JP2009295542A - Fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体燃料を用いた燃料電池に関する。 The present invention relates 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なる。 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. The fuel cell has a feature 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 becomes a very advantageous system 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や、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。 The direct methanol fuel cell (DMFC) is promising as a power source for portable electronic devices because it can be miniaturized and the fuel can be easily handled. 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。燃料供給手段として、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等が挙げられる。さらには、燃料電池の外部においてメタノール等を蒸発させて気体燃料を生じさせ、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や、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、この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の燃料供給手段が挙げられる。 Various methods can be adopted as means for supplying fuel to the anode (fuel electrode). Examples of the fuel supply means include a system in which a liquid fuel such as an aqueous methanol solution is directly circulated under the anode conductive layer. Furthermore, an external vaporization type in which methanol or the like is evaporated outside the fuel cell to produce a gaseous fuel, and the gaseous fuel flows under the anode conductive layer, or a liquid fuel such as pure methanol or an aqueous methanol solution in the fuel storage part And a fuel supply means such as an internal vaporization type that vaporizes the liquid fuel inside the cell and supplies it to the anode.
一方、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)型などが挙げられる。 On the other hand, as means for supplying air as an oxidant to the cathode (air electrode), an active type that forcibly supplies air with a fan or a blower, or a spontaneous breathing (passive) type that supplies air only by natural diffusion from the atmosphere Etc.
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、例えばアノード(燃料極)、電解質膜およびカソード(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。)。 Among these, a passive system such as an internal vaporization type is particularly advantageous for downsizing of the DMFC. In the passive type DMFC, for example, a structure in which a membrane electrode assembly (fuel cell) having an anode (fuel electrode), an electrolyte membrane, and a cathode (air electrode) is disposed on a fuel housing portion made of a resin box-like container. Has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
ここで、膜電極接合体は、アノード触媒層とアノードガス拡散層とを有するアノード(燃料極)と、カソード触媒層とカソードガス拡散層とを有するカソード(空気極)と、アノード触媒層とカソード触媒層とで挟持されたプロトン(水素イオン)伝導性を有する電解質膜とから構成される。また、膜電極接合体は、アノード(燃料極)側に配置されるアノード導電層と、カソード(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。 Here, the membrane electrode assembly includes an anode (fuel electrode) having an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer, a cathode (air electrode) having a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer, an anode catalyst layer, and a cathode. An electrolyte membrane having proton (hydrogen ion) conductivity sandwiched between catalyst layers. The membrane electrode assembly is sandwiched between an anode conductive layer disposed on the anode (fuel electrode) side and a cathode conductive layer disposed on the cathode (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。
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e− …式(1)
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.
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − Formula (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。 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(空気極)に導かれる。また、上記した式(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(空気極)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(空気極)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。
(3/2)O2+6e−+6H+ → 3H2O …式(2)
Electrons (e − ) generated by this reaction are guided to the outside via a current collector, and are operated to a cathode (air electrode) after operating a portable electronic device or the like as so-called electricity. The proton (H + ) generated by the internal reforming reaction of the above formula (1) is guided to the cathode through the electrolyte membrane. Air is supplied to the cathode (air electrode) as an oxidant gas through the moisture retaining layer. Electrons (e − ) and protons (H + ) that have reached the cathode (air electrode) cause a reaction shown in the following formula (2) with oxygen in the air in the cathode catalyst layer, and water is generated along with this power generation reaction. Generate.
(3/2) O 2 + 6e − + 6H + → 3H 2 O Formula (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、上記した式(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。 In order for the internal reforming reaction described above to be performed smoothly and to 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 Formula (2) is used. The cycle that permeates the electrolyte membrane, diffuses into the anode catalyst layer, and is consumed by the reaction of the above formula (1) needs to be performed smoothly.
これを実現するため、カソード(空気極)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、カソード触媒層の水分保持量がアノード触媒層の水分保持量よりも多い状態を構成し、浸透圧現象を利用してカソード触媒層で生成した水を電解質膜を通してアノード触媒層に供給している。 To achieve this, a moisturizing layer that impregnates water generated in the cathode catalyst layer to suppress transpiration is placed near the cathode (air electrode), and the moisture retention amount of the cathode catalyst layer is the moisture retention of the anode catalyst layer. A state in which the amount is larger than the amount is configured, and water generated in the cathode catalyst layer using the osmotic pressure phenomenon is supplied to the anode catalyst layer through the electrolyte membrane.
上記のような、カソード(空気極)からアノード(燃料極)に水を供給する燃料電池では、アノード(燃料極)への水の供給量を増加させ、上記した式(1)の反応を促進して出力を向上させるために、カソード触媒層中のプロトン伝導性樹脂の量を増やしてカソード触媒層の親水性を上げたり、カソード触媒層の気孔率を下げたりして、カソード触媒層で発生した水が水蒸気として外気へ蒸散するのを抑制する方法が採られている(例えば、特許文献2−3参照。)。
しかしながら、上記した従来の燃料電池のような、カソード触媒層中のプロトン伝導性樹脂の量を増やしてカソード触媒層の親水性を上げたり、カソード触媒層の気孔率を下げたりして、カソード触媒層で発生した水が水蒸気として外気へ蒸散するのを抑制する構成において、カソード触媒層の気孔が発生した水で塞がれ、カソード触媒層における空気の拡散性が低下することがあった。これによって、上記した式(2)の反応が生じ難くなり、燃料電池の出力が低下するという問題点があった。一方、カソード触媒層における空気の拡散性を向上させるために、カソード触媒層中のプロトン伝導性樹脂の量を減らしたり、カソード触媒層の気孔率を上げると、アノード(燃料極)に供給される水の量が減少し、結果として燃料電池の出力が低下していた。 However, as in the conventional fuel cell described above, the amount of proton conductive resin in the cathode catalyst layer is increased to increase the hydrophilicity of the cathode catalyst layer, or the porosity of the cathode catalyst layer is decreased to reduce the cathode catalyst layer. In the configuration in which the water generated in the layer is prevented from evaporating to the outside air as water vapor, the pores of the cathode catalyst layer are blocked by the generated water, and the air diffusibility in the cathode catalyst layer may be reduced. This makes it difficult for the reaction of the above-described formula (2) to occur, and there is a problem that the output of the fuel cell decreases. On the other hand, in order to improve the air diffusibility in the cathode catalyst layer, if the amount of proton conductive resin in the cathode catalyst layer is reduced or the porosity of the cathode catalyst layer is increased, it is supplied to the anode (fuel electrode). The amount of water decreased, resulting in a decrease in fuel cell output.
