JP2009238597A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池に係り、特に膜電極接合体の電極に接触して集電する集電体を備えた燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell including a current collector that collects current by contacting an electrode of a membrane electrode assembly.
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(Membrane Electrode Assembly:MEA)を、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)。また、DMFCの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続することも検討されている(例えば、特許文献2及び3参照)。
Among these, passive methods such as an internal vaporization type are advantageous for downsizing the DMFC. In the passive type DMFC, for example, a structure in which a membrane electrode assembly (MEA) having a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode is arranged on a fuel storage portion formed of a box-like container has been proposed (for example, , See Patent Document 1). In addition, it has been studied to connect a DMFC fuel cell and a fuel storage part via a flow path (see, for example,
ところで、燃料電池から得られる電圧は、通常、微小であるため、DC/DCコンバーターによって昇圧して使用する場合が多い。その際の昇圧の効率を高めるため、燃料電池は、集電体を用いて電極を直列に接続して電圧を高める事が一般的に行われている。集電体としては、例えば特許文献4に記載のように、1枚の絶縁性フィルム上にカソード導電層及びアノード導電層を一体化した構造などが提案されている。
By the way, since the voltage obtained from the fuel cell is usually minute, it is often used after being boosted by a DC / DC converter. In order to increase the efficiency of boosting at that time, it is common practice to increase the voltage of a fuel cell by connecting electrodes in series using a current collector. As a current collector, for example, as disclosed in
一方で、燃料電池におけるセル内部の温度を測定しようとした場合に、例えば、特許文献5に記載のように、柔軟性を有するベースフィルム上に形成された導電パターンの一部にセンサとしての機能を設けたフレキシブルプリント回路基板を適用する技術などが提案されている。
集電体によって集電した電子を外部の回路基板に取り出すためには、集電体の出力端子を、半田などを用いて回路基板に繋がった電線と接続するといった煩雑な作業を必要とすることがある。 In order to take out the electrons collected by the current collector to an external circuit board, it is necessary to perform a complicated operation such as connecting the output terminal of the current collector to an electric wire connected to the circuit board using solder or the like. There is.
この発明の目的は、製造コストを削減することが可能であり、しかも、安定した出力を得ることが可能な燃料電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of reducing the manufacturing cost and obtaining a stable output.
この発明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燃料極と、前記電解質膜の他方の面に配置され前記燃料極のそれぞれと対向する複数の空気極と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する絶縁基板と、
を備えた燃料電池であって、
前記絶縁基板は、絶縁フィルム上に、前記膜電極接合体の前記燃料極と前記空気極との各組を電気的に直列に接続する集電体と、温度を検出する温度検出部と、を備えたことを特徴とする。
A fuel cell according to an aspect of the present invention includes:
Membrane electrode joint comprising an electrolyte membrane, a plurality of fuel electrodes disposed on one surface of the electrolyte membrane, and a plurality of air electrodes disposed on the other surface of the electrolyte membrane and facing each of the fuel electrodes Body,
An insulating substrate sandwiching the membrane electrode assembly;
A fuel cell comprising:
The insulating substrate comprises: a current collector that electrically connects each set of the fuel electrode and the air electrode of the membrane electrode assembly on an insulating film; and a temperature detection unit that detects temperature. It is characterized by having.
この発明によれば、製造コストを削減することが可能であり、しかも、安定した出力を得ることが可能な燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell capable of reducing the manufacturing cost and obtaining a stable output.
以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池に関する技術について図面を参照して説明する。 A technique related to a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、この実施の形態に係る燃料電池1の主要部を概略的に示す断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a main part of a fuel cell 1 according to this embodiment.
