JP2009295542A - Fuel battery - Google Patents

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満 古市
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元太 大道
Asako Sato
麻子 佐藤
Jun Monma
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery capable of increasing an amount of water supplied to an anode (a fuel electrode) and suppressing the deterioration of the diffusion of an oxidizing gas on a cathode catalyst layer and obtaining a high output. <P>SOLUTION: The fuel battery 1 comprises an anode (a fuel electrode) 13, a cathode (an air electrode) 16, a fuel battery cell 10 having an electrolyte membrane 17 sandwiched by the anode and the cathode, a moisturizing layer 50 arranged by being laminated on the cathode (air electrode) 16, and a surface cover 60 arranged by being laminated on the moisturizing layer 50 and having an air inlet 61. The cathode catalyst layer 14 of the cathode (air electrode) 16 has a first catalyst layer 14a located so as to correspond to the air inlet 61 of the surface cover 60, and a second catalyst layer 14b forming a section excluding the first catalyst layer 14a. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

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。
CHOH+HO → CO+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)O+6e+6H → 3HO …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(HO)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。)。
国際公開第2005/112172号パンフレット 特開2007−80725号公報 特開2007−80726号公報
In the fuel cell that supplies water from the cathode (air electrode) to the anode (fuel electrode) as described above, the amount of water supplied to the anode (fuel electrode) is increased to promote the reaction of the above formula (1). In order to improve the output, 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 generate in the cathode catalyst layer. The method which suppresses that the water which carried out evaporates to external air as water vapor | steam is taken (for example, refer patent document 2-3).
International Publication No. 2005/112172 Pamphlet JP 2007-80725 A JP 2007-80726 A

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 fuel cell 1 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view of the cathode catalyst layer 14. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration when the fuel cell 1 according to the first embodiment of the present invention includes the pump 70.

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 fuel cell 1 includes a fuel cell 10 constituting an electromotive unit, and anode conductivity provided on the anode (fuel electrode) side and the cathode (air electrode) side of the fuel cell 10. A layer 18, a cathode conductive layer 19, a fuel distribution layer 30 having a plurality of openings 31 provided to face the anode conductive layer 18, and a side of the fuel distribution layer 30 different from the fuel cell 10 side. A fuel supply mechanism 40 that is disposed and supplies liquid fuel F to the fuel distribution layer 30, a moisturizing layer 50 laminated on the cathode conductive layer 19, and a plurality of air inlets 61 laminated on the moisturizing layer 50. A front cover 60.

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 fuel cell 10 is a so-called membrane electrode assembly (MEA), and includes an anode (fuel electrode) 13 having an anode catalyst layer 11 and an anode gas diffusion layer 12, a cathode catalyst layer 14, and a cathode gas diffusion. A cathode (air electrode) 16 having a layer 15 and an electrolyte membrane 17 having proton (hydrogen ion) conductivity sandwiched between the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14.

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 anode catalyst layer 11 include a simple substance of a platinum group element such as Pt, Ru, Rh, Ir, Os, and Pd, and an alloy containing the platinum group element. Specifically, it is preferable to use, for example, Pt—Ru, Pt—Mo or the like having strong resistance to methanol, carbon monoxide, or the like as the anode catalyst layer 11. 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 support such as a carbon material or an unsupported catalyst. The anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 contain a proton conductive electrolyte.

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 cathode catalyst layer 14 constitutes a first catalyst layer 14 a located corresponding to the air inlet 61 of the surface cover 60 and a portion other than the first catalyst layer 14 a. And the second catalyst layer 14b.

