 15. It has a function of promoting uniform diffusion of the oxidizing agent to the cathode catalyst layer 14. The moisturizing layer 20 is composed of, for example, a porous member, and specific constituent materials include polyethylene and polypropylene porous bodies.

また、この実施の形態において、燃料電池1は、さらに、膜電極接合体2のカソード(空気極)16側に配置されたカバー部材18を備えている。このカバー部材18は、外観が略箱状のものであり、例えばステンレス鋼(SUS)によって形成されている。また、カバー部材18は、酸化剤である空気を取入れるための複数の開口(空気導入孔)18Aを有している。   In this embodiment, the fuel cell 1 further includes a cover member 18 disposed on the cathode (air electrode) 16 side of the membrane electrode assembly 2. The cover member 18 has a substantially box-like appearance and is made of, for example, stainless steel (SUS). The cover member 18 has a plurality of openings (air introduction holes) 18A for taking in air as an oxidant.

このようなカバー部材18は、気液分離膜4、膜電極接合体2、及び、保湿層20を覆うようにして燃料収容部30に固定されている。つまり、膜電極接合体2は、燃料収容部30とカバー部材18との間に配置されている。そして、このカバー部材18は、膜電極接合体2を支持する支持体として機能する。   Such a cover member 18 is fixed to the fuel storage unit 30 so as to cover the gas-liquid separation membrane 4, the membrane electrode assembly 2, and the moisture retention layer 20. That is, the membrane electrode assembly 2 is disposed between the fuel storage unit 30 and the cover member 18. The cover member 18 functions as a support that supports the membrane electrode assembly 2.

上述したような構成の燃料電池1においては、以下のようなプロセスによって発電する。   In the fuel cell 1 configured as described above, power is generated by the following process.

すなわち、燃料収容部30内のメタノール燃料などの液体燃料Fが気化し、この気化成分が気液分離膜4を透過して膜電極接合体2に供給される。膜電極接合体2内において、液体燃料Fの気化成分は、アノードガス拡散層12で拡散してアノード触媒層11に供給される。液体燃料Fとしてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層11に供給された気化成分は、下記の(1)式に示したメタノールの内部改質反応を生じさせる。   That is, the liquid fuel F such as methanol fuel in the fuel storage unit 30 is vaporized, and the vaporized component passes through the gas-liquid separation membrane 4 and is supplied to the membrane electrode assembly 2. In the membrane electrode assembly 2, the vaporized component of the liquid fuel F diffuses in the anode gas diffusion layer 12 and is supplied to the anode catalyst layer 11. When methanol fuel is used as the liquid fuel F, the vaporized component supplied to the anode catalyst layer 11 causes an internal reforming reaction of methanol shown in the following formula (1).

CH3OH+H2O → CO2+6H++6e- …(1)
なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、燃料収容部30から水蒸気が供給されないため、カソード触媒層14で生成した水や電解質膜17中の水をメタノールと反応させて(1)式の内部改質反応を生起させる。あるいは、上記した(1)式の内部改質反応によらず、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e (1)
Note that when pure methanol is used as the methanol fuel, water vapor is not supplied from the fuel storage unit 30, so water generated in the cathode catalyst layer 14 or water in the electrolyte membrane 17 is reacted with methanol (1). Cause an internal reforming reaction. Alternatively, the internal reforming reaction is caused by another reaction mechanism that does not require water, regardless of the internal reforming reaction of the above formula (1).

この内部改質反応で生成された電子(e-)は、集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード16に導かれる。また、(1)式の内部改質反応で生成したプロトン(H+)は、電解質膜17を経てカソード16に導かれる。 Electrons (e ) generated by this internal reforming reaction are led to the outside via a current collector, and are led to the cathode 16 after operating a portable electronic device or the like as so-called electricity. In addition, protons (H + ) generated by the internal reforming reaction of the formula (1) are guided to the cathode 16 through the electrolyte membrane 17.

一方、カソード16には、酸化剤として空気が供給される。すなわち、カバー部材18に設けられた開口18Aから導入された空気は、保湿層20及びカソードガス拡散層15を通過し、カソード触媒層14へと供給される。カソード16に到達した電子(e-)とプロトン(H+)は、カソード触媒層14で空気中の酸素と下記の(2)式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。 On the other hand, air is supplied to the cathode 16 as an oxidant. That is, the air introduced from the opening 18 </ b> A provided in the cover member 18 passes through the moisture retention layer 20 and the cathode gas diffusion layer 15 and is supplied to the cathode catalyst layer 14. Electrons (e ) and protons (H + ) that have reached the cathode 16 react with oxygen in the air in the cathode catalyst layer 14 according to the following formula (2), and water is generated with this reaction.