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、アノード(燃料極)に供給する水量を増加させることができるとともに、カソード触媒層における酸化性ガスの拡散の低下を抑制し、高出力が得られる燃料電池を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and can increase the amount of water supplied to the anode (fuel electrode) and suppress a decrease in the diffusion of oxidizing gas in the cathode catalyst layer. An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of obtaining a high output.
本発明の一態様によれば、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を有する膜電極接合体と、前記空気極に積層して配置される保湿層と、前記保湿層に積層して配置される、空気導入口を有する表面カバーとを備える燃料電池であって、前記空気極のカソード触媒層が、前記表面カバーの空気導入口に対応して位置する第1の触媒層と、前記第1の触媒層以外の部分を構成する第2の触媒層とを備えることを特徴とする燃料電池が提供される。 According to one aspect of the present invention, a membrane electrode assembly having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode is disposed in a stacked manner on the air electrode. A fuel cell comprising a moisturizing layer and a surface cover having an air inlet arranged to be laminated on the moisturizing layer, wherein the cathode catalyst layer of the air electrode corresponds to the air inlet of the surface cover. A fuel cell is provided, comprising: a first catalyst layer positioned at a distance between the first catalyst layer and a second catalyst layer constituting a portion other than the first catalyst layer.
本発明に係る燃料電池によれば、アノード(燃料極)に供給する水量を増加させることができるとともに、カソード触媒層における酸化性ガスの拡散の低下を抑制し、高出力が得られる。 According to the fuel cell of the present invention, it is possible to increase the amount of water supplied to the anode (fuel electrode) and to suppress a reduction in the diffusion of the oxidizing gas in the cathode catalyst layer, thereby obtaining a high output.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る一実施の形態の燃料電池1の構成を示す断面図である。図2は、カソード触媒層14の平面図である。図3は、本発明に係る第1の実施の形態の燃料電池1においてポンプ70を備えた場合の構成を示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a
図1に示すように、燃料電池1は、起電部を構成する燃料電池セル10と、この燃料電池セル10のアノード(燃料極)側およびカソード(空気極)側にそれぞれ設けられたアノード導電層18、カソード導電層19と、このアノード導電層18に対向させて設けられた複数の開口部31を有する燃料分配層30と、この燃料分配層30の燃料電池セル10側とは異なる側に配置され、燃料分配層30に液体燃料Fを供給する燃料供給機構40と、カソード導電層19に積層された保湿層50と、この保湿層50に積層された、複数の空気導入口61を有する表面カバー60とを備える。
As shown in FIG. 1, the
燃料電池セル10は、いわゆる膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)であり、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)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)伝導性を有する電解質膜17とから構成される。
The
アノード触媒層11に含有される触媒としては、例えばPt、Ru、Rh、Ir、Os、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として、具体的には、例えば、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。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。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。なお、アノード触媒層11およびカソード触媒層14は、プロトン伝導性の電解質を含有している。
Examples of the catalyst contained in the
カソード触媒層14は、図1および図2に示すように、表面カバー60の空気導入口61に対応して位置する第1の触媒層14aと、この第1の触媒層14a以外の部分を構成する第2の触媒層14bとから構成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
ここで、第1の触媒層14aは、第2の触媒層14bよりも、触媒層中に含まれるプロトン伝導性樹脂の割合が低くなるように構成している。このように、第1の触媒層14aを第2の触媒層14bよりも、触媒層中に含まれるプロトン伝導性樹脂の割合が低くなるように構成するこことで、第1の触媒層14aにおいて空気の拡散性の向上を図ることができる。また、第2の触媒層14bによって、カソード触媒層14で生成された水が水蒸気として外気へ蒸散されるのを抑制することができる。また、第1の触媒層14aは、第2の触媒層14bよりも、気孔率が高くなるように構成している。このように、第1の触媒層14aを第2の触媒層14bよりも、気孔率が高くなるように構成するこことで、第1の触媒層14aにおいて空気の拡散性の向上を図ることができる。また、第2の触媒層14bによって、カソード触媒層14で生成された水が水蒸気として外気へ蒸散されるのを抑制することができる。なお、第1の触媒層14aは、第2の触媒層14bよりも、触媒層中に含まれるプロトン伝導性樹脂の割合を低く、かつ気孔率を高く構成してもよい。
Here, the
カソード触媒層14に含有される触媒としては、例えばPt、Ru、Rh、Ir、Os、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。カソード触媒層14として、具体的には、例えば、Pt、Pt−Ni、Pt−Co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。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
また、(1)カソード触媒層14において、第1の触媒層14aの面積の合計、すなわちカソード触媒層14の表面における第1の触媒層14aの面積の合計が、表面カバー60の空気導入口61の面積の合計の0.5〜1.5倍となり、かつ(2)表面カバー60の空気導入口61に対応して位置する第1の触媒層14aにおいて、燃料電池1の厚さ方向にみたときに、空気導入口61と第1の触媒層14aとが重なる部分の面積の合計が、空気導入口61の面積の合計の0.3倍以上となるように構成することが好ましい。(2)を換言すると、表面カバー60をカソード触媒層14の表面に正射投影したときに、空気導入口61と第1の触媒層14aとが重なる部分の面積の合計が、空気導入口61の面積の合計の0.3倍以上となるように構成することが好ましい。
(1) In the