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 1st catalyst layer 14a is comprised so that the ratio of the proton conductive resin contained in a catalyst layer may become lower than the 2nd catalyst layer 14b. In this way, by configuring the first catalyst layer 14a such that the proportion of the proton conductive resin contained in the catalyst layer is lower than that of the second catalyst layer 14b, in the first catalyst layer 14a, It is possible to improve the diffusibility of air. Further, the second catalyst layer 14b can suppress the water generated in the cathode catalyst layer 14 from being evaporated to the outside as water vapor. The first catalyst layer 14a is configured to have a higher porosity than the second catalyst layer 14b. In this way, by configuring the first catalyst layer 14a to have a higher porosity than the second catalyst layer 14b, it is possible to improve air diffusibility in the first catalyst layer 14a. it can. Further, the second catalyst layer 14b can suppress the water generated in the cathode catalyst layer 14 from being evaporated to the outside as water vapor. Note that the first catalyst layer 14a may be configured so that the proportion of the proton conductive resin contained in the catalyst layer is lower and the porosity is higher than that of the second catalyst layer 14b.

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 cathode catalyst layer 14 include a simple substance of a platinum group element such as Pt, Ru, Rh, Ir, Os, and Pd, an alloy containing the platinum group element, and the like. Specifically, for example, Pt, Pt—Ni, Pt—Co or the like is preferably used as the cathode catalyst layer 14. However, the catalyst is not limited to these, and various substances having catalytic activity can be used. The catalyst may be either a supported catalyst using a conductive support such as a carbon material or an unsupported catalyst.

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 cathode catalyst layer 14, the total area of the first catalyst layer 14 a, that is, the total area of the first catalyst layer 14 a on the surface of the cathode catalyst layer 14 is the air inlet 61 of the surface cover 60. And (2) the first catalyst layer 14a located corresponding to the air inlet 61 of the surface cover 60, as viewed in the thickness direction of the fuel cell 1. In some cases, the total area of the portions where the air inlet 61 and the first catalyst layer 14 a overlap is preferably configured to be 0.3 times or more the total area of the air inlet 61. In other words, when the surface cover 60 is orthogonally projected onto the surface of the cathode catalyst layer 14, the total area of the portions where the air introduction port 61 and the first catalyst layer 14 a overlap is the air introduction port 61. It is preferable that the total area be 0.3 times or more of the total area.

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 first catalyst layer 14a is smaller than 0.5 times the total area of the air inlets 61 of the surface cover 60. This is because the effect of improving the air diffusibility by the catalyst layer 14a cannot be sufficiently obtained, and when the ratio is larger than 1.5 times, the effect of suppressing the evaporation of water vapor to the outside air by the second catalyst layer 14b is sufficiently obtained. This is because the total area of the portion where the air inlet 61 and the first catalyst layer 14a overlap is smaller than 0.3 times the total area of the air inlet 61. This is because neither of the above two effects can be obtained. Note that the upper limit of the range in (2) is 1 time, and this is 1 time when the first catalyst layer 14 a is configured to overlap the air inlet 61.

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

アノード触媒層11に積層されるアノードガス拡散層12は、アノード触媒層11に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層11の集電体も兼ねている。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 anode catalyst layer 11 serves to uniformly supply fuel to the anode catalyst layer 11 and also serves as a current collector for the anode catalyst layer 11. The cathode gas diffusion layer 15 laminated on the cathode catalyst layer 14 serves to uniformly supply the oxidant to the cathode catalyst layer 14 and also serves as a current collector for the cathode catalyst layer 14. The anode gas diffusion layer 12 and the cathode gas diffusion layer 15 are porous bodies or meshes made of a porous carbonaceous material such as carbon paper, carbon cloth, or carbon silk, or a metal material such as titanium, titanium alloy, stainless steel, or gold. Etc.

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 conductive layer 18 laminated on the surface of the anode gas diffusion layer 12 and the cathode conductive layer 19 laminated on the surface of the cathode gas diffusion layer 15 are, for example, a mesh or a porous film made of a conductive metal material such as Au. Etc. Among these, the anode conductive layer 18 and the cathode conductive layer 19 are preferably formed of a thin film having a plurality of openings opened corresponding to the fuel cell 10, and the fuel cell is formed through the openings. The fuel from the opening 31 of the fuel distribution layer 30 provided facing the cell 10 is guided to the fuel cell 10. The anode conductive layer 18 and the cathode conductive layer 19 are configured so that fuel and oxidant do not leak from their peripheral edges. Also, rubber O-rings 20 are interposed between the electrolyte membrane 17 and the anode conductive layer 18 and the cathode conductive layer 19, respectively, thereby preventing fuel leakage and oxidant leakage from the fuel cell 10. is doing. Here, although the fuel cell 1 including the anode conductive layer 18 and the cathode conductive layer 19 is shown, the anode gas diffusion layer 12 and the anode conductive layer 18 and the cathode conductive layer 19 are not provided as described above. The cathode gas diffusion layer 15 may function as a diffusion layer and may function as a conductive layer.