6e-+6H++(3/2)O2 → 3H2O …(2)
上述した燃料電池1の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせるとともに、膜電極接合体2の電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。
6e + 6H + + (3/2) O 2 → 3H 2 O (2)
In the power generation reaction of the fuel cell 1 described above, in order to increase the power to be generated, it is important to make the catalyst reaction smoothly and to make the entire electrode of the membrane electrode assembly 2 more effectively contribute to power generation.

ところで、この実施の形態に係る膜電極接合体2においては、単一の電解質膜17に対して複数の単位セルを平面的に配置し、これらを電気的に直列に接続した構造を適用して、燃料電池としての出力を向上している。このような構造では、単位セル間の電解質膜(つまり、アノード13及びカソード16によって挟持されることなく露出している電解質膜)17において、発電反応に寄与することなくアノード側からカソード側へ透過する燃料の量が無視できなくなり、燃料の利用効率を低下させる要因となりうる。このため、単位セル間の電解質膜17でのアノード側からカソード側への燃料の透過を抑制することが要望されている。   By the way, in the membrane electrode assembly 2 according to this embodiment, a structure in which a plurality of unit cells are arranged in a plane with respect to a single electrolyte membrane 17 and these are electrically connected in series is applied. The output as a fuel cell has been improved. In such a structure, the electrolyte membrane between the unit cells (that is, the electrolyte membrane exposed without being sandwiched between the anode 13 and the cathode 16) 17 transmits from the anode side to the cathode side without contributing to the power generation reaction. The amount of fuel to be used cannot be ignored, and this can be a factor that reduces the fuel utilization efficiency. For this reason, it is desired to suppress fuel permeation from the anode side to the cathode side in the electrolyte membrane 17 between the unit cells.

そこで、この実施の形態で適用される電解質膜17は、図4に示すように、アノード13及びカソード16によって挟持された第1領域171と、アノード13及びカソード16から露出した第2領域172とを有し、第2領域172は改質されている。   Therefore, as shown in FIG. 4, the electrolyte membrane 17 applied in this embodiment includes a first region 171 sandwiched between the anode 13 and the cathode 16, and a second region 172 exposed from the anode 13 and the cathode 16. And the second region 172 is modified.

すなわち、電解質膜17の一方の面17Aには、複数、ここでは4個のアノード13が配置されている。アノード13のそれぞれは、単位セル間の電気的絶縁を確保するために、例えば0.7mm〜1.0mm程度の間隔で配置されている。また、電解質膜17の他方の面17Bには、アノード13と同数の4個のカソード16が電解質膜17を挟んでアノード13と対向するように配置されている。カソード16のそれぞれも、アノード13と同様の間隔で配置されている。   That is, a plurality of, here four, anodes 13 are arranged on one surface 17A of the electrolyte membrane 17. Each of the anodes 13 is arranged at an interval of, for example, about 0.7 mm to 1.0 mm in order to ensure electrical insulation between unit cells. Further, the same number of four cathodes 16 as the anodes 13 are arranged on the other surface 17B of the electrolyte membrane 17 so as to face the anode 13 with the electrolyte membrane 17 interposed therebetween. Each of the cathodes 16 is also arranged at the same interval as the anode 13.

このような構成の膜電極接合体2において、電解質膜17は、第1領域171において燃料のアノード側からカソード側への透過を許容する一方で、第2領域172においては燃料の透過を抑制するような性質に改質されている。このような第1領域171及び第2領域172を有する電解質膜17は、アノード13及びカソード16から露出した領域に選択的にレーザなどの電子線を照射することによって形成可能である。   In the membrane electrode assembly 2 having such a configuration, the electrolyte membrane 17 allows the fuel to permeate from the anode side to the cathode side in the first region 171, while suppressing the fuel permeation in the second region 172. It has been modified to such properties. The electrolyte membrane 17 having the first region 171 and the second region 172 can be formed by selectively irradiating a region exposed from the anode 13 and the cathode 16 with an electron beam such as a laser.

つまり、電解質膜17のうち、電子線が照射されなかった領域(第1領域)は、本来の特性である高分子膜としての特性が維持され、プロトン及びメタノールを透過する微小穴を有する膜となっている。一方、電解質膜17のうち、電子線が照射された領域(第2領域)は、レーザ光もしくはエネルギ照射により、硬化して微小穴が崩れ、メタノールの構成分子よりも穴が小さくなるため、メタノールが透過しないような特性に改質される。つまり、第2領域172は、第1領域171よりも燃料であるメタノールの透過率が低い特性を有している。   That is, in the electrolyte membrane 17, the region that is not irradiated with the electron beam (first region) maintains the characteristics as a polymer film, which is the original property, and a membrane having micro holes that transmit protons and methanol. It has become. On the other hand, in the electrolyte membrane 17, the region irradiated with the electron beam (second region) is cured by laser light or energy irradiation to break microholes and become smaller than the constituent molecules of methanol. Is modified so that it does not permeate. That is, the second region 172 has a characteristic that the permeability of methanol as a fuel is lower than that of the first region 171.