ここで、この範囲とすることが好ましいのは、第1の触媒層14aの面積の合計が表面カバー60の空気導入口61の面積の合計の0.5倍よりも小さい場合には、第1の触媒層14aによる空気の拡散性の向上の効果が十分に得られないためであり、1.5倍よりも大きいときには第2の触媒層14bによる水蒸気の外気への蒸散抑制の効果が十分に得られないためであるからであり、空気導入口61と第1の触媒層14aとが重なる部分の面積の合計が、空気導入口61の面積の合計の0.3倍よりも小さい場合には、上記した2つの効果の双方とも得られないからである。なお、上記(2)における範囲の上限値は1倍であり、この1倍となるのは、各空気導入口61に第1の触媒層14aが重なるように構成されたときである。
Here, it is preferable to set this range when the total area of the
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の集電体も兼ねている。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の集電体も兼ねている。また、アノードガス拡散層12およびカソードガス拡散層15は、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンシルク等の多孔性炭素質材、チタン、チタン合金、ステンレス、金などの金属材料からなる多孔質体またはメッシュなどで構成される。
The anode gas diffusion layer 12 laminated on the
アノードガス拡散層12の表面に積層されたアノード導電層18、およびカソードガス拡散層15の表面に積層されたカソード導電層19は、例えば、Auのような導電金属材料からなるメッシュ、多孔質膜等で構成される。これらの中でも、アノード導電層18やカソード導電層19は、燃料電池セル10に対応して開口された複数の開口部を有する薄膜で構成されることが好ましく、この開口部を介して、燃料電池セル10に対向して設けられている燃料分配層30の開口部31からの燃料を燃料電池セル10に導く。なお、アノード導電層18およびカソード導電層19は、それらの周縁から燃料や酸化剤が漏れないように構成されている。また、電解質膜17とアノード導電層18およびカソード導電層19との間には、それぞれゴム製のOリング20が介在されており、これらによって燃料電池セル10からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。なお、ここでは、アノード導電層18およびカソード導電層19を備えた燃料電池1を示しているが、アノード導電層18およびカソード導電層19を設けずに、上記したようにアノードガス拡散層12およびカソードガス拡散層15を拡散層として機能させるとともに、導電層として機能させてもよい。
The anode
保湿層50は、カソード触媒層14で生成された水の一部が含浸して、水の蒸散を抑制するとともに、カソード触媒層14への空気の均一拡散を促進するものである。この保湿層50は、例えば、ポリエチレン多孔質膜等からなる平板で構成される。
The
表面カバー60は、空気の取入れ量を調整するものであり、その調整は、空気導入口61の個数や大きさ等を変更することで行われる。表面カバー60は、例えば、SUS304またはSUS316Lのようなステンレス合金、チタンまたはチタン合金のような金属で構成されることが好ましい。
The
燃料供給機構40は、燃料収容部41と、燃料供給部本体42と、流路44とを主に備える。
The
燃料収容部41には、燃料電池セル10に対応した液体燃料Fが収容されている。この燃料収容部41は、液体燃料Fによって溶解や変質を生じることがない材料で構成される。燃料収容部41を構成する材料として、具体的には、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)などが使用される。なお、図示しないが、燃料収容部41には液体燃料Fを供給するための燃料供給口が設けられている。
The
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10に応じた液体燃料が収容される。
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, liquid fuel corresponding to the
燃料供給部本体42は、供給された液体燃料Fを燃料分配層30に対して均一に供給するために、液体燃料Fを平坦に分散させるための凹部からなる燃料供給部43を備えている。この燃料供給部43は、配管等で構成される液体燃料Fの流路44を介して燃料収容部41と接続されている。
The fuel supply unit
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44を介して燃料供給部43まで落下させて送液することができる。また、流路44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43まで送液してもよい。さらに、図3に示すように、流路44の一部にポンプ70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43まで強制的に送液してもよい。
The liquid fuel F stored in the
このポンプ70は、燃料収容部41から燃料供給部43に液体燃料Fを単に送液する供給ポンプとして機能するものであり、燃料電池セル10に供給された過剰な液体燃料Fを循環する循環ポンプとしての機能を備えるものではない。このポンプ70を備えた燃料電池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構成が異なり、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも構成が異なる、いわゆるセミパッシブ型と呼ばれる方式に該当する。なお、燃料供給手段として機能するポンプ70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F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。ロータリベーンポンプは、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。上記したようにポンプ70を設ける場合、ポンプ70は、制御手段(図示しない)と電気的に接続され、この制御手段によって、燃料供給部43に供給される液体燃料Fの供給量が制御される。
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43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。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、その気化成分を燃料電池セル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。
The
次に、上記した、第1の触媒層14aと第2の触媒層14bとから構成されるカソード触媒層14の形成方法について説明する。ここで、カソード触媒層14を形成する方法として(a)〜(e)の5つの方法を例示するが、これらの形成方法に限定されるものではない。
Next, a method for forming the
(a)まず、2枚のカソードガス拡散層(第1のカソードガス拡散層および第2のカソードガス拡散層)を用意する。この2枚のカソードガス拡散層の厚さや性状等は同一のものであってもよい。第1のカソードガス拡散層には、第1の触媒層14aの組成を有する触媒ペーストを全面に塗布して乾燥させ、第1の触媒層14aを形成する。第2のカソードガス拡散層には、第2の触媒層14bの組成を有する触媒ペーストを全面に塗布して乾燥させ、第2の触媒層14bを形成する。
(A) First, two cathode gas diffusion layers (a first cathode gas diffusion layer and a second cathode gas diffusion layer) are prepared. The two cathode gas diffusion layers may have the same thickness and properties. A catalyst paste having the composition of the
その後、第2の触媒層14bを形成した第2のカソードガス拡散層を、表面カバー60の空気導入口61に対応する位置、すなわち表面カバー60の空気導入口61と同じ位置に貫通口を形成する。一方、第1の触媒層14aを形成した第1のカソードガス拡散層を、表面カバー60の空気導入口61と同じ形状に切り取る。続いて、第2のカソードガス拡散層に形成した貫通口に、第1のカソードガス拡散層から切り取ったものを嵌め込む。このような方法で、第1の触媒層14aと第2の触媒層14bとから構成されるカソード触媒層14を形成することができる。
