JP2009187797A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池に関し、特に液体燃料を用いた燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell using liquid fuel.
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しない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と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 without being charged for a long time. A fuel cell is characterized in that it can generate electric power simply by supplying fuel and air, and can continuously generate electric power 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.
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期待されている。 The direct methanol fuel cell (DMFC) is expected to be a power source for portable electronic devices because it can be miniaturized and the fuel can be easily handled.
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。 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.
アノード(燃料極)に燃料を供給する手段としては、さまざまな方法が採用可能である。例えば、メタノール水溶液等の液体燃料を、アノード導電層の下に直接流通させる方式や、燃料電池の外部で、メタノール等を蒸発させて気体燃料を生じ、その気体燃料をアノード導電層の下に流通させる外部気化型、燃料収容部に純メタノールやメタノール水溶液等の液体燃料を収容し、液体燃料を電池内部で気化させてアノードに供給する内部気化型等が考えられる。 Various methods can be adopted as means for supplying fuel to the anode (fuel electrode). For example, a liquid fuel such as an aqueous methanol solution can be directly circulated under the anode conductive layer, or a gas fuel can be generated by evaporating methanol etc. outside the fuel cell, and the gaseous fuel can be circulated under the anode conductive layer. An external vaporization type to be used, an internal vaporization type in which liquid fuel such as pure methanol or an aqueous methanol solution is accommodated in the fuel accommodating portion, and the liquid fuel is vaporized inside the cell and supplied to the anode, etc. are conceivable.
また、カソード(空気極)に酸化剤である空気を供給する手段としては、空気をファンやブロワにより強制的に供給するアクティブ型や、大気からの自然拡散のみにより供給する自発呼吸(パッシブ)型などが考えられる。 In addition, as means for supplying air, which is an oxidant, to the cathode (air electrode), an active type that forcibly supplies air by a fan or blower, or a spontaneous breathing (passive) type that supplies only by natural diffusion from the atmosphere. And so on.
これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はDMFCの小型化に対して特に有利である。パッシブ型DMFCにおいては、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体(燃料電池セル)を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている(例えば特許文献1参照)。膜電極接合体は、燃料極側に配置されるアノード導電層と、空気極側に配置されるカソード導電層とに挟持されている。 Among these, a passive system such as an internal vaporization type is particularly advantageous for downsizing of the DMFC. In the passive DMFC, for example, a structure is proposed in which a membrane electrode assembly (fuel cell) having a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode is disposed on a fuel containing portion made of a resin box-like container ( For example, see Patent Document 1). The membrane electrode assembly is sandwiched between an anode conductive layer disposed on the fuel electrode side and a cathode conductive layer disposed on the air electrode side.
燃料収容部から流路を介して燃料供給部に供給された液体燃料は、液体燃料のまま、もしくは液体燃料と液体燃料が気化した気化燃料が混在する状態で、燃料分配層およびアノード導電層を介して燃料電池セルのアノードガス拡散層に供給される。アノードガス拡散層に供給された燃料は、アノードガス拡散層で拡散してアノード触媒層に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層で次の式(1)に示すメタノールの内部改質反応が生じる。 The liquid fuel supplied to the fuel supply unit from the fuel storage unit via the flow path remains as the liquid fuel or the fuel distribution layer and the anode conductive layer are formed in a state where the liquid fuel and the vaporized fuel in which the liquid fuel is vaporized are mixed. To the anode gas diffusion layer of the fuel cell. The fuel supplied to the anode gas diffusion layer is diffused in the anode gas diffusion layer and supplied to the anode catalyst layer. When methanol fuel is used as the liquid fuel, an internal reforming reaction of methanol represented by the following formula (1) occurs in the anode catalyst layer.
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e− …式(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、メタノールは、カソード触媒層で生成した水や電解質膜中の水と上記した式(1)の内部改質反応によって改質されるか、または水を必要としない他の反応機構により改質される。
CH3OH + H2O → CO2 + 6H + + 6e − Formula (1)
When pure methanol is used as the methanol fuel, the methanol is reformed by the internal reforming reaction of the above formula (1) with water generated in the cathode catalyst layer or water in the electrolyte membrane, or It is modified by other reaction mechanisms that do not require water.
この反応で生成した電子(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、カソードに導かれる。また、式(1)の内部改質反応で生成したプロトン(H+)は、電解質膜を経てカソードに導かれる。カソードには、保湿層を介して、酸化剤ガスとして空気が供給される。カソードに到達した電子(e−)とプロトン(H+)は、カソード触媒層で空気中の酸素と次の式(2)に示す反応を生じ、この発電反応に伴って水が生成する。 The electrons (e − ) generated by this reaction are guided to the outside via a current collector, and are operated to a cathode 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 through the electrolyte membrane. Air is supplied to the cathode as an oxidant gas through the moisture retention layer. The electrons (e − ) and protons (H + ) that have reached the cathode cause a reaction represented by the following formula (2) with oxygen in the air in the cathode catalyst layer, and water is generated in accordance with this power generation reaction.
(3/2)O2+6e−+6H+ → 3H2O …式(2)
上記した内部改質反応が円滑に行なわれ、高出力で安定した出力を燃料電池において得るためには、式(2)によってカソード触媒層で生成した水(H2O)のうち少なくとも一部が、電解質膜を透過してアノード触媒層に拡散し、式(1)の反応によって消費されるというサイクルが、円滑に行なわれる必要がある。
(3/2) O2 + 6e − + 6H + → 3H 2 O Formula (2)
In order to smoothly perform the internal reforming reaction described above and obtain a high output and a stable output in the fuel cell, at least a part of the water (H 2 O) generated in the cathode catalyst layer by the formula (2) is an electrolyte. The cycle of permeating the membrane, diffusing into the anode catalyst layer and being consumed by the reaction of formula (1) needs to be performed smoothly.
これを実現するため、カソードの近傍に、カソード触媒層において生成した水を含浸して蒸散を抑止する保湿層を配置し、前記カソード触媒層の水分保持量が前記アノード触媒層の水分保持量よりも多い状態を形成し、浸透圧現象を利用して前記カソード触媒層で生成した水を前記電解質膜を通して前記アノード触媒層に供給している。
上記のような、保湿層を利用してカソードからアノードへの水の供給を促進する燃料電池では、カソードからアノードに供給する水の量を多くするために、保湿層の膜電極接合体に接する側と、外気に接する側との間の温度差を大きくし、保湿層の内部で水蒸気が凝縮(液化)して液体の水を生成する作用を促進するのが良い。このためには、保湿層の厚さは厚いほど良いが、保湿層の厚さが厚くなると、外気から保湿層を透過してカソードに供給される酸素の量が減少したり、カソードから外気への放熱量が少なくなり、カソードの温度が過剰に上昇したりする場合があった。 In the fuel cell that promotes the supply of water from the cathode to the anode using the moisturizing layer as described above, in order to increase the amount of water supplied from the cathode to the anode, it contacts the membrane electrode assembly of the moisturizing layer. It is preferable that the temperature difference between the side and the side in contact with the outside air is increased to promote the action of water vapor condensing (liquefying) inside the moisture retaining layer to generate liquid water. For this purpose, the thicker the moisturizing layer, the better. However, as the moisturizing layer becomes thicker, the amount of oxygen that passes through the moisturizing layer from the outside air and is supplied to the cathode decreases, or from the cathode to the outside air. In some cases, the amount of heat dissipated decreased and the temperature of the cathode increased excessively.