上述したように改質された第2領域172は、改質されていない第1領域171とは異なる色に変色していることから、目視確認により識別可能である。また、第2領域172は、第1領域171との硬度の違いによっても識別可能である。すなわち、第2領域172は、電子線照射によって硬化しているため、第1領域171よりも高い硬度を有している。   Since the second region 172 modified as described above is discolored to a color different from that of the first region 171 not modified, it can be identified by visual confirmation. The second region 172 can also be identified by the difference in hardness from the first region 171. That is, since the second region 172 is cured by electron beam irradiation, the second region 172 has a higher hardness than the first region 171.

このような構成により、単位セル間での電解質膜17(特に、第2領域172)からの燃料の透過を抑制することが可能となる。このため、供給された燃料が効率的にアノード13から電解質膜17の第1領域171に至って発電反応に寄与するため、燃料の利用効率(燃費)を向上することが可能となる。   With such a configuration, it is possible to suppress the permeation of fuel from the electrolyte membrane 17 (particularly, the second region 172) between unit cells. For this reason, since the supplied fuel efficiently reaches the first region 171 of the electrolyte membrane 17 from the anode 13 and contributes to the power generation reaction, it is possible to improve the fuel utilization efficiency (fuel consumption).

上述したような構成の電解質膜17は、大判の高分子膜に電子線を照射して所定サイズにカットすることによって得ることが可能である。このように電解質膜17を切り出す場合には、第2領域172として電解質膜を改質する場合よりも高いエネルギの電子線を照射する必要がある。このようにして得られた電解質膜17の端部17Eは、第2領域172と同等以上に硬化しており、第2領域172と同等以上の硬度を有している。   The electrolyte membrane 17 having the above-described configuration can be obtained by irradiating a large polymer membrane with an electron beam and cutting it to a predetermined size. When the electrolyte membrane 17 is cut out in this way, it is necessary to irradiate an electron beam with higher energy than in the case of modifying the electrolyte membrane as the second region 172. The end portion 17E of the electrolyte membrane 17 obtained in this way is cured to be equal to or higher than that of the second region 172, and has hardness equal to or higher than that of the second region 172.

このような構成により、単位セル間のみならず、電解質膜17の内部に浸透した燃料の端部17Eからの透過も抑制することが可能となり、さらなる燃費の向上が可能となる。   With such a configuration, not only between the unit cells but also the permeation from the end portion 17E of the fuel that has permeated into the electrolyte membrane 17 can be suppressed, and further fuel efficiency can be improved.

次に、上述した構造の膜電極接合体2の製造方法について説明する。なお、ここで説明する製造方法は一例であって、他の工程が追加になってもよいし、説明した工程が他の工程に置換されても良い。   Next, the manufacturing method of the membrane electrode assembly 2 having the above-described structure will be described. In addition, the manufacturing method demonstrated here is an example, Comprising: Another process may be added and the demonstrated process may be substituted by another process.

図5に示すように、まず、所定サイズの電解質膜17を用意する。すなわち、所定サイズに成形された電解質膜17を用意しても良いし、大判の高分子膜(すなわち、プロトン伝導性を有する電解質膜)をカッターなどで裁断して所定サイズにカットした電解質膜17を用意しても良い。特に、ここでは、大判の高分子膜に電子線を照射して所定サイズにカットする工程を経て得た電解質膜17を適用することが望ましく、この実施形態ではこの手法により電解質膜17を用意した。また、このとき、電子線源としては炭酸ガスレーザを適用した。   As shown in FIG. 5, first, an electrolyte membrane 17 having a predetermined size is prepared. That is, an electrolyte membrane 17 molded in a predetermined size may be prepared, or an electrolyte membrane 17 cut into a predetermined size by cutting a large polymer membrane (that is, an electrolyte membrane having proton conductivity) with a cutter or the like. May be prepared. In particular, here, it is desirable to apply the electrolyte membrane 17 obtained through a process of irradiating a large polymer membrane with an electron beam and cutting it to a predetermined size. In this embodiment, the electrolyte membrane 17 is prepared by this method. . At this time, a carbon dioxide laser was applied as the electron beam source.