燃料電池1は、起電部を構成する膜電極接合体(MEA)2と、膜電極接合体2に燃料を供給する燃料供給機構3と、液体燃料を収容する燃料収容部4とから主として構成されている。
The fuel cell 1 mainly includes a membrane electrode assembly (MEA) 2 that constitutes an electromotive unit, a fuel supply mechanism 3 that supplies fuel to the
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。
That is, in the fuel cell 1, the
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。
Examples of the catalyst contained in the
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。 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
アノード触媒層11は、電解質膜17上に配置されている。アノードガス拡散層12は、アノード触媒層11に積層されている。この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。カソード触媒層14は、電解質膜17上に配置されている。カソードガス拡散層15は、カソード触媒層14に積層されている。この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。これらの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や炭素繊維などの導電性を有する多孔質基材によって構成されている。
The
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
膜電極接合体2は、電解質膜17のアノード側及びカソード側にそれぞれ配置されたゴム製のOリング等のシール部材19によってシールされており、これにより、膜電極接合体2からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。
The
膜電極接合体2のカソード16側には、絶縁材料によって形成された板状体20が配置されている。この板状体20は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体20は、カソード触媒層14で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制するとともに、カソード触媒層14への空気の取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するものである。この板状体20は、カソードガス拡散層15より熱伝導率が低い絶縁層あるいはそれに順ずる高抵抗の層であり、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。
A plate-
この実施の形態においては、膜電極接合体2は、同一の電解質膜17における一方の面17A上に配置された複数のアノード13と、電解質膜17における他方の面17B上に配置された複数のカソード16とを有しており、各アノード13と各カソード16とが電解質膜17を介して対向している。つまり、アノード13とカソード16との各組は、単セルCを構成し、それぞれが電解質膜17の平面上において、分離されて配置されている。
In this embodiment, the
図2及び図3に示した例では、膜電極接合体2は、単一の電解質膜17の一方の面17A上に配置された4個のアノード131〜134と、電解質膜17の他方の面17Bに配置された4個のカソード161〜164と、を有している。アノード131とカソード161とがそれぞれ対向するように配置されており、1組の単セルCを構成している。同様に、アノード132とカソード162とがそれぞれ対向するように配置され、アノード133とカソード163とがそれぞれ対向するように配置され、アノード134とカソード164とがそれぞれ対向するように配置されており、4組の単セルCが同一平面上に配列されている。
In the example shown in FIGS. 2 and 3, the membrane /
燃料電池1は、これらのアノード13とカソード16との各組を電気的に直列に接続する集電体40を備えている。集電体40の構造については、後に詳細に説明する。
The fuel cell 1 includes a
上述した膜電極接合体2は、絶縁基板Fに挟持され、燃料供給機構3とカバープレート21との間に配置されている。カバープレート21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、カバープレート21は、酸化剤である空気を取入れるための複数の開口部(空気導入孔)21Aを有している。
The
燃料供給機構3は、箱状に形成された容器30を備え、燃料収容部4と流路5を介して接続されている。すなわち、容器30は、燃料導入口30Aを有しており、この燃料導入口30Aと流路5とが接続されている。
The fuel supply mechanism 3 includes a
この容器30は、例えば樹脂製容器によって構成される。容器30を形成する材料としては、耐メタノール性などを有していることが好ましい。容器30を形成する樹脂材料としては、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容器30を除外するものではない。
The
燃料供給機構3は、膜電極接合体2のアノード13の面方向に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料供給部31を備えている。この実施の形態においては、燃料供給部31は、燃料分配板31Aを備えた構成であるが、他の構成であっても良い。
The fuel supply mechanism 3 includes a
すなわち、図4及び図5に示すように、燃料分配板31Aは、少なくとも1つの燃料注入口32と、複数の燃料排出口33とを有しており、細管34のような燃料通路を介して燃料注入口32と燃料排出口33とを接続した構成である。燃料通路は、燃料分配板31A内に形成した細管34に代えて燃料流通溝等で構成してもよい。この場合、燃料流通溝を有する流路板を複数の燃料排出口を有する拡散板で覆うことによって、燃料分配板31Aを構成することも可能である。
That is, as shown in FIGS. 4 and 5, the
図4及び図5に示した例では、燃料注入口32は、1箇所にあり、容器30の燃料導入口30Aと連通している。これにより、燃料分配板31Aの燃料注入口32が流路5を介して燃料収容部4に接続される。燃料排出口33は、128箇所にあり、液体燃料もしくはその気化成分を排出する。
In the example shown in FIGS. 4 and 5, the
細管34の一端(始端部)には、燃料注入口32が設けられている。細管34は、途中で複数に分岐しており、これらの分岐した細管34の各終端部に燃料排出口33がそれぞれ設けられている。細管34は、例えば内径が0.05〜5mmの貫通孔であることが好ましい。
A
燃料注入口32から注入された液体燃料は、複数に分岐した細管34を介して複数の燃料排出口33にそれぞれ導かれる。このような燃料分配板31Aを使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、複数の燃料排出口33に均等に分配することができる。従って、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。