一方、保湿層の厚さ方向での温度差が過剰に大きくなると、燃料電池の発電中は常に、カソード触媒層に大量の水分を保持した状態となり、この状態で発電を長期間続けていると、カソード触媒層の気孔が水で塞がれ、カソード触媒層における空気の拡散性が劣化し、発電特性が低下する場合があった。 On the other hand, if the temperature difference in the thickness direction of the moisturizing layer becomes excessively large, the cathode catalyst layer always retains a large amount of moisture during the power generation of the fuel cell. In some cases, the pores of the cathode catalyst layer are blocked with water, the air diffusibility in the cathode catalyst layer deteriorates, and the power generation characteristics deteriorate.
このため、カソードからアノードへ充分な量の水を供給し、かつ、カソード触媒層における空気の拡散性の劣化を防ぐために、保湿層の厚さ方向での温度差には最適値が存在する。この保湿層の厚さ方向での温度差の最適値は、燃料電池の発電中のカソードの温度と密接な関係がある。 For this reason, there is an optimum value for the temperature difference in the thickness direction of the moisturizing layer in order to supply a sufficient amount of water from the cathode to the anode and prevent deterioration of air diffusibility in the cathode catalyst layer. The optimum value of the temperature difference in the thickness direction of the moisture retention layer is closely related to the temperature of the cathode during power generation of the fuel cell.
カソードの温度が高い場合、そのカソード触媒層における水の蒸気圧は高くなり、水蒸気は保湿層を透過して外気へ蒸散しやすい。その蒸散を抑制して、アノードに充分な量の水を供給するためには、保湿層の厚さ方向での温度差を大きくする必要がある。 When the temperature of the cathode is high, the vapor pressure of water in the cathode catalyst layer becomes high, and the water vapor easily permeates through the moisture retaining layer to the outside air. In order to suppress the transpiration and supply a sufficient amount of water to the anode, it is necessary to increase the temperature difference in the thickness direction of the moisturizing layer.
一方、カソードの温度が低い場合、そのカソード触媒層における水の蒸気圧は低くなり、水蒸気が外気へ蒸散することが抑制され、カソード触媒層中で凝縮(液化)して気孔を塞ぐため、いわゆるフラッディングが発生しやすくなる。そのため、保湿層の厚さ方向での温度差を小さくする必要がある。 On the other hand, when the temperature of the cathode is low, the vapor pressure of water in the cathode catalyst layer is low, and water vapor is prevented from evaporating to the outside air, condensing (liquefaction) in the cathode catalyst layer and closing the pores, so-called Flooding is likely to occur. Therefore, it is necessary to reduce the temperature difference in the thickness direction of the moisture retaining layer.
ところが、カソードの温度は全ての場所で等しいとは限らず、膜電極接合体の平面方向で温度分布が生じることがある。このような温度分布が生じる原因としては、燃料分配層から膜電極接合体に供給される燃料の量が不均一であることや、膜電極接合体で発生した熱が外気へ放散される量が不均一であること等が考えられる。多くの場合、膜電極接合体の平面方向において、カソードの中央部で温度が高く、周辺部で温度が低くなる。 However, the temperature of the cathode is not always the same at all locations, and a temperature distribution may occur in the planar direction of the membrane electrode assembly. The cause of such temperature distribution is that the amount of fuel supplied from the fuel distribution layer to the membrane electrode assembly is not uniform, and the amount of heat generated in the membrane electrode assembly is dissipated to the outside air. It may be non-uniform. In many cases, in the planar direction of the membrane electrode assembly, the temperature is high at the central portion of the cathode and the temperature is low at the peripheral portion.
このとき、保湿層の厚さ方向での温度差が、膜電極接合体の平面方向で全て同じであると、カソードの温度が高い部分では、カソードからアノードへ供給される水の量が不足する場合がある。その場合、上記した式(1)の反応が円滑に行なわれなくなり、燃料電池の出力が低下することとなる。一方、カソードの温度が低い部分では、カソード触媒層中における水の凝縮が生じやすくなる。その場合、発電時間と共に燃料電池の出力が低下することとなる。 At this time, if the temperature difference in the thickness direction of the moisturizing layer is the same in the plane direction of the membrane electrode assembly, the amount of water supplied from the cathode to the anode is insufficient at the portion where the temperature of the cathode is high. There is a case. In that case, the reaction of the above formula (1) is not performed smoothly, and the output of the fuel cell is lowered. On the other hand, in the portion where the temperature of the cathode is low, water condenses easily in the cathode catalyst layer. In that case, the output of the fuel cell decreases with the power generation time.
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであって、膜電極接合体を構成するカソード中に保持される水の量と、カソードからアノードに供給される水の量とを、平面方向の全ての部分において適切な範囲に維持することにより、長期間に亘って安定な出力を維持する燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and the amount of water held in the cathode constituting the membrane electrode assembly and the amount of water supplied from the cathode to the anode are flattened. An object of the present invention is to provide a fuel cell that maintains a stable output for a long period of time by maintaining it in an appropriate range in all parts of the direction.
本発明の態様による燃料電池は、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とからなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給機構と、前記膜電極接合体の前記空気極側に配置され、前記空気極で生成した水を含浸する保湿層と、前記保湿層の表面に接し、外気へ熱を放散する放熱部材と、を備え、前記放熱部材は、前記膜電極接合体の平面方向において前記空気極の温度が高い領域に対応して配置された第1放熱部材と、前記空気極の温度が低い領域に対応して配置された第2放熱部材とを備え、発電時に前記第1放熱部材からの放熱量が前記第2放熱部材からの放熱量よりも大きくなるように構成されている。 A fuel cell according to an aspect of the present invention includes a membrane electrode assembly including a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode, and the fuel electrode side of the membrane electrode assembly. A fuel supply mechanism for supplying fuel to the fuel electrode, a moisturizing layer disposed on the air electrode side of the membrane electrode assembly and impregnating water generated at the air electrode, and the moisturizing layer A first heat radiating member disposed in correspondence with a region where the temperature of the air electrode is high in a planar direction of the membrane electrode assembly. And a second heat dissipating member disposed corresponding to a region where the temperature of the air electrode is low, and a heat dissipation amount from the first heat dissipating member is larger than a heat dissipation amount from the second heat dissipating member during power generation. It is comprised so that it may become.
本発明によれば、長期間に亘って安定な出力を維持する燃料電池を提供することができる。 The present invention can provide a fuel cell that maintains a stable output over a long period of time.