続いて、電解質膜17を挟んでそれぞれアノード13及びカソード16を配置し、加熱しつつ加圧することにより全てを接合し、膜電極接合体2を得る。ここでは、アノード13及びカソード16は、例えば以下のようにして得られる。すなわち、ガス拡散層として機能するカーボンペーパー上に、溶剤、触媒などを混合して調製したペーストを塗布する。そして、塗布したペーストを乾燥する。これにより、ガス拡散層に積層された触媒層が形成される。その後、洗浄した後に、所望のサイズ(例えば図3に示した短冊形状)に切断され、アノード13及びカソード16が形成される。   Subsequently, the anode 13 and the cathode 16 are arranged with the electrolyte membrane 17 interposed therebetween, and all are joined by heating and pressurizing to obtain the membrane electrode assembly 2. Here, the anode 13 and the cathode 16 are obtained as follows, for example. That is, a paste prepared by mixing a solvent, a catalyst, and the like is applied onto carbon paper that functions as a gas diffusion layer. Then, the applied paste is dried. Thereby, the catalyst layer laminated | stacked on the gas diffusion layer is formed. Thereafter, after washing, the anode 13 and the cathode 16 are formed by cutting into a desired size (for example, a strip shape shown in FIG. 3).

続いて、上述したような工程を経て用意された膜電極接合体2において、電解質膜17のアノード13及びカソード16から露出した領域に電子線を照射して改質する。なお、この工程においては、電解質膜17をカットするのに使用した電子線より低エネルギ(つまり、電解質膜をカットするのに必要なエネルギよりも低く、電解質膜の燃料透過率を十分に低減、望ましくは0%とするのに必要なエネルギ)の電子線を照射している。具体的には、例えば、電解質膜17をカットする際にはフォーカスした電子線を照射するのに対して、電解質膜17を改質する際にはデフォーカス状態の電子線を照射する。このとき、電子線源としては炭酸ガスレーザを適用した。   Subsequently, in the membrane electrode assembly 2 prepared through the above-described steps, the regions exposed from the anode 13 and the cathode 16 of the electrolyte membrane 17 are modified by irradiation with an electron beam. In this step, energy lower than the electron beam used for cutting the electrolyte membrane 17 (that is, lower energy than that required for cutting the electrolyte membrane, and sufficiently reducing the fuel permeability of the electrolyte membrane, Preferably, the electron beam is irradiated with the energy required to achieve 0%. Specifically, for example, when the electrolyte membrane 17 is cut, a focused electron beam is irradiated, whereas when the electrolyte membrane 17 is modified, a defocused electron beam is irradiated. At this time, a carbon dioxide laser was applied as the electron beam source.

このような製造工程を経て形成された膜電極接合体を備えた燃料電池によれば、アノード13及びカソード16から露出した電解質膜17(第2領域172)からの燃料の透過が防止でき、供給した燃料を安定して且つ効率的にアノード13に供給することが可能となった。したがって、安定して高出力を得ることができるとともに、燃費を向上することが可能となる。   According to the fuel cell including the membrane electrode assembly formed through such a manufacturing process, fuel can be prevented from permeating from the electrolyte membrane 17 (second region 172) exposed from the anode 13 and the cathode 16, and supplied. It became possible to supply the fuel to the anode 13 stably and efficiently. Therefore, it is possible to stably obtain a high output and improve fuel efficiency.

上述した実施の形態においては、膜電極接合体2のアノード側に燃料収容部30を備えた内部気化型のような純パッシブ方式の燃料電池について説明したが、膜電極接合体2のアノード13に対して燃料を供給する燃料供給部、及び、この燃料供給部に対して供給される燃料を収容する燃料収容部を備えたセミパッシブ型と称される方式の燃料電池についても同様の構成を適用することにより、同様の効果が得られることは言うまでもない。   In the above-described embodiment, a purely passive type fuel cell such as an internal vaporization type equipped with the fuel storage portion 30 on the anode side of the membrane electrode assembly 2 has been described. The same configuration is applied to a fuel cell of a semi-passive type that includes a fuel supply unit that supplies fuel to the fuel supply unit and a fuel storage unit that stores fuel supplied to the fuel supply unit. Needless to say, the same effect can be obtained.

例えば、図6に示す例では、燃料供給機構3は、膜電極接合体2のアノード13側に配置され、膜電極接合体2のアノード13に対して燃料を供給する燃料供給部31を備えている。また、この燃料供給機構3は、燃料供給部31に供給される液体燃料を収容する図示しない燃料収容部を備えている。燃料収容部は、膜電極接合体2に対応した液体燃料を収容している。   For example, in the example shown in FIG. 6, the fuel supply mechanism 3 includes a fuel supply unit 31 that is disposed on the anode 13 side of the membrane electrode assembly 2 and supplies fuel to the anode 13 of the membrane electrode assembly 2. Yes. The fuel supply mechanism 3 includes a fuel storage unit (not shown) that stores liquid fuel supplied to the fuel supply unit 31. The fuel storage unit stores liquid fuel corresponding to the membrane electrode assembly 2.