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 moisturizing layer 50 is impregnated with a part of the water generated in the cathode catalyst layer 14 to suppress the transpiration of water and promote uniform diffusion of air to the cathode catalyst layer 14. The moisturizing layer 50 is composed of a flat plate made of, for example, a polyethylene porous film.

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 front cover 60 adjusts the amount of air taken in, and the adjustment is performed by changing the number and size of the air inlets 61. The front cover 60 is preferably made of, for example, a stainless alloy such as SUS304 or SUS316L, or a metal such as titanium or a titanium alloy.

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 fuel supply mechanism 40 mainly includes a fuel storage part 41, a fuel supply part main body 42, and a flow path 44.

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 fuel storage unit 41 stores liquid fuel F corresponding to the fuel battery cell 10. The fuel storage portion 41 is made of a material that does not cause dissolution or alteration by the liquid fuel F. Specifically, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyetheretherketone (PEEK), or the like is used as a material constituting the fuel storage unit 41. Although not shown, the fuel storage portion 41 is provided with a fuel supply port for supplying the liquid fuel F.

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 fuel cell 10 is stored in the fuel storage portion 41.

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 main body 42 includes a fuel supply unit 43 including recesses for uniformly dispersing the liquid fuel F in order to uniformly supply the supplied liquid fuel F to the fuel distribution layer 30. The fuel supply unit 43 is connected to the fuel storage unit 41 via a flow path 44 of the liquid fuel F configured by piping or the like.

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 fuel storage part 41 can be dropped and sent to the fuel supply part 43 via the flow path 44 using gravity. Alternatively, the flow path 44 may be filled with a porous body or the like, and the liquid fuel F stored in the fuel storage unit 41 may be fed to the fuel supply unit 43 by capillary action. Further, as shown in FIG. 3, the liquid fuel F stored in the fuel storage unit 41 may be forcibly sent to the fuel supply unit 43 by interposing a pump 70 in a part of the flow path 44.

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 pump 70 functions as a supply pump that simply supplies the liquid fuel F from the fuel storage unit 41 to the fuel supply unit 43, and is a circulation pump that circulates excess liquid fuel F supplied to the fuel cells 10. It does not have the function as. Since the fuel cell 1 provided with the pump 70 does not circulate fuel, the fuel cell 1 is called a so-called semi-passive type, which has a different configuration from a conventional active method and a different configuration from a pure passive method such as a conventional internal vaporization type. Applicable to the method. The type of the pump 70 that functions as the fuel supply means is not particularly limited, but from the viewpoint that a small amount of the liquid fuel F can be fed with good controllability and that further reduction in size and weight can be achieved. It is preferable to use a vane pump, an electroosmotic flow pump, a diaphragm pump, a squeezing pump, or the like. 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. When the pump 70 is provided as described above, the pump 70 is electrically connected to control means (not shown), and the supply amount of the liquid fuel F supplied to the fuel supply unit 43 is controlled by the control means. .

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 fuel distribution layer 30 is configured by, for example, a flat plate in which a plurality of openings 31 are formed, and is sandwiched between the anode gas diffusion layer 12 and the fuel supply unit 43. The fuel distribution layer 30 is made of a material that does not allow the vaporized component of the liquid fuel F or the liquid fuel F to permeate. Specifically, for example, a polyethylene terephthalate (PET) resin, a polyethylene naphthalate (PEN) resin, or a polyimide resin. Etc. Further, the fuel distribution layer 30 may be constituted by, for example, a gas-liquid separation membrane that separates the vaporized component of the liquid fuel F and the liquid fuel F and permeates the vaporized component to the fuel cell unit 10 side. Examples of the gas-liquid separation membrane include silicone rubber, low density polyethylene (LDPE) thin film, polyvinyl chloride (PVC) thin film, polyethylene terephthalate (PET) thin film, fluororesin (for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene). -Perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA) etc.) A microporous film etc. are used.