以下に、本発明の一実施形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。図1に示すように、本実施形態に係る燃料電池は膜電極接合体10を有している。膜電極接合体10は、アノード(燃料極)と、カソード(空気極)と、アノードとカソードとの間に挟持された電解質膜15とを有している。
A fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the fuel cell according to the present embodiment has a
アノードは、アノードガス拡散層12と、アノードガス拡散層12上に配置されたアノード触媒層11とを有している。カソードは、カソードガス拡散層14と、カソードガス拡散層14上に配置されたカソード触媒層13とを有している。膜電極接合体10のアノード側にはアノード導電層16が配置されている。また膜電極接合体10のカソード側にはカソード導電層17が配置されている。
The anode includes an anode
本実施形態に係る燃料電池では、アノードは、例えば以下の製法により製造される。まず、アノード用触媒粒子(Pt:Ru=1:1)を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、アノード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。 In the fuel cell according to this embodiment, the anode is manufactured, for example, by the following manufacturing method. First, to a carbon black supporting anode catalyst particles (Pt: Ru = 1: 1), a perfluorocarbon sulfonic acid solution as a proton conductive resin, water and methoxypropanol as a dispersion medium are added, and anode catalyst particles are prepared. A paste was prepared by dispersing the supported carbon black.
上記のようにして得られたペーストを、アノードガス拡散層12としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより、厚さが100μmのアノード触媒層11を形成することができる。
By applying the paste obtained as described above to porous carbon paper as the anode
本実施形態に係る燃料電池では、カソードは、例えば以下の製法により製造される。まず、カソード用触媒粒子(Pt)を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、カソード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。 In the fuel cell according to this embodiment, the cathode is manufactured, for example, by the following manufacturing method. First, perfluorocarbon sulfonic acid solution as a proton conductive resin and water and methoxypropanol as a dispersion medium are added to carbon black supporting cathode catalyst particles (Pt), and the carbon black supporting cathode catalyst particles is dispersed. To prepare a paste.
上記のようにして得られたペーストを、カソードガス拡散層14としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより、例えば厚さが100μmのカソード触媒層13を形成することができる。
By applying the paste obtained as described above to porous carbon paper as the cathode
なお、本実施形態に係る燃料電池では、アノードガス拡散層12と、カソードガス拡散層14とは、略同形同大で厚さも略等しく、これらのガス拡散層に塗布されたアノード触媒層11およびカソード触媒層13も略同形同大である。
In the fuel cell according to this embodiment, the anode
上記したように形成したアノード触媒層11とカソード触媒層13との間に、電解質膜15として例えば厚さが30μmで、含水率が10〜20重量%のパーフルオロカーボンスルホン酸膜(商品名:nafion膜、デュポン社製)を配置し、アノード触媒層11とカソード触媒層13とが対向するように位置を合わせた状態で、ホットプレスを施すことにより膜電極接合体10を製造した。
Between the
本実施形態に係る燃料電池では、膜電極接合体10において、電解質膜15のうち、アノード触媒層11とカソード触媒層13にともに接しておらず、かつ以下で述べるOリング19の内側に相当する位置に、ガス排出孔(図示せず)を設けても良い。
In the fuel cell according to the present embodiment, in the
続いて、この膜電極接合体10を、複数の開孔を有するアノード導電層16およびカソード導電層17をそれぞれアノードガス拡散層12のアノード触媒層11の反対の面、およびカソードガス拡散層14のカソード触媒層13の反対の面に形成した。
Subsequently, the
これらアノード導電層16およびカソード導電層17は、例えば、金、ニッケルなどの金属材料からなる多孔質層(例えばメッシュ)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などをそれぞれ使用することができる。
The anode
なお、電解質膜15とアノード導電層16との間、電解質膜15とカソード導電層17との間には、それぞれゴム製のOリング19を挟持させて膜電極接合体10にシールを施した。
A rubber O-
カソード導電層17の上には、保湿層20として、例えば厚さが0.75mmで、透気度が1.7秒/100cm3(JIS P−8117に規定の測定方法による)で、透湿度が3000g/(m2・24h)(JIS L−1099 A−1に規定の測定方法による)、ショア硬度がD44のポリエチレン製多孔質フィルムを、積層した。
On the
外気からカソードに供給される空気は、この保湿層20を透過することとなる。この保湿層20の上に、放熱部材として表面カバー23を積層した。本実施形態に係る燃料電池では、表面カバー23は、例えば一辺の長さ3mmの正方形の空気導入口24を均等に48個形成した、厚さ1.0mmのステンレス板(SUS304)である。
The air supplied from the outside air to the cathode will pass through the
本実施形態に係る燃料電池では、表面カバー23は、第1放熱部材22および第2放熱部材21を有している。これら第1放熱部材22および第2放熱部材21は、発電時に第1放熱部材22からの放熱量が第2放熱部材21からの放熱量よりも大きくなるように構成されている。
In the fuel cell according to the present embodiment, the
第1放熱部材22からの放熱量を第2放熱部材21からの放熱量よりも大きくするには、例えば、第1放熱部材22の外気に接する表面積が、第2放熱部材21よりも大きくなるように構成されていても良い。また、第1放熱部材22が、第2放熱部材21よりも保湿層20の表面に接する面積が大きくなるように構成されていても良い。また、第1放熱部材22が、第2放熱部材21よりも熱伝導率が高い材料で構成されていても良い。
In order to make the amount of heat released from the first
第1放熱部材22は、膜電極接合体10の平面方向(X−Y方向)において、発電時にカソードの温度が高くなる第1領域に対応して配置されている。第2放熱部材21は、発電時にカソードの温度が第1領域よりも低くなる第2領域に対応して配置されている。
The first
放熱部材としては、液体燃料や水、酸素等によって溶解や腐食、酸化等を生じることがなく、かつ熱伝導率の高い物質で構成されることが望ましい。具体的には、ステンレス、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン等の金属またはこれら金属の合金、アルミナセラミックス、窒化アルミニウム、陶磁器、ガラス等のセラミック類が使用可能である。また、樹脂に炭素や金属等の粉末を混合した熱伝導性樹脂も使用可能である。 The heat dissipating member is preferably made of a material having high thermal conductivity without being dissolved, corroded, oxidized, or the like by liquid fuel, water, oxygen, or the like. Specifically, metals such as stainless steel, copper, aluminum, tungsten, and molybdenum, or alloys of these metals, ceramics such as alumina ceramics, aluminum nitride, ceramics, and glass can be used. A heat conductive resin in which a powder of carbon, metal, or the like is mixed with a resin can also be used.