燃料供給部31と燃料収容部とは、図示しない配管のような液体燃料の流路を介して接続されている。つまり、燃料供給部31には、燃料収容部から流路を介して液体燃料が導入される。流路は、燃料供給部31や燃料収容部と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給部31と燃料収容部とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。   The fuel supply unit 31 and the fuel storage unit are connected via a liquid fuel passage such as a pipe (not shown). That is, liquid fuel is introduced into the fuel supply unit 31 from the fuel storage unit via the flow path. The flow path is not limited to piping independent of the fuel supply unit 31 and the fuel storage unit. For example, when the fuel supply unit 31 and the fuel storage unit are stacked and integrated, a liquid fuel flow path connecting them may be used.

セミパッシブ方式の燃料電池では、燃料収容部から膜電極接合体2に供給された燃料は発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部に戻されることはない。セミパッシブ方式の燃料電池は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、このセミパッシブ方式の燃料電池は、燃料の供給にポンプを使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。なお、このセミパッシブ方式の燃料電池では、燃料収容部から膜電極接合体2への燃料供給が行われる構成であればポンプに代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。   In the semi-passive type fuel cell, the fuel supplied from the fuel storage part to the membrane electrode assembly 2 is used for a power generation reaction, and is not circulated and returned to the fuel storage part. The semi-passive type fuel cell is different from the conventional active type because it does not circulate the fuel, and does not impair the downsizing of the apparatus. Further, this semi-passive type fuel cell uses a pump for supplying fuel, and is different from a pure passive type such as a conventional internal vaporization type. In this semi-passive type fuel cell, a fuel cutoff valve may be arranged instead of the pump as long as the fuel is supplied from the fuel storage portion to the membrane electrode assembly 2. In this case, the fuel cutoff valve is provided to control the supply of liquid fuel through the flow path.

燃料供給部31は、その底部に、液体燃料が流路を介して注入される燃料注入口32と、燃料注入口32から注入された液体燃料やその気化成分を供給する燃料供給口33と、燃料注入口32と燃料供給口33とを繋ぐ細管34と、を有している。ここで示した燃料供給部31の例では、燃料注入口32及び燃料供給口33は、それぞれ1箇所である。   The fuel supply unit 31 has a fuel inlet 32 through which liquid fuel is injected via a flow path at the bottom thereof, a fuel supply port 33 that supplies liquid fuel injected from the fuel inlet 32 and vaporized components thereof, And a thin tube 34 that connects the fuel inlet 32 and the fuel supply port 33. In the example of the fuel supply unit 31 shown here, the fuel injection port 32 and the fuel supply port 33 are each one place.

膜電極接合体2と燃料供給部31との間には、膜電極接合体2をアノード13側から支持する支持部材41が配置されている。   A support member 41 that supports the membrane electrode assembly 2 from the anode 13 side is disposed between the membrane electrode assembly 2 and the fuel supply unit 31.

なお、このような支持部材41は、省略しても良いが、このようなセミパッシブ方式においては支持部材41を適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、膜電極接合体2と燃料供給部31との間に支持部材41を配置したことにより、燃料供給口33から膜電極接合体2までの距離を確保することができる。このため、燃料供給口33から供給された液体燃料の気化を促進するのに十分な容量を確保することができ、気体の状態の燃料を広範囲にわたって拡散させることが可能である。   Although such a support member 41 may be omitted, the following effects can be obtained by applying the support member 41 in such a semi-passive system. That is, by disposing the support member 41 between the membrane electrode assembly 2 and the fuel supply unit 31, a distance from the fuel supply port 33 to the membrane electrode assembly 2 can be secured. For this reason, it is possible to secure a sufficient capacity to promote the vaporization of the liquid fuel supplied from the fuel supply port 33, and it is possible to diffuse the fuel in a gaseous state over a wide range.

これにより、アノード13の面内における燃料の分布を平準化することが可能となり、膜電極接合体2での発電反応に必要とされる燃料を全体的に過不足なく供給することができる。したがって、燃料電池1の大型化や複雑化等を招くことなく、膜電極接合体2で効率的に発電反応を生起させることができる。これによって、燃料電池1の出力を向上させることが可能となる。言い換えると、燃料を循環させない燃料電池1の利点を損なうことなく、出力やその安定性を高めることができる。   As a result, the fuel distribution in the plane of the anode 13 can be leveled, and the fuel required for the power generation reaction in the membrane electrode assembly 2 can be supplied as a whole without excess or deficiency. Therefore, it is possible to efficiently generate a power generation reaction in the membrane electrode assembly 2 without causing an increase in size or complexity of the fuel cell 1. As a result, the output of the fuel cell 1 can be improved. In other words, the output and its stability can be improved without impairing the advantages of the fuel cell 1 that does not circulate the fuel.