The liquid fuel injected from the
さらに、細管34で燃料注入口32と複数の燃料排出口33とを接続することによって、燃料電池の特定箇所により多くの燃料を供給するような設計も可能となる。これは、膜電極接合体2の発電度合いの均一性の向上等に寄与する。
Further, by connecting the
膜電極接合体2は、そのアノード13が上述したような燃料分配板31Aの燃料排出口33に対向するように配置されている。カバープレート21は、燃料供給機構3との間に膜電極接合体2を保持した状態で容器30に対してカシメあるいはネジ止めなどの手法により固定されている。これにより、燃料電池(DMFC)1の発電ユニットが構成されている。
The
燃料供給部31は、燃料分配板31Aと膜電極接合体2との間に燃料拡散室31Bとして機能する空間を形成するような構成であることが望ましい。この燃料拡散室31Bは、燃料排出口33から液体燃料が排出されたとしても気化を促進するとともに、面方向への拡散を促進する機能を有している。
The
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7側から支持する支持部材を配置しても良い。
A support member that supports the
また、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つの多孔体を配置しても良い。
Further, at least one porous body may be disposed between the
燃料収容部4には、膜電極接合体2に応じた液体燃料が収容されている。
Liquid fuel corresponding to the
液体燃料としては、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4には、膜電極接合体2に応じた液体燃料が収容される。
Examples of the liquid fuel include methanol fuels such as aqueous methanol solutions of various concentrations and pure methanol. The liquid fuel is not necessarily limited to methanol fuel. The liquid fuel 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, liquid fuel corresponding to the
さらに、流路5には、ポンプ6が介在していても良い。ポンプ6は、燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部4から燃料供給部31に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。燃料供給部31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4に戻されることはない。
Further, a
この実施の形態の燃料電池1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、液体燃料の供給にポンプ6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。図1に示す燃料電池1は、例えばセミパッシブ型と呼称される方式を適用したものである。
The fuel cell 1 of this embodiment is different from the conventional active method because it does not circulate the fuel, and does not impair the downsizing of the device. Further, the
ポンプ6の種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。
The type of the
ロータリーベーンポンプは、モータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは、電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは、電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは、柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。 The rotary vane pump feeds liquid by rotating wings with a motor. The electroosmotic flow pump uses a sintered porous body such as silica that causes an electroosmotic flow phenomenon. A diaphragm pump drives a diaphragm with an electromagnet or piezoelectric ceramics to send liquid. The squeezing pump presses a part of a flexible fuel flow path and squeezes the fuel. Among these, it is more preferable to use an electroosmotic pump or a diaphragm pump having piezoelectric ceramics from the viewpoint of driving power, size, and the like.
なお、ポンプ6と燃料供給部31との間にリザーバを設けてもよい。
A reservoir may be provided between the
また、燃料電池1の安定性や信頼性を高めるために、ポンプ6と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。燃料遮断バルブには、電磁石、モータ、形状記憶合金、圧電セラミックス、バイメタル等をアクチュエータとして、開閉動作を電気信号で制御することが可能な電気駆動バルブが適用される。燃料遮断バルブは、状態保持機能を有するラッチタイプのバルブであることが好ましい。
Further, in order to improve the stability and reliability of the fuel cell 1, a fuel cutoff valve may be arranged in series with the
また、燃料収容部4や流路5には、燃料収容部4内の圧力を外気とバランスさせるバランスバルブを装着してもよい。燃料収容部4から燃料供給機構3で膜電極接合体2に燃料を供給する場合、ポンプ6に代えて燃料遮断バルブのみを配置した構成とすることも可能である。この際の燃料遮断バルブは、流路5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。
Further, a balance valve that balances the pressure in the