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 cathode catalyst layer 14 composed of the first catalyst layer 14a and the second catalyst layer 14b will be described. Here, five methods (a) to (e) are illustrated as methods for forming the cathode catalyst layer 14, but are not limited to these forming methods.

(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 first catalyst layer 14a is applied to the entire surface of the first cathode gas diffusion layer and dried to form the first catalyst layer 14a. A catalyst paste having the composition of the second catalyst layer 14b is applied to the entire surface of the second cathode gas diffusion layer and dried to form the second catalyst layer 14b.

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 second catalyst layer 14b is formed has a through-hole formed at a position corresponding to the air inlet 61 of the surface cover 60, that is, at the same position as the air inlet 61 of the surface cover 60. To do. On the other hand, the first cathode gas diffusion layer on which the first catalyst layer 14 a is formed is cut into the same shape as the air inlet 61 of the surface cover 60. Then, what was cut out from the first cathode gas diffusion layer is fitted into the through hole formed in the second cathode gas diffusion layer. By such a method, the cathode catalyst layer 14 composed of the first catalyst layer 14a and the second catalyst layer 14b can be formed.

(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 first catalyst layer 14a is disposed on the substrate constituting the cathode gas diffusion layer, and a catalyst paste having the composition of the first catalyst layer 14a is disposed. Apply. After the paste is dried, the first mask is removed. Thus, the first catalyst layer 14a is formed at a predetermined position on the substrate.

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 first catalyst layer 14a is formed, a second mask cut out in a shape for applying the second catalyst layer 14b is disposed, and a catalyst paste having the composition of the second catalyst layer 14b Apply. After the paste is dried, the second mask is removed. By such a method, the cathode catalyst layer 14 composed of the first catalyst layer 14a and the second catalyst layer 14b can be formed. The order in which the first catalyst layer 14a and the second catalyst layer 14b are formed is not particularly limited, and the second catalyst layer 14b may be formed first.

(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 first catalyst layer 14a and the second catalyst layer 14b on the substrate constituting the cathode gas diffusion layer as in an air spray or an ink jet printer. Using a coating device, the catalyst paste for forming the first catalyst layer 14a and the second catalyst layer 14b is respectively applied to predetermined positions. Then, the applied catalyst paste is dried. By such a method, the cathode catalyst layer 14 composed of the first catalyst layer 14a and the second catalyst layer 14b can be formed.

(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 first catalyst layer 14a is applied to the entire surface of the substrate constituting the cathode gas diffusion layer and dried to form the first catalyst layer 14a. On this first catalyst layer 14a, a mask cut out in a shape for applying the second catalyst layer 14b is disposed, and a solution in which only the proton conductive resin is dispersed is applied. When the mask is removed after the solution is dried, the portion where the solution in which only the proton conductive resin is dispersed is applied becomes the second catalyst layer 14b, and the portion where the solution is not applied becomes the first catalyst layer 14a. . By such a method, the cathode catalyst layer 14 composed of the first catalyst layer 14a and the second catalyst layer 14b can be formed.

(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 first catalyst layer 14a is applied to the entire surface of the substrate constituting the cathode gas diffusion layer and dried to form the first catalyst layer 14a. On the first catalyst layer 14a, a hard plate cut out in the same shape as the portion forming the second catalyst layer 14b is disposed, and the cathode catalyst layer is compressed by a press, a vise or a heavy stone. Subsequently, when the hard plate is removed, the portion compressed by the hard plate becomes the second catalyst layer 14b, and the portion not compressed becomes the first catalyst layer 14a. By such a method, the cathode catalyst layer 14 composed of the first catalyst layer 14a and the second catalyst layer 14b can be formed.