また、支持部材41により膜電極接合体2を支持するとともに、支持部材41とカバー部材18との間で膜電極接合体2を保持するため、膜電極接合体2の撓みなどの変形を抑制することができ、起電部と集電体との密着性を高めて出力の低下を抑制することが可能となる。   Moreover, since the membrane electrode assembly 2 is supported by the support member 41 and the membrane electrode assembly 2 is held between the support member 41 and the cover member 18, deformation such as bending of the membrane electrode assembly 2 is suppressed. It is possible to increase the adhesion between the electromotive unit and the current collector and suppress the decrease in output.

膜電極接合体2と燃料供給部31との間には、少なくとも1つの多孔体42が配置されている。多孔体42の構成材料としては、各種樹脂が使用され、多孔質状態の樹脂フィルム等が多孔体42として用いられる。このような多孔体42は、複数の多孔膜を積層して配置してもよい。すなわち、主にある一方向への拡散性が高い多孔体と、これに交差する(あるいは直交する)方向への拡散性が高い多孔体とを組み合わせて適用しても良い。   At least one porous body 42 is disposed between the membrane electrode assembly 2 and the fuel supply unit 31. As the constituent material of the porous body 42, various resins are used, and a porous resin film or the like is used as the porous body 42. Such a porous body 42 may be arranged by laminating a plurality of porous films. That is, a porous body mainly having high diffusibility in one direction and a porous body having high diffusivity in a direction intersecting (or orthogonal to) the main body may be used in combination.

なお、このような多孔体42は、省略しても良いが、このようなセミパッシブ方式においては、多孔体42を適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、多孔体42を配置することによって、アノード13に対する燃料供給量をより一層平均化することができる。すなわち、燃料供給部31の燃料供給口33から供給された液体燃料は一旦多孔体42に吸収され、多孔体42の内部で面内方向に拡散する。この後、多孔体42から支持部材41を介してアノード13に燃料が供給されるため、燃料供給量をより一層平均化することが可能となる。   Such a porous body 42 may be omitted, but in such a semi-passive system, the following effects can be obtained by applying the porous body 42. That is, by disposing the porous body 42, the amount of fuel supplied to the anode 13 can be further averaged. That is, the liquid fuel supplied from the fuel supply port 33 of the fuel supply unit 31 is once absorbed by the porous body 42 and diffuses in the in-plane direction inside the porous body 42. Thereafter, fuel is supplied from the porous body 42 to the anode 13 via the support member 41, so that the fuel supply amount can be further averaged.

そして、図1に示した例と同様に、膜電極接合体2において、アノード13及びカソード16に挟持された第1領域171と、アノード13及びカソード16から露出し改質された第2領域172とを有する電解質膜17を適用している。このような構成であっても、図1に示した例と同様の効果が得られる。   As in the example shown in FIG. 1, in the membrane electrode assembly 2, the first region 171 sandwiched between the anode 13 and the cathode 16 and the second region 172 exposed and modified from the anode 13 and the cathode 16. The electrolyte membrane 17 having the following is applied. Even with such a configuration, the same effect as the example shown in FIG. 1 can be obtained.

図7に示した例では、燃料供給機構3を構成する燃料供給部31は、その底部に、液体燃料が流路を介して注入される燃料注入口32と、燃料注入口32から注入された液体燃料やその気化成分を供給する複数の燃料供給口33と、燃料注入口32と各燃料供給口33とを繋ぐ細管34と、を有している。   In the example shown in FIG. 7, the fuel supply unit 31 constituting the fuel supply mechanism 3 is injected into the bottom thereof from a fuel injection port 32 through which liquid fuel is injected through a flow path and from the fuel injection port 32. A plurality of fuel supply ports 33 for supplying liquid fuel and vaporized components thereof, and a thin tube 34 connecting the fuel injection port 32 and each fuel supply port 33 are provided.

このような構成の燃料供給機構3においては、燃料注入口32から燃料供給部31内に注入された液体燃料を、複数に分岐した細管34を介して複数の燃料供給口33にそれぞれ導くことが可能である。つまり、このような燃料供給機構3を適用することによって、燃料注入口32から注入された液体燃料を方向や位置に係わりなく、複数の燃料供給口33に均等に分配することができる。したがって、膜電極接合体2の面内における発電反応の均一性をより一層高めることが可能となる。   In the fuel supply mechanism 3 having such a configuration, the liquid fuel injected from the fuel injection port 32 into the fuel supply unit 31 can be guided to the plurality of fuel supply ports 33 via the thin tubes 34 branched into a plurality of branches. Is possible. That is, by applying such a fuel supply mechanism 3, the liquid fuel injected from the fuel injection port 32 can be evenly distributed to the plurality of fuel supply ports 33 regardless of the direction or position. Therefore, the uniformity of the power generation reaction in the plane of the membrane electrode assembly 2 can be further enhanced.