この実施の形態の燃料電池1においては、ポンプ6を用いて燃料収容部4から燃料供給部31に液体燃料が間欠的に送液される。ポンプ6で送液された液体燃料は、燃料供給部31を経て膜電極接合体2のアノード13の全面に対して均一に供給される。
In the fuel cell 1 of this embodiment, liquid fuel is intermittently sent from the
すなわち、複数の単セルCの各アノード13の平面方向に対して均一に燃料が供給され、これにより発電反応が生起される。燃料供給用(送液用)のポンプ6の運転動作は、燃料電池1の出力、温度情報、電力供給先である電子機器の運転情報等に基づいて制御することが好ましい。
That is, the fuel is uniformly supplied to the planar direction of each
上述したように、燃料供給部31から放出された燃料は、膜電極接合体2のアノード13に供給される。膜電極接合体2内において、燃料は、アノードガス拡散層12を拡散してアノード触媒層11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11で下記の(1)式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。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、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、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。
As described above, the fuel released from the
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e- …(1)
この反応で生成した電子(e-)は、集電体40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、集電体40を経由してカソード16に導かれる。(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。カソード16には、酸化剤として空気が供給される。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。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − (1)
The electrons (e − ) generated by this reaction are guided to the outside via the
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の電極全体に均一に燃料を供給し、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, the catalyst reaction is smoothly performed and the fuel is uniformly supplied to the entire electrode of the
ところで、この実施の形態において適用可能な絶縁基板Fは、図6及び図7に示すように、膜電極接合体2の外形寸法の概ね2倍の面積を有しており、二つに折り曲げることによって膜電極接合体2を挟持するものである。この絶縁基板Fは、ベースとなる絶縁フィルムBFと、この絶縁フィルムBFの少なくとも一方の面にパターン化された導電層CLと、導電層CLをカバーするカバーフィルムCFと、を備えて構成されている。
By the way, as shown in FIGS. 6 and 7, the insulating substrate F applicable in this embodiment has an area approximately twice the outer dimension of the
絶縁フィルムBFやカバーフィルムCFは、使用する燃料や、発電反応によって生成される生成物に対する耐腐食性を有する材料によって形成されていることが望ましく、例えばポリイミドによって形成されている。なお、絶縁フィルムBFやカバーフィルムCFの材料としては、ポリイミド(PI)に限らず、電気絶縁性を有するポリエチレンテレフタレート(PET)などの熱可塑性ポリエステル樹脂材料、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK:ヴィクトレックスピーエルシー社商標)、パーフルオロ樹脂、フッ素樹脂、ポリエチレン(PE)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリプロピレン(PP)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)など各種樹脂材料を用いることが可能である。 The insulating film BF and the cover film CF are preferably formed of a material having corrosion resistance against the fuel used or a product generated by a power generation reaction, and is formed of, for example, polyimide. The material of the insulating film BF and the cover film CF is not limited to polyimide (PI), but is a thermoplastic polyester resin material such as polyethylene terephthalate (PET) having electrical insulation, polyetherimide, polyetheretherketone (PEEK). : Various types of resin materials such as Victorex PLC, perfluoro resin, fluororesin, polyethylene (PE), polyethylene naphthalate (PEN), polypropylene (PP), and polyphenylene sulfide (PPS) can be used.
導電層CLは、例えば銅(Cu)によって形成され、耐腐食性を有する導電膜によって被覆されている。この実施の形態では、導電層CLにおいて、銅箔はニッケル(Ni)によって被覆され、さらにニッケル膜の表面が金(Au)によって被覆されている。つまり、導電層CLの表面は、金(Au)によって形成されている。 The conductive layer CL is formed of, for example, copper (Cu) and is covered with a conductive film having corrosion resistance. In this embodiment, in the conductive layer CL, the copper foil is covered with nickel (Ni), and the surface of the nickel film is further covered with gold (Au). That is, the surface of the conductive layer CL is formed of gold (Au).