After that, the second cathode gas diffusion layer on which the
(b)まず、カソードガス拡散層を構成する基板上に、第1の触媒層14aを塗布する形状に切り抜いた第1のマスクを配置し、第1の触媒層14aの組成を有する触媒ペーストを塗布する。このペーストが乾燥した後、第1のマスクを除去する。これによって、基板上の所定の位置に第1の触媒層14aが形成される。
(B) First, a first mask cut out in a shape for applying the
続いて、第1の触媒層14aが形成された基板上に、第2の触媒層14bを塗布する形状に切り抜いた第2のマスクを配置し、第2の触媒層14bの組成を有する触媒ペーストを塗布する。このペーストが乾燥した後、第2のマスクを除去する。このような方法で、第1の触媒層14aと第2の触媒層14bとから構成されるカソード触媒層14を形成することができる。なお、第1の触媒層14aおよび第2の触媒層14bを形成する順番は、特に限定されるものではなく、第2の触媒層14bを先に形成してもよい。
Subsequently, on the substrate on which the
(c)エアスプレーやインクジェットプリンタのように、第1の触媒層14aおよび第2の触媒層14bを形成する触媒ペーストをカソードガス拡散層を構成する基板上に直接噴霧して触媒層を形成する塗布装置を用い、第1の触媒層14aおよび第2の触媒層14bを形成する触媒ペーストをそれぞれ所定の位置に塗布する。そして、塗布された触媒ペーストを乾燥させる。このような方法で、第1の触媒層14aと第2の触媒層14bとから構成されるカソード触媒層14を形成することができる。
(C) The catalyst layer is formed by directly spraying the catalyst paste for forming the
(d)まず、カソードガス拡散層を構成する基板上に、第1の触媒層14aの組成を有する触媒ペーストを全面に塗布して乾燥させ、第1の触媒層14aを形成する。この第1の触媒層14a上に、第2の触媒層14bを塗布する形状に切り抜いたマスクを配置し、プロトン伝導性樹脂のみを分散させた溶液を塗布する。この溶液が乾燥した後、マスクを除去すると、プロトン伝導性樹脂のみを分散させた溶液が塗布された部分が第2の触媒層14bとなり、塗布されなかった部分が第1の触媒層14aとなる。このような方法で、第1の触媒層14aと第2の触媒層14bとから構成されるカソード触媒層14を形成することができる。
(D) First, a catalyst paste having the composition of the
(e)まず、カソードガス拡散層を構成する基板上に、第1の触媒層14aの組成を有する触媒ペーストを全面に塗布して乾燥させ、第1の触媒層14aを形成する。この第1の触媒層14a上に、第2の触媒層14bを形成する部分と同一の形状に切り抜いた硬質の板を配置し、プレス機、万力または重石等によりカソード触媒層を圧縮する。続いて、硬質の板を除去すると、硬質の板で圧縮された部分が第2の触媒層14bとなり、圧縮されなかった部分が第1の触媒層14aとなる。このような方法で、第1の触媒層14aと第2の触媒層14bとから構成されるカソード触媒層14を形成することができる。
(E) First, a catalyst paste having the composition of the
次に、上記した燃料電池1における作用について説明する。
Next, the operation of the
燃料収容部41から流路44を介して燃料供給部43に向かって導出された液体燃料Fは、燃料供給部43に供給され、液体燃料Fのまま、もしくは液体燃料Fと液体燃料Fが気化した気化燃料が混在する状態で、燃料分配層30およびアノード導電層18を介して燃料電池セル10のアノードガス拡散層12に供給される。アノードガス拡散層12に供給された燃料は、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で次の式(1)に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、この式(1)は前述した式(1)と同じである。
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e- …式(1)
The liquid fuel F led out from the
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − Formula (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14で生成した水や電解質膜17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。
When pure methanol is used as the methanol fuel, is methanol reformed by water generated in the
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(空気極)16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17を経てカソード(空気極)16に導かれる。カソード(空気極)16には酸化剤として空気が供給される。カソード(空気極)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。なお、この式(2)は前述した式(2)と同じである。
(3/2)O2+6e-+6H+ → 3H2O …式(2)
Electrons (e − ) generated by this reaction are guided to the outside through a current collector, and are operated to a cathode (air electrode) 16 after operating a portable electronic device or the like as so-called electricity. Further, protons (H +) generated by the internal reforming reaction of the formula (1) is guided to the cathode (air electrode) 16 through the
(3/2) O 2 + 6e − + 6H + → 3H 2 O Formula (2)
なお、カソード(空気極)16のカソード触媒層14における第1の触媒層14aによって主に空気の拡散性が向上される。
The
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1において得ることができる。
The internal reforming reaction described above is performed smoothly, and a high output and a stable output can be obtained in the
上記した本発明に係る第1の実施の形態の燃料電池1によれば、カソード触媒層14を第1の触媒層14aと第2の触媒層14bとから構成し、第1の触媒層14aを、第2の触媒層14bよりも、触媒層中に含まれるプロトン伝導性樹脂の割合を低く、および/または気孔率を高く構成することで、第1の触媒層14aにおいて空気の拡散性の向上を図ることができる。また、第1の触媒層14aを表面カバー60の空気導入口61に対応して位置させることで、第1の触媒層14aにおける空気の拡散性をより向上させることができる。さらに、第2の触媒層14bによって、カソード触媒層14で生成された水が水蒸気として外気へ蒸散されるのを抑制し、十分な水をアノード(燃料極)13に供給することができる。また、このような構成のカソード触媒層14を備える燃料電池1では、高出力で、かつ安定した出力を得ることができる。
According to the
次に、本発明に係る燃料電池が優れた出力特性を有することを実施例および比較例に基づいて説明する。 Next, the fact that the fuel cell according to the present invention has excellent output characteristics will be described based on Examples and Comparative Examples.