さらに、燃料注入口32と複数の燃料供給口33とを細管34で接続することによって、燃料電池1の特定箇所により多くの燃料を供給するような設計が可能となる。例えば、装置装着上の都合から燃料電池1の半分の放熱がよくなってしまうような場合、従来では温度分布が生じてしまい、平均出力の低下が避けられない。これに対して、細管34の形成パターンを調整し、予め放熱のよい部分に燃料供給口33を密に配置することによって、その部分での発電に伴う発熱を多くすることができる。これによって、面内の発電度合いを均一化することができ、出力低下を抑制することが可能となる。   Further, by connecting the fuel injection port 32 and the plurality of fuel supply ports 33 with the thin tubes 34, it is possible to design to supply more fuel to a specific location of the fuel cell 1. For example, in the case where the heat dissipation by half of the fuel cell 1 is improved due to the convenience of mounting the device, a temperature distribution is conventionally generated, and a decrease in average output is inevitable. On the other hand, by adjusting the formation pattern of the thin tubes 34 and arranging the fuel supply ports 33 densely in a portion where heat dissipation is good in advance, it is possible to increase the heat generated by the power generation in that portion. Thereby, the in-plane power generation degree can be made uniform, and it is possible to suppress a decrease in output.

このような例の燃料電池1においても、図1に示した例と同様に、膜電極接合体2において、アノード13及びカソード16に挟持された第1領域171と、アノード13及びカソード16から露出し改質された第2領域172とを有する電解質膜17を適用している。このような構成であっても、図1に示した例と同様の効果が得られる。   Also in the fuel cell 1 of such an example, similarly to the example shown in FIG. 1, in the membrane electrode assembly 2, the first region 171 sandwiched between the anode 13 and the cathode 16 and the anode 13 and the cathode 16 are exposed. The electrolyte membrane 17 having the modified second region 172 is applied. Even with such a configuration, the same effect as the example shown in FIG. 1 can be obtained.

さらに、アクティブ方式の燃料電池についても同様の構成を適用することにより、同様の効果が得られることは言うまでもない。   Furthermore, it goes without saying that the same effect can be obtained by applying the same configuration to the active fuel cell.

上述した各実施形態の燃料電池1は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。各実施形態の燃料電池1は、濃度が80wt%以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、各実施形態は、濃度が80wt%以上のメタノール水溶液または純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池1に適用することが好ましい。   The fuel cell 1 of each embodiment described above is effective when various liquid fuels are used, and the type and concentration of the liquid fuel are not limited. The fuel cell 1 of each embodiment can particularly exhibit its performance and effects when methanol having a concentration of 80 wt% or more is used as the liquid fuel. Therefore, each embodiment is preferably applied to the fuel cell 1 using a methanol aqueous solution or pure methanol having a concentration of 80 wt% or more as a liquid fuel.

なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、MEAに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除したりする等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。   The present invention can be applied to various fuel cells using liquid fuel. In addition, the specific configuration of the fuel cell, the supply state of the fuel, and the like are not particularly limited, and all of the fuel supplied to the MEA is liquid fuel vapor, all is liquid fuel, or part is liquid state. The present invention can be applied to various forms such as a vapor of supplied liquid fuel. In the implementation stage, the constituent elements can be modified and embodied without departing from the technical idea of the present invention. Furthermore, various modifications are possible, such as appropriately combining a plurality of constituent elements shown in the above embodiment, or deleting some constituent elements from all the constituent elements shown in the embodiment. Embodiments of the present invention can be expanded or modified within the scope of the technical idea of the present invention, and these expanded and modified embodiments are also included in the technical scope of the present invention.

図1は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池の構造を概略的に示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 図2は、図1に示した燃料電池における膜電極接合体の構造の一部の断面を概略的に示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view schematically showing a cross section of a part of the structure of the membrane electrode assembly in the fuel cell shown in FIG. 図3は、図2に示した膜電極接合体の平面図である。FIG. 3 is a plan view of the membrane electrode assembly shown in FIG. 図4は、図1に示した燃料電池に適用可能な膜電極接合体の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a membrane electrode assembly applicable to the fuel cell shown in FIG. 図5は、図1に示した燃料電池に適用可能な膜電極接合体の製造方法の一例を説明するためのフローチャートである。FIG. 5 is a flowchart for explaining an example of a method of manufacturing a membrane electrode assembly applicable to the fuel cell shown in FIG. 図6は、この発明の実施の形態に係る燃料電池の他の構造を概略的に示す断面図である。FIG. 6 is a sectional view schematically showing another structure of the fuel cell according to the embodiment of the present invention. 図7は、この発明の実施の形態に係る燃料電池の他の構造を概略的に示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing another structure of the fuel cell according to the embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池 2…膜電極接合体 3…燃料供給機構
11…アノード触媒層 12…アノードガス拡散層 13…アノード
14…カソード触媒層 15…カソードガス拡散層 16…カソード
17…電解質膜 171…第1領域 172…第2領域(改質領域)
18…カバー部材 18A…開口
19…シール材 20…保湿層
3…燃料供給機構 30…燃料収容部 30A…開口部 31…燃料供給部
41…支持部材 42…多孔体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell 2 ... Membrane electrode assembly 3 ... Fuel supply mechanism 11 ... Anode catalyst layer 12 ... Anode gas diffusion layer 13 ... Anode 14 ... Cathode catalyst layer 15 ... Cathode gas diffusion layer 16 ... Cathode 17 ... Electrolyte membrane 171 ... First 1 region 172 ... 2nd region (modified region)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 18 ... Cover member 18A ... Opening 19 ... Sealing material 20 ... Moisturizing layer 3 ... Fuel supply mechanism 30 ... Fuel accommodating part 30A ... Opening part 31 ... Fuel supply part 41 ... Support member 42 ... Porous body