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 fuel cell 1 described above will be described.

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。
CHOH+HO → CO+6H++6e- …式(1)
The liquid fuel F led out from the fuel storage unit 41 toward the fuel supply unit 43 via the flow path 44 is supplied to the fuel supply unit 43 and remains as the liquid fuel F, or the liquid fuel F and the liquid fuel F are vaporized. The vaporized fuel is mixed and supplied to the anode gas diffusion layer 12 of the fuel cell 10 through the fuel distribution layer 30 and the anode conductive layer 18. The fuel supplied to the anode gas diffusion layer 12 is diffused in the anode gas diffusion layer 12 and supplied to the anode catalyst layer 11. 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 11. The formula (1) is the same as the above-described formula (1).
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 cathode catalyst layer 14 or water in the electrolyte membrane 17 and the internal reforming reaction of the above formula (1)? Or 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)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)O+6e-+6H+ → 3HO …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 electrolyte membrane 17. Air is supplied to the cathode (air electrode) 16 as an oxidant. Electrons (e ) and protons (H + ) reaching the cathode (air electrode) 16 cause a reaction shown in the following formula (2) with oxygen in the air in the cathode catalyst layer 14, and accompanying this power generation reaction, Water is produced. This equation (2) is the same as the above-described equation (2).
(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 first catalyst layer 14 a in the cathode catalyst layer 14 of the cathode (air electrode) 16 mainly improves air diffusibility.

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 fuel cell 1.

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 fuel cell 1 of the first embodiment of the present invention described above, the cathode catalyst layer 14 is composed of the first catalyst layer 14a and the second catalyst layer 14b, and the first catalyst layer 14a is The diffusibility of air is improved in the first catalyst layer 14a by configuring the proton conductive resin contained in the catalyst layer at a lower ratio and / or having a higher porosity than the second catalyst layer 14b. Can be achieved. In addition, by locating the first catalyst layer 14a corresponding to the air inlet 61 of the surface cover 60, it is possible to further improve the air diffusibility in the first catalyst layer 14a. Furthermore, the second catalyst layer 14 b can suppress the water generated in the cathode catalyst layer 14 from being evaporated to the outside air as water vapor, and supply sufficient water to the anode (fuel electrode) 13. Further, in the fuel cell 1 including the cathode catalyst layer 14 having such a configuration, a high output and a stable output can be obtained.

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 fuel cell 1 shown in FIG. 3, and will be described with reference to FIG.

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 fuel battery cell 10 will be described.

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 anode catalyst layer 11 having a thickness of 100 μm.

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 gas diffusion layer 15 to obtain a first catalyst layer 14a having a thickness of 100 μm. Here, the proportion of the proton conductive resin contained in the first catalyst layer 14a after the drying of the first catalyst layer 14a was 22% by weight. Further, the porosity of the first catalyst layer 14a was measured by a mercury intrusion method and found to be 40%. The porosity of the catalyst layer was measured using Shimadzu Autopore 9520 type under the condition of an initial pressure of about 7 kPa (corresponding to a pore diameter of about 180 μm). At this time, the total pore volume measured using only the cathode gas diffusion layer 15 before applying the first catalyst layer 14a as a sample, and the cathode gas diffusion layer 15 after applying and drying the first catalyst layer 14a The difference from the total pore volume measured as a sample is considered to be equal to the pore volume of only the first catalyst layer 14a, and from the value of the pore volume of only the first catalyst layer 14a, the first catalyst layer The porosity of 14a was calculated.

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 gas diffusion layer 15 by applying a paste prepared in the same manner as in the case of forming the first catalyst layer 14a. 14b was obtained. Here, the proportion of the proton conductive resin contained in the second catalyst layer 14b after the drying of the second catalyst layer 14b was 30% by weight. The porosity of the second catalyst layer 14b was 30% as a result of measurement by the mercury intrusion method described above.