また、放熱部材としては、熱伝導率が高く、かつ肉厚が薄くても強度が高いという点からは、金属が最も望ましい。特に、銅(20℃における熱伝導率370W/mK)、アルミニウム(20℃における熱伝導率204W/mK)、タングステン(20℃における熱伝導率198W/mK)は熱伝導率が高いために好ましい。好ましくは、更にその表面にアルマイト処理(陽極酸化処理)したものが使用される。外気への放射率を上げるためには、特に、表面を黒色アルマイト処理をすることが好ましい。 Moreover, as a heat radiating member, a metal is most desirable from the viewpoint of high heat conductivity and high strength even when the wall thickness is thin. In particular, copper (thermal conductivity at 20 ° C .: 370 W / mK), aluminum (thermal conductivity at 20 ° C .: 204 W / mK), and tungsten (thermal conductivity at 20 ° C .: 198 W / mK) are preferable because of high thermal conductivity. Preferably, the surface further anodized (anodized) is used. In order to increase the emissivity to the outside air, it is particularly preferable to treat the surface with black alumite.
但し、熱伝導材として金属材料を用いた場合、カソードで生成した水や、大気中に含まれる酸素や水蒸気等によって酸化、腐食を生じる可能性がある。それを防ぐために、ステンレス(20℃における熱伝導率15W/mK)等の腐食しにくい材料を用いるか、または、放熱部材の表面に、金などの酸化しにくい金属をメッキしたり、樹脂もしくはゴムでコーティングを施したり、液体燃料の蒸気に溶解しない塗料で塗装する等のことが行なわれる。 However, when a metal material is used as the heat conducting material, there is a possibility that oxidation or corrosion may occur due to water generated at the cathode, oxygen or water vapor contained in the atmosphere. In order to prevent this, a material that does not corrode easily such as stainless steel (thermal conductivity at 20 ° C. of 15 W / mK) is used, or a metal that is not easily oxidized such as gold is plated on the surface of the heat radiating member, or a resin or rubber. For example, the coating may be performed or the coating may be performed with a paint that does not dissolve in the liquid fuel vapor.
上記のようにコーティングを施すための樹脂もしくはゴムとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリ塩化ビニル、ポリイミド、シリコーン樹脂等の樹脂、エチレン・プロピレンゴム(EPDM)、フッ素ゴム等のゴムが使用可能である。これら樹脂やゴムは金属に比べて熱伝導率が低いため、コーティングを施す場合には、コーティングする樹脂もしくはゴムはできるだけ薄くするのが望ましい。 The resin or rubber for coating as described above is polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyethylene terephthalate, nylon, polyetheretherketone (PEEK), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether. Resins such as copolymer (PFA), polyvinyl chloride, polyimide, and silicone resin, and rubbers such as ethylene / propylene rubber (EPDM) and fluororubber can be used. Since these resins and rubbers have lower thermal conductivity than metals, it is desirable to make the resin or rubber to be coated as thin as possible.
第1放熱部材22および第2放熱部材21は、塊状の材料から切削加工によって作成しても、鋳造や鍛造、押し出し加工等によって所定の形に表面カバー23本体と一体作成しても、或いは、板材や角材、線材等を組み合わせて作成しても良い。
The first
第1放熱部材22および第2放熱部材21を板材等の組み合わせによって作成する場合、部材同士の接合部分における熱伝導を良くするために、部材同士ができるだけ大きな面積で接触するように構成することが望ましい。更に、接触した部材同士を溶接等で固定することが望ましい。溶接等による固定が難しい場合や、部材同士の直接接触する面積が大きく取ることが難しい場合などは、部材同士の間に熱伝導性グリス(通称サーマルグリース)を塗布したり、熱伝導性接着剤で固定しても良い。
In the case where the first
膜電極接合体10のアノード側には、燃料分配層30に液体燃料Fを供給するための燃料供給機構40が配置されている。燃料分配層30に液体燃料Fを供給する燃料供給機構40は、図1に示すように、燃料収容部41と、燃料供給部42と、流路43とを主に備える。
A
燃料収容部41には、燃料電池セルに対応した液体燃料Fが収容されている。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。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、燃料収容部41には、燃料電池セルに応じた液体燃料が収容される。
The
燃料供給部42は、配管等で構成される液体燃料Fの流路43を介して燃料収容部41と接続されている。燃料供給部42には、燃料収容部41から流路43を介して液体燃料Fが導入され、導入された液体燃料Fおよび/またはこの液体燃料Fが気化した気化成分は、燃料分配層30およびアノード導電層16を介して膜電極接合体10に供給される。流路43は、燃料供給部42や燃料収容部41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42や燃料収容部41を積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料Fの流路であってもよい。すなわち、燃料供給部42は、流路等を介して燃料収容部41と連通されていればよい。
The
燃料収容部41に収容された液体燃料Fは、重力を利用して流路43を介して燃料供給部42まで落下させて送液することができる。また、流路43に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料収容部41に収容された液体燃料Fを燃料供給部42まで送液してもよい。さらに、流路43の一部にポンプ44を介在させて、燃料収容部41に収容された液体燃料Fを燃料供給部42まで強制的に送液してもよい。
The liquid fuel F accommodated in the
燃料分配層30は、例えば、複数の開口部31が形成された平板で構成され、アノードガス拡散層12と燃料供給部42との間に挟持される。この燃料分配層30は、液体燃料Fの気化成分や液体燃料Fを透過させない材料で構成され、具体的には、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂、ポリエチレンナフタレート(PEN)樹脂、ポリイミド系樹脂等で構成される。
The
また、燃料分配層30は、例えば、液体燃料Fの気化成分と液体燃料Fとを分離し、その気化成分を膜電極接合体10側へ透過させる気液分離膜で構成されてもよい。気液分離膜には、例えば、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン(LDPE)薄膜、ポリ塩化ビニル(PVC)薄膜、ポリエチレンテレフタレート(PET)薄膜、フッ素樹脂(たとえばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)など)微多孔膜などが用いられる。
Further, the
[実施例]
以下、本発明の実施例にかかる燃料電池について図面を参照して以下に説明する。なお、以下の説明において、前述の実施形態に係る燃料電池と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
[Example]
Hereinafter, a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same components as those of the fuel cell according to the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
(第1実施例)
本実施例に係る燃料電池を以下のように作成した。最初に、アノード用触媒粒子(Pt:Ru=1:1)を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、アノード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。
(First embodiment)
A fuel cell according to this example was prepared as follows. First, to the carbon black carrying the anode catalyst particles (Pt: Ru = 1: 1), a perfluorocarbon sulfonic acid solution as a proton conductive resin and water and methoxypropanol as a dispersion medium are added. A paste was prepared by dispersing carbon black carrying bismuth.
次に、アノードガス拡散層12としての多孔質カーボンペーパ(80mm×10mmの長方形)を用意し、このアノードガス拡散層12に上記のようにして得られたペーストを塗布することにより厚さが100μmのアノード触媒層11を形成した。
Next, porous carbon paper (80 mm × 10 mm rectangle) is prepared as the anode
続いて、カソード用触媒粒子(Pt)を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、カソード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。 Subsequently, to the carbon black supporting the cathode catalyst particles (Pt), a perfluorocarbon sulfonic acid solution as a proton conductive resin and water and methoxypropanol as a dispersion medium are added, and the carbon black supporting the catalyst particles for the cathode is added. A paste was prepared by dispersing.