Claims (8)

電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置された複数のアノードと、前記電解質膜の他方の面に配置され前記アノードのそれぞれと対向する複数のカソードと、を有する膜電極接合体を備え、
前記電解質膜は、少なくともその一部に前記アノードと前記カソードとで挟持された第1領域と、前記アノード及び前記カソードから露出し改質された第2領域と、を有することを特徴とする燃料電池。
A membrane electrode assembly comprising: an electrolyte membrane; a plurality of anodes disposed on one surface of the electrolyte membrane; and a plurality of cathodes disposed on the other surface of the electrolyte membrane and facing each of the anodes. ,
The electrolyte membrane has a first region sandwiched between at least a part of the anode and the cathode, and a second region exposed and modified from the anode and the cathode. battery.
前記第2領域は、前記第1領域より硬度が高いことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the second region has a higher hardness than the first region. 前記電解質膜の端部は、前記第2領域と同等以上の硬度を有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein an end portion of the electrolyte membrane has a hardness equal to or higher than that of the second region. 前記膜電極接合体に供給される液体燃料は、メタノール燃料であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the liquid fuel supplied to the membrane electrode assembly is methanol fuel. 前記メタノール燃料は、メタノール濃度が80wt%以上のメタノール水溶液または純メタノールであることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 4, wherein the methanol fuel is a methanol aqueous solution or pure methanol having a methanol concentration of 80 wt% or more. 電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置された複数のアノードと、前記電解質膜の他方の面に配置され前記アノードのそれぞれと対向する複数のカソードと、を有する膜電極接合体を備え、
前記電解質膜は、少なくともその一部に前記アノードと前記カソードとで挟持された第1領域と、前記アノード及び前記カソードから露出し前記第1領域より燃料透過率が低い第2領域と、を有することを特徴とする燃料電池。
A membrane electrode assembly comprising: an electrolyte membrane; a plurality of anodes disposed on one surface of the electrolyte membrane; and a plurality of cathodes disposed on the other surface of the electrolyte membrane and facing each of the anodes. ,
The electrolyte membrane includes a first region sandwiched between at least a part of the anode and the cathode, and a second region exposed from the anode and the cathode and having a lower fuel permeability than the first region. The fuel cell characterized by the above-mentioned.
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置された複数のアノードと、前記電解質膜の他方の面に配置され前記アノードのそれぞれと対向する複数のカソードと、を有する膜電極接合体を用意する工程と、
前記電解質膜の前記アノード及び前記カソードから露出した領域に電子線を照射して改質する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
A membrane electrode assembly having an electrolyte membrane, a plurality of anodes disposed on one surface of the electrolyte membrane, and a plurality of cathodes disposed on the other surface of the electrolyte membrane and facing each of the anodes is prepared And a process of
Irradiating an electron beam to a region exposed from the anode and the cathode of the electrolyte membrane, and modifying the electrolyte membrane;
A method for producing a fuel cell, comprising:
電解質膜に電子線を照射して所定サイズにカットする工程と、
前記電解質膜の一方の面に配置された複数のアノードと、前記電解質膜の他方の面に配置され前記アノードのそれぞれと対向する複数のカソードと、を有する膜電極接合体を用意する工程と、
前記電解質膜の前記アノード及び前記カソードから露出した領域に、前記電解質膜をカットするのに使用した電子線より低エネルギの電子線を照射して前記電解質膜を改質する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
Irradiating the electrolyte membrane with an electron beam and cutting it into a predetermined size;
Providing a membrane electrode assembly having a plurality of anodes disposed on one surface of the electrolyte membrane and a plurality of cathodes disposed on the other surface of the electrolyte membrane and facing each of the anodes;
Irradiating a region exposed from the anode and the cathode of the electrolyte membrane with an electron beam having a lower energy than the electron beam used to cut the electrolyte membrane; and modifying the electrolyte membrane;
A method for producing a fuel cell, comprising:
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