特に、この実施の形態においては、絶縁基板Fは、導電層CLとして、集電体40を備えている。この集電体40は、複数の第1電極部41と、複数の第2電極部42とを有している。これらの第1電極部41及び第2電極部42は、絶縁フィルムBF上における同一面上に配置されている。また、これらの第1電極部41及び第2電極部42における少なくとも一部の表面(ここでは、金箔)は、カバーフィルムCFから露出している。
In particular, in this embodiment, the insulating substrate F includes a
第1電極部41は、アノード13のそれぞれに対応して設けられたアノード集電体に相当し、膜電極接合体2に含まれるアノード13と同数個備えられている。第2電極部42は、カソード16のそれぞれに対応して設けられたカソード集電体に相当し、膜電極接合体2に含まれるカソード16と同数個備えられている。
The
図6に示した例では、集電体40は、4個の第1電極部411〜414、及び、4個の第2電極部421〜424を有している。第1電極部411はアノード131に対応して配置され、同様に、第1電極部412はアノード132に対応して配置され、第1電極部413はアノード133に対応して配置され、第1電極部414はアノード134に対応して配置される。第2電極部421はカソード161に対応して配置され、同様に、第2電極部422はカソード162に対応して配置され、第2電極部423はカソード163に対応して配置され、第2電極部424はカソード164に対応して配置される。
In the example illustrated in FIG. 6, the
このような集電体40において、第1電極部41及び第2電極部42は、それぞれ対応するアノード13及びカソード16に接触するような形状に形成されている。第1電極部41のカバーフィルムCFから露出した部分は、アノード13、特にアノードガス拡散層12に接触する。また、第2電極部42のカバーフィルムCFから露出した部分は、カソード16、特にカソードガス拡散層15に接触する。つまり、第1電極部41及び第2電極部42の膜電極接合体2に接触する表面は、金(Au)によって形成されている。金箔は、電気抵抗が比較的低いのに加え、発電反応で発生する腐食性の雰囲気にも耐える強い耐食性を有しているため、電極表面を形成する材料としてより好ましい。
In such a
絶縁基板Fは、集電体40に接続された出力端子46及び47を備えている。すなわち、集電体40において、互いに最も離れた位置に配置された第1電極部411及び第2電極部424には、それぞれ集電した電子を取り出す出力端子46及び47が接続されている。これらの出力端子46及び47は、カバーフィルムCFから露出している。
The insulating substrate F includes
出力端子を有していない第1電極部41及び第2電極部42は、それぞれ連結部48によって電気的に接続されている。図6に示した例では、第1電極部412と第2電極部421とが連結部481によって接続され、同様に、第1電極部413と第2電極部422とが連結部482によって接続され、第1電極部414と第2電極部423とが連結部483によって接続されている。
The
上述したような構造の集電体40を備えた絶縁基板Fにおいて、二つ折りにされた内側空間に膜電極接合体2が収容されている。すなわち、各第1電極部41は対応するアノード13と電気的に接続され、また、各第2電極部42は対応するカソード16と電気的に接続されるように、二つ折りされた絶縁基板Fにより膜電極接合体2が挟み込まれている。
In the insulating substrate F including the
なお、絶縁基板Fは、絶縁フィルムBFを貫通する孔を有していることが望ましい。図6に示した例では、絶縁基板Fは、隣接した第1電極部41の間や隣接した第2電極部42の間の絶縁フィルムBFを貫通して発電反応で発生したガス成分を放出するためのガス抜き孔H、第1電極部41及び絶縁フィルムBFを貫通してアノードガス拡散層12を露出しアノード触媒層11に燃料を供給するための燃料供給孔41H、第1電極部41及び絶縁フィルムBFを貫通してカソードガス拡散層15を露出しカソード触媒層14に空気を供給するための空気導入孔42Hなどを有している。
The insulating substrate F preferably has a hole that penetrates the insulating film BF. In the example illustrated in FIG. 6, the insulating substrate F passes through the insulating film BF between the adjacent
ところで、上述した絶縁基板Fは、集電体40に加えて、温度を検出する温度検出部50を備えている。この温度検出部50は、主に膜電極接合体2の温度を検出するのに利用される。図6及び図8に示した例では、温度検出部50は、絶縁フィルムBFの集電体40が配置された面と同一の面に配置されている。
Incidentally, the insulating substrate F described above includes a
このような温度検出部50は、導電層CLとして、集電体40と同一材料により形成可能な信号配線51と、この信号配線51に接続された検出素子52と、によって構成されている。信号配線51は、絶縁フィルムBFの上において、集電体40を構成する電極部の間に配置されている。ここに示した例では、信号配線51は、第2電極部42の間に配置されている。この信号配線51は、カバーフィルムCFによって覆われている。信号配線51の一端側は、カバーフィルムCFから露出している。
Such a
検出素子52は、例えばサーミスタによって構成されている。この検出素子52は、カバーフィルムCFから露出した信号配線51の一端側に電気的に接続されている。つまり、ここに示した例では、検出素子52は、第2電極部42の間に配置されている。なお、信号配線51及び検出素子52は、第1電極部41の間に配置しても良い。
The
また、絶縁基板Fは、信号配線51の他端に接続された出力端子53を備えている。この出力端子53は、カバーフィルムCFから露出している。このような構成により、温度検出部50において、検出素子52によって検出された検出結果に対応する信号は、信号配線51を介して出力端子53から取り出し可能となる。
Further, the insulating substrate F includes an
上述したように、この実施の形態において適用した絶縁基板Fによれば、絶縁フィルム上において、集電体40とともに温度検出部50を一体化することが可能となる。このため、絶縁基板Fによって膜電極接合体2を挟持することにより、膜電極接合体2における複数の単セルCを集電体40により直列に接続して集電することが可能となるとともに、温度検出部50により膜電極接合体2の所定位置での温度を検出することが可能となる。このため、燃料電池1の組み立て作業が容易となり、製造コストを削減することが可能となるとともに、安定して出力を得ることが可能となる。