次に、カソードガス拡散層14としての多孔質カーボンペーパを用意し、このカソードガス拡散層14に上記のようにして得られたペーストを塗布することにより、厚さが100μmのカソード触媒層13を形成した。
Next, porous carbon paper is prepared as the cathode
なお、アノードガス拡散層12とカソードガス拡散層14とは同形同大であり、これらのガス拡散層12、14に塗布されたアノード触媒層11およびカソード触媒層13も同形同大である。
The anode
上記したように作製したアノード触媒層11とカソード触媒層13との間に、電解質膜15として厚さが30μmで、含水率が10〜20重量%のパーフルオロカーボンスルホン酸膜(商品名:nafion膜、デュポン社製)を配置し、上記したアノード触媒層11とカソード触媒層13とを各4枚ずつ、相互に対向し、かつ隣り合うアノード触媒層同士の間、カソード触媒層同士の間は1mmずつの間隔を隔てて平行するように位置を合わせた状態でホットプレスを施すことにより、膜電極接合体10を形成した。
A perfluorocarbon sulfonic acid membrane (trade name: nafion membrane) having a thickness of 30 μm and a water content of 10 to 20% by weight as the
続いて、この膜電極接合体10を、複数の開孔を有する金箔で挟み、アノード導電層16およびカソード導電層17を形成した。また、このアノード導電層16とカソード導電層17とには、上記の各4枚ずつのアノード触媒層とカソード触媒層が電気的に直列に接続されるように、膜電極接合体10の外部で配線が施されている。なお、電解質膜15とアノード導電層16との間、電解質膜15とカソード導電層17との間には、それぞれゴム製のOリング19を挟持してシールを施した。
Subsequently, the membrane /
続いて、厚さが0.75mmで、気孔率26%、透気度が1.7秒/100cm3(JIS P−8117に規定の測定方法による)で、透湿度が3000g/(m2・24h)(JIS L−1099 A−1に規定の測定方法による)のポリエチレン製多孔質フィルムを、長さ84mm、幅47mmの長方形に切り、カソード導電層17の上に積層して保湿層20を形成した。
Subsequently, the thickness was 0.75 mm, the porosity was 26%, the air permeability was 1.7 seconds / 100 cm 3 (according to the measurement method specified in JIS P-8117), and the moisture permeability was 3000 g / (m 2 · 24h) A polyethylene porous film (measured in accordance with JIS L-1099 A-1) is cut into a rectangle having a length of 84 mm and a width of 47 mm, and laminated on the
なお、カソード導電層17と保湿層20との間に空間があると、その空間の中で水蒸気が凝縮して液体の水を生じ、カソードガス拡散層14やカソード触媒層13の気孔を塞いでフラッディングを生じる恐れがあるため、カソード導電層17と保湿層20とは出来るだけ密着させることが望ましい。
If there is a space between the
続いて、この保湿層20の上に、一辺の長さが3mmの正方形の空気導入口24を均等に120個形成した厚さ1mmのステンレス板(SUS304)を積層し、表面カバー23とした。なお、保湿層20と表面カバー23との間に空間があると、保湿層20から表面カバー23への熱伝導が円滑に行なわれなくなるため、保湿層20と表面カバー23とは出来るだけ密着させることが望ましい。
Subsequently, a 1 mm thick stainless steel plate (SUS304) in which 120
表面カバー23は、図1および図2に示すように第1放熱部材22および第2放熱部材21を有している。本実施例に係る燃料電池では、膜電極接合体10の平面方向(X−Y方向)において、第1放熱部材22は発電時にカソードの温度が高くなる表面カバー23本体の中央部(第1領域)に配置され、第2放熱部材21は発電時にカソードの温度が中央部よりも低くなる表面カバー23本体の周辺部(第2領域)に配置されている。
The
すなわち、図2に示すように、第1放熱部材22および第2放熱部材21は表面カバー23本体に設けられた空気導入穴24の間において膜電極接合体10の長辺方向(Y方向)と略平行に延びるように配置されている。
That is, as shown in FIG. 2, the first
また、本実施例に係る燃料電池では、第1放熱部材22として、厚さ0.5mm、長さ50mm、高さ20mmのステンレス(SUS304。20℃における熱伝導率15W/mK)板を3枚用い、第2放熱部材21として、厚さ0.5mm、長さ50mm、高さ10mmのステンレス(SUS304)板を4枚用いた。
Further, in the fuel cell according to the present embodiment, as the first
なお、図1および図2において、第1放熱部材22および第2放熱部材21の厚さとはX方向の長さであって、長さとはY方向の長さであって、高さとはZ方向の長さである。したがって、第1放熱部材22は第2放熱部材21よりも、外気に接する表面積が大きくなるように構成されている。すなわち、本実施例に係る燃料電池では、膜電極接合体10の平面方向(X−Y方向)における中央部の放熱面積が、周辺部よりも大きくなっている。これら第1放熱部材22および第2放熱部材21は、表面カバー23本体の表面に密着するように溶接によって固定されている。
In FIGS. 1 and 2, the thickness of the first
このような構成にすることにより、表面カバー23本体、第1放熱部材22、および第2放熱部材21のいずれもが放熱部材として機能し、かつ、膜電極接合体10の平面方向(X−Y方向)における周辺部での放熱面積よりも、中央部における放熱面積を大きくすることが可能となる。
With this configuration, all of the
上記したように作成した燃料電池に、温度が25℃、相対湿度が50%の環境の下、純度99.9重量%の純メタノールを供給した。また、定電圧電源を接続して、燃料電池の出力電圧が0.3Vで一定になるように、燃料電池に流れる電流を制御した。 Pure methanol having a purity of 99.9% by weight was supplied to the fuel cell prepared as described above in an environment having a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%. A constant voltage power supply was connected to control the current flowing through the fuel cell so that the output voltage of the fuel cell was constant at 0.3V.
上記した条件の下、1000時間発電を行った後の燃料電池の出力密度P1、および、発電を開始したときの燃料電池の出力密度P0を計測した。そして、出力密度P1の、出力密度P0に対する割合(P1/P0)を算出した。その結果を図9に示す。 Under the above conditions, the output density P1 of the fuel cell after 1000 hours of power generation and the output density P0 of the fuel cell when power generation was started were measured. Then, a ratio (P1 / P0) of the output density P1 to the output density P0 was calculated. The result is shown in FIG.