(実施例1)
実施例1で使用した燃料電池は、図3に示した燃料電池1と同一の構成を備えるものであるので、図3を参照して説明する。
(Example 1)
The fuel cell used in Example 1 has the same configuration as the
まず、燃料電池セル10の作製方法について説明する。
First, a method for producing the
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。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(40mm×30mmの長方形)に塗布することにより、厚さが100μmのアノード触媒層11を得た。
To the carbon black supporting 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 were added to support the anode catalyst particles. A paste was prepared by dispersing carbon black. The obtained paste was applied to porous carbon paper (40 mm × 30 mm rectangle) as the anode gas diffusion layer 12 to obtain an
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。得られたペーストをカソードガス拡散層15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の第1の触媒層14aを得た。ここで、第1の触媒層14aの乾燥後における、第1の触媒層14aに含まれるプロトン伝導性樹脂の割合は、22重量%であった。また、第1の触媒層14aの気孔率を、水銀圧入法で測定した結果、40%であった。なお、触媒層の気孔率は、島津オートポア9520形を用い、初期圧力約7kPa(細孔直径約180μm相当)の条件で測定した。このとき、第1の触媒層14aを塗布する前のカソードガス拡散層15のみを試料として測定した全細孔容積と、第1の触媒層14aを塗布し乾燥した後のカソードガス拡散層15を試料として測定した全細孔容積との差が、第1の触媒層14aのみの細孔容積に等しいとみなし、この第1の触媒層14aのみの細孔容積の値から、第1の触媒層14aの気孔率を算出した。
To the carbon black carrying 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 to disperse the carbon black carrying the cathode catalyst particles. A paste was prepared. The obtained paste was applied to porous carbon paper as the cathode
また、カソードガス拡散層15としての多孔質カーボンペーパに、上記した第1の触媒層14aを形成する場合と同様にして調製したペーストを塗布することにより、厚さが100μmの第2の触媒層14bを得た。ここで、第2の触媒層14bの乾燥後における、第2の触媒層14bに含まれるプロトン伝導性樹脂の割合は、30重量%であった。また、第2の触媒層14bの気孔率を、上記した水銀圧入法で測定した結果、30%であった。
Further, a second catalyst layer having a thickness of 100 μm is applied to the porous carbon paper as the cathode
第2の触媒層14bを塗布したカソードガス拡散層15の外形を長方形(40mm×30mm)に形成し、かつ第2の触媒層14bを塗布したカソードガス拡散層15における、後述する表面カバー60に形成された空気導入口61と同じ位置に、直径が3mmの48個の円形の穴を均等に形成した。続いて、第1の触媒層14aを塗布したカソードガス拡散層15から直径が3mmの円板を48個切り抜き、これらを第2の触媒層14bを塗布したカソードガス拡散層15に形成した穴に、触媒層の表面が同一平面になるように嵌め込んだ。これにより、第1の触媒層14aと第2の触媒層14bとを備えるカソード触媒層14を得た。なお、アノード触媒層11およびカソード触媒層14は同形同大である。
An outer shape of the cathode
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14との間に、電解質膜17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、アノード触媒層11とカソード触媒層14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、燃料電池セル10を得た。
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、この燃料電池セル10を、複数の開孔を有する金箔で挟み、アノード導電層18およびカソード導電層19を形成した。なお、電解質膜17とアノード導電層18との間、電解質膜17とカソード導電層19との間には、それぞれゴム製のOリング20を挟持してシールを施した。
Subsequently, the
また、保湿層50として、厚さが1mmで、透気度が2秒/100cm3(JIS P−8117に規定の測定方法による)で、透湿度が2000g/(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、長方形(44mm×34mm)に切断してカソード導電層19に積層した。外気からカソード(空気極)16に供給される空気は、この保湿層50を透過することとなる。
Further, as the
この保湿層50の上に、外形が長方形(44mm×34mm)で、直径が3mmの円形の空気導入口61が均等に48個形成された厚さが1mmのステンレス板(SUS304)を配置して表面カバー60とした。
On this
このとき、表面カバー60の空気導入口61に対応して位置する第1の触媒層14aにおいて、燃料電池1の厚さ方向にみたときに、各空気導入口61に第1の触媒層14aが重なるように構成し、カソード触媒層14のそれ以外の部分を第2の触媒層14bで構成した。したがって、カソード触媒層14の表面における第1の触媒層14aの面積の合計は、表面カバー60の空気導入口61の面積の合計の1倍であった。また、表面カバー60の空気導入口61に対応して位置する第1の触媒層14aにおいて、燃料電池1の厚さ方向にみたときの、空気導入口61と第1の触媒層14aとが重なる部分の面積の合計は、空気導入口61の面積の合計の1倍であった。
At this time, in the
また、ポンプ70としてしごきポンプを使用し、流路44の一部を一定方向にしごいて、圧力を生じさせて、燃料収容部41に収容された液体燃料Fを燃料供給部43に送液した。ここで、しごきポンプの回転数を、燃料電池1に流れる電流によって制御する制御回路を構成し、燃料電池1で電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量(電流1Aにつき、1分間当りのメタノールの供給量3.3mg)の1.4倍の燃料が常に供給されるように制御した。
Further, an ironing pump was used as the
そして、温度が25℃、相対湿度が50%の環境の下、上記した燃料電池1に、純度99.9重量%の純メタノールを、上記の供給量となるように供給した。外部負荷としての定電圧電源を接続して、燃料電池1の出力電圧が0.3Vで一定になるように、燃料電池1に流れる電流を制御し、このとき、燃料電池1から得られる出力密度を測定した。ここで、燃料電池1の出力密度(mW/cm2)とは、燃料電池1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1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14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の面積とカソード触媒層14の面積(第1の触媒層14aと第2の触媒層14bの面積の和)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。
Then, pure methanol having a purity of 99.9% by weight was supplied to the above-described
表1に測定結果を示す。なお、ここでは、後述する比較例1における出力密度を100としたときの、相対出力密度が示されている。 Table 1 shows the measurement results. Here, the relative output density when the output density in Comparative Example 1 described later is 100 is shown.