As described above, according to the insulating substrate F applied in this embodiment, the
また、温度検出部50を所定の位置に固定的に配置することが可能となり、膜電極接合体2における所望の位置での温度を安定的に検出することが可能となる。
In addition, the
さらに、集電体40に接続された出力端子46及び47、及び、温度検出部50に接続された出力端子53は、コネクタにより、外部の回路基板(電源回路を含む)に直接接続することが可能となる。このため、半田などを用いた煩雑な接続作業が不要となり、燃料電池1の組み立て作業が容易となる。
Furthermore, the
温度検出部50は、図6に示した例に限らず、絶縁フィルムBFの集電体40が配置された面とは異なる面に配置されても良い。図9及び図10に示した例では、絶縁基板Fにおいて、集電体40は、絶縁フィルムBFの一方の面BFaに配置されているのに対して、温度検出部50は、絶縁フィルムBFの他方の面BFbに配置されている。
The
これらの集電体40及び温度検出部50は、図6に示した例と同様に構成されているが、温度検出部50については、特に配置位置に制限はない。すなわち、図6に示した例と同様に、信号配線51及び検出素子52は、集電体40を構成する電極部の間に相当する位置の裏側の面BFbに配置されても良いし、電極部の裏側の面BFbに配置されても良い。
The
このような絶縁基板Fによれば、上述した効果に加えて、さらに、温度検出部50のレイアウトの自由度を向上することが可能となる。
According to such an insulating substrate F, in addition to the above-described effects, the degree of freedom in layout of the
また、単一の絶縁基板Fにおいて、温度検出部50を複数個配置しても良い。図11に示すように、絶縁フィルムBFの上に複数個の温度検出部50を配置した場合には、絶縁フィルムBFの上に信号配線51を引き回すことによって1箇所の出力端子53に集約することが望ましい。
A plurality of
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。ただし、燃料を面方向に分散させつつ供給する燃料供給部31は、特に燃料濃度が濃い場合に有効である。このため、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、メタノール濃度が80wt%以上のメタノール水溶液や純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池1に好適である。
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. However, the
さらに、上述した各実施形態は、本発明をセミパッシブ型の燃料電池1に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、内部気化型の純パッシブ型の燃料電池に対しても適用可能である。 Furthermore, although each embodiment mentioned above demonstrated the case where this invention was applied to the semi-passive type fuel cell 1, this invention is not limited to this, It is an internal vaporization type pure passive type fuel cell. It can also be applied to.
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.
1…燃料電池 2…膜電極接合体 3…燃料供給機構 4…燃料収容部
11…アノード触媒層 12…アノードガス拡散層 13…アノード(燃料極)
14…カソード触媒層 15…カソードガス拡散層 16…カソード(空気極)
17…電解質膜
20…板状体(保湿層) 21…カバープレート 21A…開口部
F…絶縁基板 BF…絶縁フィルム CF…カバーフィルム CL…導電層
40…集電体 41…第1電極部 42…第2電極部 46、47…出力端子 48…連結部
50…温度検出部 51…信号配線 52…検出素子 53…出力端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
14 ...
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記膜電極接合体を挟持する絶縁基板と、
を備えた燃料電池であって、
前記絶縁基板は、絶縁フィルム上に、前記膜電極接合体の前記燃料極と前記空気極との各組を電気的に直列に接続する集電体と、温度を検出する温度検出部と、を備えたことを特徴とする燃料電池。 Membrane electrode joint comprising an electrolyte membrane, a plurality of fuel electrodes disposed on one surface of the electrolyte membrane, and a plurality of air electrodes disposed on the other surface of the electrolyte membrane and facing each of the fuel electrodes Body,
An insulating substrate sandwiching the membrane electrode assembly;
A fuel cell comprising:
The insulating substrate comprises: a current collector that electrically connects each set of the fuel electrode and the air electrode of the membrane electrode assembly on an insulating film; and a temperature detection unit that detects temperature. A fuel cell comprising the fuel cell.
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