ここで、燃料電池の出力密度(mW/cm2)とは、燃料電池に流れる電流密度(発電部の面積1cm2当りの電流値(mA/cm2))に燃料電池の出力電圧を乗じたものである。また、発電部の面積とは、アノード触媒層11とカソード触媒層13とが対向している部分の面積である。本実施例では、アノード触媒層11とカソード触媒層13の面積が等しく、かつ完全に対向しているので、発電部の面積はこれらの触媒層の面積に等しい。
Here, the output density (mW / cm 2 ) of the fuel cell is obtained by multiplying the current density flowing through the fuel cell (current value per 1 cm 2 area of the power generation unit (mA / cm 2 )) by the output voltage of the fuel cell. Is. The area of the power generation unit is the area of the portion where the
上記算出した出力密度P1の出力密度P0に対する割合(P1/P0)は、0.90(90%)であった。 The ratio (P1 / P0) of the calculated output density P1 to the output density P0 was 0.90 (90%).
また図2に示すように、この膜電極接合体10の平面方向(X−Y方向)における中央部の測定部A2と周辺部の測定部A1において、カソードガス拡散層14とカソード導電層17との間に熱電対を挿入し、燃料電池が発電を行なっているときのカソードガス拡散層14の表面の温度を測定した。測定の結果、中央部の測定部A2におけるカソードガス拡散層14の表面の温度は55℃で、周辺部の測定部A1におけるカソードガス拡散層14の表面の温度は50℃であった。
In addition, as shown in FIG. 2, the cathode
(第2実施例)
次に本発明の第2実施例に係る燃料電池について図面を参照して以下に説明する。なお、以下の説明において上記の第1実施例に係る燃料電池と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
(Second embodiment)
Next, a fuel cell according to a second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description, the same components as those of the fuel cell according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
本実施例に係る燃料電池では、第1放熱部材22および第2放熱部材21は、図3に示すように、表面カバー23本体の表面に配置されている。すなわち、第1放熱部材22は発電時にカソードの温度が高くなる表面カバー23本体の中央部に配置され、第2放熱部材21は発電時にカソードの温度が中央部よりも低くなる表面カバー23本体の周辺部に配置されている。
In the fuel cell according to the present embodiment, the first
さらに、本実施例に係る燃料電池では、図3に示すように、第1放熱部材22および第2放熱部材21は、表面カバー23本体に設けられた空気導入穴24の間において膜電極接合体10の短辺方向(X方向)と略平行に延びるように配置されている。
Furthermore, in the fuel cell according to the present embodiment, as shown in FIG. 3, the first
本実施例に係る燃料電池では、第1放熱部材22として、厚さ0.5mm、長さ34mm、高さ20mmのステンレス(SUS304)板を4枚用い、第2放熱部材21として、厚さ0.5mm、長さ34mm、高さ10mmのステンレス(SUS304)板を6枚用いた。
In the fuel cell according to the present embodiment, four stainless steel (SUS304) plates having a thickness of 0.5 mm, a length of 34 mm, and a height of 20 mm are used as the first
なお、図3において、第1放熱部材22および第2放熱部材21の厚さとはY方向の長さであって、長さとはX方向の長さであって、高さとはZ方向に長さである。したがって、本実施例に係る燃料電池では、第1放熱部材22は第2放熱部材21よりも、外気に接する表面積が大きくなるように構成されている。すなわち、本実施例に係る燃料電池では、膜電極接合体10の平面方向(X−Y方向)における中央部の放熱面積が、周辺部よりも大きくなっている。
In FIG. 3, the thickness of the first
この第2実施例に係る燃料電池において、上記の第1実施例に係る燃料電池の場合と同様にして出力密度P1の出力密度P0に対する割合(P1/P0)を算出すると、0.92(92%)であった。また、この第2実施例に係る燃料電池において、発電を開始したときの出力密度P0の値は、第1実施例に係る燃料電池の出力密度P0の値に対して98%であった。 In the fuel cell according to the second embodiment, when the ratio (P1 / P0) of the output density P1 to the output density P0 is calculated in the same manner as in the fuel cell according to the first embodiment, 0.92 (92 %)Met. Further, in the fuel cell according to the second example, the value of the output density P0 when power generation was started was 98% with respect to the value of the output density P0 of the fuel cell according to the first example.
また、第1実施例に係る燃料電池の場合と同様にして、本実施例に係る燃料電池が発電を行なっているときのカソードガス拡散層14の表面の温度を測定した結果、中央部の測定部A2の温度は54℃で、周辺部の測定部A1の温度は50℃であった。
Further, as in the case of the fuel cell according to the first example, the temperature of the surface of the cathode
(第3実施例)
次に、第3実施例に係る燃料電池について図面を参照して以下に説明する。本実施例に係る燃料電池では、第1放熱部材22を3組、第2放熱部材21を4枚、図4および図5に示す平面図のように、表面カバー23本体の表面に配置した。
(Third embodiment)
Next, a fuel cell according to a third embodiment will be described below with reference to the drawings. In the fuel cell according to this example, three sets of the first
本実施例に係る燃料電池では、第1放熱部材22は、第1板材22Aと第2板材22Bとを組み合わせて形成されている。すなわち、各第1放熱部材22は第1板材22Aとして厚さ0.5mm、長さ50mm、高さ10mmのステンレス(SUS304)板を1枚と、第2板材22Bとして厚さ0.5mm、幅5mm、高さ10mmのステンレス板を10枚とを有している。第1板材22Aと第2板材22Bとは、図4および図5に示すように、その長さ方向において直交するように組み合わされ、溶接で固定されている。第2放熱部材21としては、厚さ0.5mm、長さ50mm、高さ10mmのステンレス(SUS304)板を4枚用いている。
In the fuel cell according to the present embodiment, the first
なお、図4および図5に示す場合において、第1放熱部材22の第1板材22Aおよび第2放熱部材21の厚さとはX方向の長さであって、長さとはY方向の長さであって、高さとはZ方向の長さである。また、第1放熱部材22の第2板材22Bの厚さとはY方向の長さであって、幅とはX方向の長さであって、高さとはZ方向の長さである。
4 and 5, the thickness of the
したがって、第1放熱部材22は第2放熱部材21よりも、外気に接する表面積が大きくなるように構成されている。さらに、第1放熱部材22は第2放熱部材21よりも、表面カバー23本体を介して保湿層20に接する面積が大きくなるように構成されている。
Therefore, the first
なお、第1放熱部材22は、図6に示すように、第1板材22Aと、第2板材22Bとが同じ高さにないように固定しても良い。図6に示すように、第2板材22Bが表面カバー23本体の表面に接しないように第1板材22Aに固定されていることによって、図5に示す場合よりもさらに第1放熱部材22の外気に接する面積を大きくすることが出来る。すなわち、本実施例に係る燃料電池では、膜電極接合体10の平面方向(X−Y方向)における中央部の放熱面積および熱伝導面積が、周辺部よりも大きくなっている。
The first
上記の第3実施例に係る燃料電池において、第1実施例に係る燃料電池の場合と同様にして出力密度P1の出力密度P0に対する割合(P1/P0)を算出すると、0.90(90%)であった。また、この本実施例に係る燃料電池において、発電を開始したときの出力密度P0の値は、第1実施例に係る燃料電池の出力密度P0の値に対して100%であった。 In the fuel cell according to the third embodiment, when the ratio (P1 / P0) of the output density P1 to the output density P0 is calculated in the same manner as in the fuel cell according to the first embodiment, 0.90 (90% )Met. Further, in the fuel cell according to this example, the value of the output density P0 when power generation was started was 100% with respect to the value of the output density P0 of the fuel cell according to the first example.