(実施例2)
実施例2で使用した燃料電池1では、カソード触媒層14の作製方法が実施例1で使用した燃料電池1と異なるが、他の構成は実施例1で使用した燃料電池1と同じとした。なお、実施例1のカソード触媒層14と同様に、カソード触媒層14の表面における第1の触媒層14aの面積の合計は、表面カバー60の空気導入口61の面積の合計の1倍とした。また、表面カバー60の空気導入口61に対応して位置する第1の触媒層14aにおいて、燃料電池1の厚さ方向にみたときの、空気導入口61と第1の触媒層14aとが重なる部分の面積の合計は、空気導入口61の面積の合計の1倍とした。
(Example 2)
In the
カソード触媒層14の作製方法について説明する。
A method for producing the
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。カソードガス拡散層15としての多孔質カーボンペーパ上に第1の触媒層14aを塗布する形状に切り抜いた第1のマスクを配置し、上記得られたペーストを塗布した。このペーストが乾燥した後、第1のマスクを除去すると、所定の位置に第1の触媒層14aが得られた。ここで、第1の触媒層14aの乾燥後における、第1の触媒層14aに含まれるプロトン伝導性樹脂の割合は、22重量%であった。また、第1の触媒層14aの気孔率を、実施例1と同様に水銀圧入法で測定した結果、40%であった。
To the carbon black carrying 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 to disperse the carbon black carrying the cathode catalyst particles. A paste was prepared. A first mask cut out in a shape for applying the
続いて、第1の触媒層14aが形成されたカソードガス拡散層15上に、第2の触媒層14bを塗布する形状に切り抜いた第2のマスクを配置し、上記と同様にして調製した触媒ペーストを塗布した。このペーストが乾燥後、第2のマスクを除去すると、所定の位置に第2の触媒層14bが得られた。ここで、第2の触媒層14bの乾燥後における、第2の触媒層14bに含まれるプロトン伝導性樹脂の割合は、30重量%であった。また、第2の触媒層14bの気孔率を、上記した水銀圧入法で測定した結果、30%であった。
Subsequently, a second mask cut out in a shape to apply the
このように、第1の触媒層14aと第2の触媒層14bとを備えるカソード触媒層14を得た。また、他の燃料電池1の構成部分の作製方法は、実施例1で使用した燃料電池1と同じとした。
Thus, the
また、出力密度の測定方法、測定条件および算出方法等は、実施例1におけるものと同じであった。表1に測定結果を示す。なお、ここでは、後述する比較例1における出力密度を100としたときの、相対出力密度が示されている。 Further, the measurement method, measurement conditions, calculation method, and the like of the power density were the same as those in Example 1. Table 1 shows the measurement results. Here, the relative output density when the output density in Comparative Example 1 described later is 100 is shown.
(実施例3)
実施例3で使用した燃料電池1では、カソード触媒層14の作製方法が実施例1で使用した燃料電池1と異なるが、他の構成は実施例1で使用した燃料電池1と同じとした。なお、実施例1のカソード触媒層14と同様に、カソード触媒層14の表面における第1の触媒層14aの面積の合計は、表面カバー60の空気導入口61の面積の合計の1倍とした。また、表面カバー60の空気導入口61に対応して位置する第1の触媒層14aにおいて、燃料電池1の厚さ方向にみたときの、空気導入口61と第1の触媒層14aとが重なる部分の面積の合計は、空気導入口61の面積の合計の1倍とした。
(Example 3)
In the
カソード触媒層14の作製方法について説明する。
A method for producing the
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。得られたペーストを、カソードガス拡散層15としての多孔質カーボンペーパに塗布して乾燥させ、第1の触媒層14aを得た。ここで、第1の触媒層14aの乾燥後における、第1の触媒層14aに含まれるプロトン伝導性樹脂の割合は、26重量%であった。
To the carbon black carrying 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 to disperse the carbon black carrying the cathode catalyst particles. A paste was prepared. The obtained paste was applied to porous carbon paper as the cathode
形成された第1の触媒層14a上に、外形が長方形(40mm×30mm)の表面カバー60に形成された空気導入口61と同じ位置になるよう、直径が3mmの円形の穴を均等に48個形成した厚さが1mmのステンレス板(SUS304)を配置し、プレス機により40kgf/cm2の圧力で垂直に圧縮した。この後、ステンレス板を除去すると、ステンレス板で圧縮された部分が第2の触媒層14bを構成し、ステンレス板で圧縮されなかった部分が第1の触媒層14aを構成した。それぞれの気孔率を、実施例1と同様に水銀圧入法で測定した結果、第1の触媒層14aは35%であり、第2の触媒層14bが20%であった。なお、第2の触媒層14bの乾燥後における、第2の触媒層14bに含まれるプロトン伝導性樹脂の割合は、第1の触媒層14aと同じ26重量%である。
On the formed
このように、第1の触媒層14aと第2の触媒層14bとを備えるカソード触媒層14を得た。また、他の燃料電池1の構成部分の作製方法は、実施例1で使用した燃料電池1と同じとした。
Thus, the
また、出力密度の測定方法、測定条件および算出方法等は、実施例1におけるものと同じであった。表1に測定結果を示す。なお、ここでは、後述する比較例1における出力密度を100としたときの、相対出力密度が示されている。 Further, the measurement method, measurement conditions, calculation method, and the like of the power density were the same as those in Example 1. Table 1 shows the measurement results. Here, the relative output density when the output density in Comparative Example 1 described later is 100 is shown.
(実施例4)
第1の触媒層14aの直径を2.2mmとし、その第1の触媒層14aを、表面カバー60の空気導入口61とそれぞれの中心が一致するように配置した以外は、実施例1で使用した燃料電池1と同じとした。
(Example 4)
Used in Example 1 except that the diameter of the
このとき、カソード触媒層14の表面における第1の触媒層14aの面積の合計は、表面カバー60の空気導入口61の面積の合計の0.54倍であった。また、表面カバー60の空気導入口61に対応して位置する第1の触媒層14aにおいて、燃料電池1の厚さ方向にみたときの、空気導入口61と第1の触媒層14aとが重なる部分の面積の合計は、空気導入口61の面積の合計の0.54倍であった。また、他の燃料電池1の構成部分の作製方法は、実施例1で使用した燃料電池1と同じとした。
At this time, the total area of the
また、出力密度の測定方法、測定条件および算出方法等は、実施例1におけるものと同じであった。表1に測定結果を示す。なお、ここでは、後述する比較例1における出力密度を100としたときの、相対出力密度が示されている。 Further, the measurement method, measurement conditions, calculation method, and the like of the power density were the same as those in Example 1. Table 1 shows the measurement results. Here, the relative output density when the output density in Comparative Example 1 described later is 100 is shown.