また、第1実施例に係る燃料電池の場合と同様にして、燃料電池が発電を行なっているときのカソードガス拡散層14の表面の温度を測定した結果、中央部の測定部A2の温度は55℃で、周辺部の測定部A1の温度は50℃であった。
Further, as in the case of the fuel cell according to the first example, the temperature of the surface of the cathode
(第4実施例)
次に、本発明の第4実施例に係る燃料電池について図面を参照して以下に説明する。本実施例に係る燃料電池では、図7に示すように、第1放熱部材22として、厚さ2.0mm、長さ50mm、高さ10mmのステンレス(SUS304)板を3枚用いた以外は、第1実施例に係る燃料電池と同様である。
(Fourth embodiment)
Next, a fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the fuel cell according to the present embodiment, as shown in FIG. 7, as the first
なお、図7に示す場合において、第1放熱部材22の厚さとはX方向の長さであって、長さとはY方向の長さであって、高さとはZ方向の長さである。したがって、第1放熱部材22は第2放熱部材21よりも、外気に接する表面積が大きくなるように構成されている。さらに、第1放熱部材22は第2放熱部材21よりも、表面カバー23本体を介して保湿層20に接する面積が大きくなるように構成されている。すなわち、本実施例に係る燃料電池では、膜電極接合体10の平面方向(X−Y方向)における中央部の放熱面積および熱伝導面積が、周辺部よりも大きくなっている。
In the case shown in FIG. 7, the thickness of the first
この第4実施例に係る燃料電池において、上記の第1実施例に係る燃料電池の場合と同様にして出力密度P1の出力密度P0に対する割合(P1/P0)を算出すると、0.90(90%)であった。また、本実施例に係る燃料電池において、発電を開始したときの出力密度P0の値は、第1実施例に係る燃料電池の出力密度P0の値に対して97%であった。 In the fuel cell according to the fourth embodiment, when the ratio (P1 / P0) of the output density P1 to the output density P0 is calculated in the same manner as in the fuel cell according to the first embodiment, 0.90 (90 %)Met. Further, in the fuel cell according to this example, the value of the output density P0 when power generation was started was 97% with respect to the value of the output density P0 of the fuel cell according to the first example.
また、第1実施例に係る燃料電池の場合と同様に、本実施例に係る燃料電池が発電を行なっているときのカソードガス拡散層14の表面の温度を測定した結果、中央部の測定部A2の温度は56℃で、周辺部の測定部A1の温度は51℃であった。
Further, as in the case of the fuel cell according to the first example, as a result of measuring the temperature of the surface of the cathode
(第5実施例)
次に、本発明の第5実施例に係る燃料電池について図面を参照して以下に説明する。本実施例に係る燃料電池では、第1放熱部材22として、厚さ0.5mm、長さ50mm、高さ10mmのアルミニウム(20℃における熱伝導率204W/mK)板を3枚用いた以外は、第1実施例に係る燃料電池同様である。
(5th Example)
Next, a fuel cell according to a fifth embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the fuel cell according to the present example, the first
但し、アルミニウム板とステンレス板の溶接は困難であるため、本実施例に係る燃料電池では、図8に示すように、第1放熱部材22は、表面カバー23本体に接する位置を折り曲げて、その長さ方向に略直交する断面が略L字形状となるようにしている。すなわち、第1放熱部材22の断面を略L字状とし表面カバー23本体と接する面積を大きくしている。
However, since it is difficult to weld the aluminum plate and the stainless steel plate, in the fuel cell according to the present embodiment, as shown in FIG. 8, the first
第1放熱部材22の表面カバー23本体との接着面には熱伝導性接着剤(Arctic Silver社製の型番TA−01。20℃における熱伝導率7.5W/mK)を塗布し、表面カバー23の表面に接着した。
A heat conductive adhesive (model number TA-01 manufactured by Arctic Silver, thermal conductivity 7.5 W / mK at 20 ° C.) is applied to the adhesive surface of the first
この第5実施例に係る燃料電池において、上記の第1実施例に係る燃料電池の場合と同様にして出力密度P1の出力密度P0に対する割合(P1/P0)を算出すると、0.90(90%)であった。また、この第5実施例に係る燃料電池において、発電を開始したときの出力密度P0の値は、第1実施例に係る燃料電池の出力密度P0の値に対して102%であった。 In the fuel cell according to the fifth embodiment, when the ratio (P1 / P0) of the output density P1 to the output density P0 is calculated in the same manner as in the fuel cell according to the first embodiment, 0.90 (90 %)Met. Further, in the fuel cell according to the fifth example, the value of the output density P0 when power generation was started was 102% with respect to the value of the output density P0 of the fuel cell according to the first example.
また、上記の第1実施例に係る燃料電池の場合と同様にして、燃料電池が発電を行なっているときのカソードガス拡散層14の表面の温度を測定した結果、中央部の測定部A2の温度は53℃で、周辺部の測定部A1の温度は49℃であった。
As in the case of the fuel cell according to the first embodiment, the temperature of the surface of the cathode
(第1比較例)
次に、第1比較例に係る燃料電池につい説明する。本比較例に係る燃料電池では、第1放熱部材22および第2放熱部材21を設けず、表面カバー23本体のみを放熱部材として使用している。上記の点以外は、第1実施例に係る燃料電池と同様である。
(First comparative example)
Next, the fuel cell according to the first comparative example will be described. In the fuel cell according to this comparative example, the first
この第1比較例の燃料電池において、上記の第1実施例に係る燃料電池の場合と同様にして出力密度P1の出力密度P0に対する割合(P1/P0)を算出すると、0.90(90%)であった。また、この第1比較例に係る燃料電池において、発電を開始したときの出力密度P0の値は、第1実施例に係る燃料電池の出力密度P0の値に対して90%であった。 In the fuel cell of the first comparative example, when the ratio (P1 / P0) of the output density P1 to the output density P0 is calculated in the same manner as in the fuel cell according to the first embodiment, 0.90 (90% )Met. Further, in the fuel cell according to the first comparative example, the value of the output density P0 when power generation was started was 90% with respect to the value of the output density P0 of the fuel cell according to the first example.
また、上記の第1実施例に係る燃料電池の場合と同様にして、燃料電池が発電を行なっているときのカソードガス拡散層14の表面の温度を測定した結果、中央部の測定部A2の温度は57℃で、周辺部の測定部A1の温度は52℃であった。
As in the case of the fuel cell according to the first embodiment, the temperature of the surface of the cathode
(第2比較例)
次に、第2比較例に係る燃料電池について説明する。本比較例に係る燃料電池では、第2放熱部材21に、第1放熱部材22と同じ、厚さ0.5mm、長さ50mm、高さ20mmのステンレス(SUS304)板を用いている。上記の点以外は、第1実施例に係る燃料電池と同様である。すなわち、本比較例に係る燃料電池では、第1放熱部材22の外気に接する面積と第2放熱部材21の外気に接する面積とが同じである。
(Second comparative example)
Next, a fuel cell according to a second comparative example will be described. In the fuel cell according to this comparative example, a stainless steel (SUS304) plate having a thickness of 0.5 mm, a length of 50 mm, and a height of 20 mm, which is the same as the first
この第2比較例に係る燃料電池において、上記の第1実施例に係る燃料電池の場合と同様にして出力密度P1の出力密度P0に対する割合(P1/P0)を算出すると、0.85(85%)であった。また、この第2比較例に係る燃料電池において、発電を開始したときの出力密度P0の値は、第1実施例に係る燃料電池の出力密度P0の値に対して94%であった。 In the fuel cell according to the second comparative example, when the ratio (P1 / P0) of the output density P1 to the output density P0 is calculated in the same manner as in the fuel cell according to the first embodiment, 0.85 (85 %)Met. Further, in the fuel cell according to the second comparative example, the value of the output density P0 when power generation was started was 94% with respect to the value of the output density P0 of the fuel cell according to the first example.
また、第1実施例に係る燃料電池の場合と同様にして、燃料電池が発電を行なっているときのカソードガス拡散層14の表面の温度を測定した結果、中央部の測定部A2の温度は52℃で、周辺部の測定部A1の温度は47℃であった。
Further, as in the case of the fuel cell according to the first example, the temperature of the surface of the cathode
第1乃至第5実施例に係る燃料電池、および第1乃至第2比較例に係る燃料電池の評価結果の一例を図9に示す。図9に示すように、膜電極接合体10の平面方向(X−Y方向)中央部における放熱面積を、周辺部よりも大きくした第1乃至第3実施例に係る燃料電池、中央部の熱伝導断面積を周辺部よりも大きくした第4実施例に係る燃料電池、および、第1放熱部材22の熱伝導率を第2放熱部材21よりも大きくした第5実施例に係る燃料電池では、いずれも、発電を開始したときの出力密度と、発電を1000時間行なった後の出力密度の両方において、第1比較例および第2比較例に係る燃料電池と同等かまたはそれよりも高くなっている。
An example of the evaluation results of the fuel cells according to the first to fifth examples and the fuel cells according to the first to second comparative examples is shown in FIG. As shown in FIG. 9, the fuel cell according to the first to third embodiments in which the heat radiation area in the central portion in the plane direction (XY direction) of the
すなわち、第1乃至第5実施例に係る燃料電池が、出力が高く、かつ長期間に亘って安定に出力を維持できることが示されている。 That is, it is shown that the fuel cells according to the first to fifth embodiments have a high output and can stably maintain the output over a long period of time.
また、第1放熱部材22および第2放熱部材21を設けず、表面カバー23本体のみを放熱部材として用いた第1比較例に係る燃料電池では、発電を開始したときの出力密度が第1乃至第5実施例に係る燃料電池に比べて低下している。
Further, in the fuel cell according to the first comparative example in which the first
これは、第1放熱部材22および第2放熱部材21が無いために、カソードから外気へ放散される放熱量が少なく、カソードの温度が上昇したため、カソードからアノードへ供給される水の量が充分でなくなり、アノード触媒層11における液体燃料の酸化反応が円滑に行なわれなかったことが原因であると考えられる。
This is because the first
また、第1放熱部材22と第2放熱部材21として同一のものを用いた第2比較例に係る燃料電池では、発電を1000時間行なった後の出力密度が第1乃至第5実施例に係る燃料電池と比べて低下している。
Further, in the fuel cell according to the second comparative example using the same first
これは、膜電極接合体10の平面方向(X−Y方向)において、周辺部では膜電極接合体10のカソードの温度が低いにも関わらず、外気への放熱量を中央部と同じにしたため、カソードで発生した水蒸気の凝縮が必要以上に生じ、カソード触媒層中に保持される水の量が必要以上に多くなっており、発電時間が長くなると、カソード触媒層等の気孔が水で塞がれる、フラッディングを生じて出力が低下したためと考えられる。
This is because, in the planar direction (XY direction) of the
すなわち、上記の結果から、本実施形態に係る燃料電池によれば、膜電極接合体を構成するカソード中に保持される水の量と、カソードからアノードに供給される水の量とを、平面方向の全ての部分において適切な範囲に維持することにより、長期間に亘って安定な出力を維持する燃料電池を提供することができる。 That is, from the above results, according to the fuel cell according to the present embodiment, the amount of water retained in the cathode constituting the membrane electrode assembly and the amount of water supplied from the cathode to the anode are A fuel cell that maintains a stable output over a long period of time can be provided by maintaining it in an appropriate range in all parts of the direction.
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage.
また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、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てもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。 Further, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, you may combine suitably the component covering different embodiment.
10…膜電極接合体、11…アノード触媒層、12…アノードガス拡散層、13…カソード触媒層、14…カソードガス拡散層、15…電解質膜、16…アノード導電層、17…カソード導電層、21…第2放熱部材、22…第2放熱部材、23…表面カバー、40…燃料供給機構
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給機構と、
前記膜電極接合体の前記空気極側に配置され、前記空気極で生成した水を含浸する保湿層と、
前記保湿層の表面に接し、外気へ熱を放散する放熱部材と、を備え、
前記放熱部材は、前記膜電極接合体の平面方向において前記空気極の温度が高い領域に対応して配置された第1放熱部材と、前記空気極の温度が低い領域に対応して配置された第2放熱部材とを備え、
発電時に前記第1放熱部材からの放熱量が前記第2放熱部材からの放熱量よりも大きくなるように構成されている燃料電池。 A membrane electrode assembly comprising a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode;
A fuel supply mechanism disposed on the fuel electrode side of the membrane electrode assembly for supplying fuel to the fuel electrode;
A moisture retention layer disposed on the air electrode side of the membrane electrode assembly and impregnated with water generated by the air electrode;
A heat radiating member in contact with the surface of the moisture retaining layer and dissipating heat to the outside air, and
The heat dissipating member is disposed corresponding to a region where the temperature of the air electrode is low and a first heat dissipating member disposed corresponding to a region where the temperature of the air electrode is high in the planar direction of the membrane electrode assembly. A second heat dissipating member,
A fuel cell configured such that a heat dissipation amount from the first heat dissipation member is larger than a heat dissipation amount from the second heat dissipation member during power generation.
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WO2013153882A1 (en) * | 2012-04-11 | 2013-10-17 | シャープ株式会社 | Fuel cell, and method for using same |
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- 2008-02-06 JP JP2008026770A patent/JP2009187797A/en not_active Withdrawn
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