(実施例5)
第1の触媒層14aの直径を3.6mmとし、その第1の触媒層14aを、表面カバー60の空気導入口61とそれぞれの中心が一致するように配置した以外は、実施例1で使用した燃料電池1と同じとした。
(Example 5)
Used in Example 1 except that the diameter of the
このとき、カソード触媒層14の表面における第1の触媒層14aの面積の合計は、表面カバー60の空気導入口61の面積の合計の1.44倍であった。また、表面カバー60の空気導入口61に対応して位置する第1の触媒層14aにおいて、燃料電池1の厚さ方向にみたときの、空気導入口61と第1の触媒層14aとが重なる部分の面積の合計は、空気導入口61の面積の合計の1.44倍であった。また、他の燃料電池1の構成部分の作製方法は、実施例1で使用した燃料電池1と同じとした。
At this time, the total area of the
また、出力密度の測定方法、測定条件および算出方法等は、実施例1におけるものと同じであった。表1に測定結果を示す。なお、ここでは、後述する比較例1における出力密度を100としたときの、相対出力密度が示されている。 Further, the measurement method, measurement conditions, calculation method, and the like of the power density were the same as those in Example 1. Table 1 shows the measurement results. Here, the relative output density when the output density in Comparative Example 1 described later is 100 is shown.
(実施例6)
図4は、燃料電池1の厚さ方向にみたときの、実施例6で使用したカソード触媒層14における第1の触媒層14aと表面カバー60の空気導入口61との重なり状態を模式的に示した平面図である。
(Example 6)
FIG. 4 schematically shows the overlapping state of the
第1の触媒層14aの直径を3mmとし、図4に示すように、各第1の触媒層14aの中心Xが、各第1の触媒層14aに対応する、表面カバー60の空気導入口61の円周上に位置する(第1の触媒層14aの中心Xと、表面カバー60の空気導入口61の中心Yとの距離が1.5mmとなり位置)ように配置した以外は、実施例1で使用した燃料電池1と同じとした。
The diameter of the
このとき、カソード触媒層14の表面における第1の触媒層14aの面積の合計は、表面カバー60の空気導入口61の面積の合計の1倍、すなわちカソード触媒層14の表面における第1の触媒層14aの面積の合計と、表面カバー60の空気導入口61の面積の合計とを等しく構成した。また、表面カバー60の空気導入口61に対応して位置する第1の触媒層14aにおいて、燃料電池1の厚さ方向にみたときの、空気導入口61と第1の触媒層14aとが重なる部分の面積の合計は、空気導入口61の面積の合計の0.39倍であった。また、他の燃料電池1の構成部分の作製方法は、実施例1で使用した燃料電池1と同じとした。
At this time, the total area of the
また、出力密度の測定方法、測定条件および算出方法等は、実施例1におけるものと同じであった。表1に測定結果を示す。なお、ここでは、後述する比較例1における出力密度を100としたときの、相対出力密度が示されている。 Further, the measurement method, measurement conditions, calculation method, and the like of the power density were the same as those in Example 1. Table 1 shows the measurement results. Here, the relative output density when the output density in Comparative Example 1 described later is 100 is shown.
(比較例1)
比較例1で使用した燃料電池では、カソード触媒層14が第1の触媒層14aおよび第2の触媒層14bから構成されず、1種の触媒層で構成されており、他の構成は実施例1で使用した燃料電池1と同じとした。すなわち、カソード触媒層14の表面における第1の触媒層14aの面積の合計は、表面カバー60の空気導入口61の面積の合計の「0」倍となる。また、表面カバー60の空気導入口61に対応して位置する第1の触媒層14aにおいて、燃料電池1の厚さ方向にみたときの、空気導入口61と第1の触媒層14aとが重なる部分の面積の合計は、空気導入口61の面積の合計の「0」倍となる。
(Comparative Example 1)
In the fuel cell used in Comparative Example 1, the
カソード触媒層14の作製方法について説明する。
A method for producing the
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。カソードガス拡散層15としての多孔質カーボンペーパ上に、得られたペーストを塗布して乾燥させ、カソード触媒層14を得た。ここで、乾燥後における、カソード触媒層14に含まれるプロトン伝導性樹脂の割合は、26重量%であった。また、カソード触媒層14の気孔率を、実施例1と同様に水銀圧入法で測定した結果、35%であった。また、他の燃料電池1の構成部分の作製方法は、実施例1で使用した燃料電池1と同じとした。
To the carbon black carrying 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 to disperse the carbon black carrying the cathode catalyst particles. A paste was prepared. On the porous carbon paper as the cathode
また、出力密度の測定方法、測定条件および算出方法等は、実施例1におけるものと同じであった。表1に測定結果を示す。なお、ここでは、本比較例1における出力密度を100として示されている。また、ここでは、カソード触媒層14は、1種の触媒層で構成されているため、表1における第1の触媒層および第2の触媒層におけるプロトン伝導性樹脂の割合および気孔率の欄の値を同じ値としている。
Further, the measurement method, measurement conditions, calculation method, and the like of the power density were the same as those in Example 1. Table 1 shows the measurement results. Here, the output density in Comparative Example 1 is shown as 100. Here, since the
(比較例2)
第1の触媒層14aの直径を2mmとし、その第1の触媒層14aを、表面カバー60の空気導入口61とそれぞれの中心が一致するように配置した以外は、実施例1で使用した燃料電池1と同じとした。
(Comparative Example 2)
The fuel used in Example 1 except that the diameter of the
このとき、カソード触媒層14の表面における第1の触媒層14aの面積の合計は、表面カバー60の空気導入口61の面積の合計の0.44倍であった。また、表面カバー60の空気導入口61に対応して位置する第1の触媒層14aにおいて、燃料電池1の厚さ方向にみたときの、空気導入口61と第1の触媒層14aとが重なる部分の面積の合計は、空気導入口61の面積の合計の0.44倍であった。また、他の燃料電池1の構成部分の作製方法は、実施例1で使用した燃料電池1と同じとした。
At this time, the total area of the
また、出力密度の測定方法、測定条件および算出方法等は、実施例1におけるものと同じであった。表1に測定結果を示す。なお、ここでは、比較例1における出力密度を100としたときの、相対出力密度が示されている。 Further, the measurement method, measurement conditions, calculation method, and the like of the power density were the same as those in Example 1. Table 1 shows the measurement results. Here, the relative output density when the output density in Comparative Example 1 is set to 100 is shown.
(比較例3)
第1の触媒層14aの直径を4mmとし、その第1の触媒層14aを、表面カバー60の空気導入口61とそれぞれの中心が一致するように配置した以外は、実施例1で使用した燃料電池1と同じとした。
(Comparative Example 3)
The fuel used in Example 1 except that the diameter of the
このとき、カソード触媒層14の表面における第1の触媒層14aの面積の合計は、表面カバー60の空気導入口61の面積の合計の1.78倍であった。また、表面カバー60の空気導入口61に対応して位置する第1の触媒層14aにおいて、燃料電池1の厚さ方向にみたときの、空気導入口61と第1の触媒層14aとが重なる部分の面積の合計は、空気導入口61の面積の合計の1.78倍であった。また、他の燃料電池1の構成部分の作製方法は、実施例1で使用した燃料電池1と同じとした。
At this time, the total area of the
また、出力密度の測定方法、測定条件および算出方法等は、実施例1におけるものと同じであった。表1に測定結果を示す。なお、ここでは、比較例1における出力密度を100としたときの、相対出力密度が示されている。 Further, the measurement method, measurement conditions, calculation method, and the like of the power density were the same as those in Example 1. Table 1 shows the measurement results. Here, the relative output density when the output density in Comparative Example 1 is set to 100 is shown.
(比較例4)
図5は、燃料電池1の厚さ方向にみたときの、比較例4で使用したカソード触媒層14における第1の触媒層14aと表面カバー60の空気導入口61との重なり状態を模式的に示した平面図である。
(Comparative Example 4)
FIG. 5 schematically shows the overlapping state of the
第1の触媒層14aの直径を3mmとし、図5に示すように、各第1の触媒層14aの中心Xと、各第1の触媒層14aに対応する、表面カバー60の空気導入口61の中心Yとの距離が2.1mmとなるように配置した以外は、実施例1で使用した燃料電池1と同じとした。
The diameter of the
このとき、カソード触媒層14の表面における第1の触媒層14aの面積の合計は、表面カバー60の空気導入口61の面積の合計の1倍、すなわちカソード触媒層14の表面における第1の触媒層14aの面積の合計と、表面カバー60の空気導入口61の面積の合計とを等しく構成した。また、表面カバー60の空気導入口61に対応して位置する第1の触媒層14aにおいて、燃料電池1の厚さ方向にみたときの、空気導入口61と第1の触媒層14aとが重なる部分の面積の合計は、空気導入口61の面積の合計の0.18倍であった。また、他の燃料電池1の構成部分の作製方法は、実施例1で使用した燃料電池1と同じとした。
At this time, the total area of the
また、出力密度の測定方法、測定条件および算出方法等は、実施例1におけるものと同じであった。表1に測定結果を示す。なお、ここでは、比較例1における出力密度を100としたときの、相対出力密度が示されている。 Further, the measurement method, measurement conditions, calculation method, and the like of the power density were the same as those in Example 1. Table 1 shows the measurement results. Here, the relative output density when the output density in Comparative Example 1 is set to 100 is shown.
(実施例1〜実施例6、比較例1〜比較例4のまとめ)
表1に、実施例1〜実施例6、比較例1〜比較例4における相対出力密度を示す。
(Summary of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4)
Table 1 shows the relative power densities in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4.
表1に示すように、実施例1〜実施例6における燃料電池では、比較例1〜比較例4における燃料電池に比べて、相対出力密度が高いことがわかった。すなわち、カソード触媒層14の表面における第1の触媒層14aの面積の合計が、表面カバー60の空気導入口61の面積の合計の0.5〜1.5倍であり、かつ表面カバー60の空気導入口61に対応して位置する第1の触媒層14aにおいて、燃料電池1の厚さ方向にみたときの、空気導入口61と第1の触媒層14aとが重なる部分の面積の合計が、空気導入口61の面積の合計の0.3倍以上となる条件で相対出力密度が高いことがわかった。
As shown in Table 1, it was found that the fuel cells in Examples 1 to 6 had a higher relative output density than the fuel cells in Comparative Examples 1 to 4. That is, the total area of the
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、例えば、液体燃料をアノード導電層の下に直接流通させる方式、燃料電池の外部で液体燃料を蒸発させ、気化した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触媒層に供給する内部気化型等、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. Further, the specific configuration of the fuel cell and the supply state of the fuel are not particularly limited. For example, the liquid fuel is directly circulated under the anode conductive layer, or the liquid fuel is evaporated outside the fuel cell. Various forms, such as an external vaporization type in which vaporized gaseous fuel flows under the anode conductive layer, an internal vaporization type in which liquid fuel is accommodated in the fuel accommodating portion, and the liquid fuel is vaporized inside the cell and supplied to the anode catalyst layer The present invention can be applied to. 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 components shown in the above embodiment, or deleting some components from all the components 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、10…燃料電池セル、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、14a…第1の触媒層、14b…第2の触媒層、15…カソードガス拡散層、16…カソード(空気極)、17…電解質膜、18…アノード導電層、19…カソード導電層、20…Oリング、30…燃料分配層、31…開口部、40…燃料供給機構、41…燃料収容部、42…燃料供給部本体、43…燃料供給部、44…流路、50…保湿層、60…表面カバー、61…空気導入口、F…液体燃料。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記空気極に積層して配置される保湿層と、
前記保湿層に積層して配置される、空気導入口を有する表面カバーと
を備える燃料電池であって、
前記空気極のカソード触媒層が、
前記表面カバーの空気導入口に対応して位置する第1の触媒層と、
前記第1の触媒層以外の部分を構成する第2の触媒層と
を備えることを特徴とする燃料電池。 A membrane electrode assembly having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the air electrode;
A moisturizing layer disposed on the air electrode,
A fuel cell comprising: a surface cover having an air inlet, which is laminated on the moisturizing layer,
The cathode catalyst layer of the air electrode,
A first catalyst layer positioned corresponding to the air inlet of the surface cover;
And a second catalyst layer constituting a portion other than the first catalyst layer.
Priority Applications (1)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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-
2008
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