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 gas diffusion layer 15 coated with the second catalyst layer 14b is formed in a rectangular shape (40 mm × 30 mm), and a surface cover 60 described later in the cathode gas diffusion layer 15 coated with the second catalyst layer 14b is formed. Forty-eight circular holes having a diameter of 3 mm were uniformly formed at the same position as the formed air inlet 61. Subsequently, 48 disks having a diameter of 3 mm were cut out from the cathode gas diffusion layer 15 coated with the first catalyst layer 14a, and these were cut into holes formed in the cathode gas diffusion layer 15 coated with the second catalyst layer 14b. The catalyst layer was fitted so that the surfaces of the catalyst layer were flush. Thereby, the cathode catalyst layer 14 provided with the 1st catalyst layer 14a and the 2nd catalyst layer 14b was obtained. The anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 have the same shape and size.

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 electrolyte membrane 17 between the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 produced as described above. The fuel cell 10 was obtained by performing hot pressing in a state where the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 face each other.

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 fuel battery cell 10 was sandwiched between gold foils having a plurality of openings to form an anode conductive layer 18 and a cathode conductive layer 19. A rubber O-ring 20 was sandwiched between the electrolyte membrane 17 and the anode conductive layer 18 and between the electrolyte membrane 17 and the cathode conductive layer 19 for sealing.

また、保湿層50として、厚さが1mmで、透気度が2秒/100cm(JIS P−8117に規定の測定方法による)で、透湿度が2000g/(m・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 moisture retaining layer 50, the thickness is 1 mm, the air permeability is 2 seconds / 100 cm 3 (according to the measurement method specified in JIS P-8117), and the moisture permeability is 2000 g / (m 2 · 24 h) (JIS L A porous film made of polyethylene of −1099 A-1) was cut into a rectangle (44 mm × 34 mm) and laminated on the cathode conductive layer 19. The air supplied from the outside air to the cathode (air electrode) 16 passes through the moisture retaining layer 50.

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 moisturizing layer 50, a stainless steel plate (SUS304) having a thickness of 1 mm in which 48 air inlets 61 having a rectangular outer shape (44 mm × 34 mm) and a diameter of 3 mm are uniformly formed is disposed. A surface cover 60 was obtained.

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 first catalyst layer 14a positioned corresponding to the air inlet 61 of the surface cover 60, the first catalyst layer 14a is formed in each air inlet 61 when viewed in the thickness direction of the fuel cell 1. The other part of the cathode catalyst layer 14 was constituted by the second catalyst layer 14b. Therefore, the total area of the first catalyst layer 14 a on the surface of the cathode catalyst layer 14 was one times the total area of the air inlet 61 of the surface cover 60. Further, in the first catalyst layer 14 a located corresponding to the air inlet 61 of the surface cover 60, the air inlet 61 and the first catalyst layer 14 a overlap when viewed in the thickness direction of the fuel cell 1. The total area of the portions was one times the total area of the air inlet 61.

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 pump 70, and a part of the flow path 44 was squeezed in a certain direction to generate pressure, and the liquid fuel F stored in the fuel storage unit 41 was sent to the fuel supply unit 43. . Here, a control circuit for controlling the rotational speed of the ironing pump by the current flowing through the fuel cell 1 is configured, and the fuel supply amount necessary for causing an electrochemical reaction in the fuel cell 1 (per 1 A of current per minute) The fuel was controlled so that 1.4 times the amount of methanol supplied (3.3 mg) was always supplied.

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/cm)とは、燃料電池1に流れる電流密度(発電部の面積1cm当りの電流値(mA/cm))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 fuel cell 1 in an environment where the temperature was 25 ° C. and the relative humidity was 50% so that the above supply amount was obtained. A constant voltage power source as an external load is connected, and the current flowing through the fuel cell 1 is controlled so that the output voltage of the fuel cell 1 is constant at 0.3 V. At this time, the output density obtained from the fuel cell 1 Was measured. Here, the output density (mW / cm 2 ) of the fuel cell 1 refers to the current density flowing through the fuel cell 1 (current value per 1 cm 2 area (mA / cm 2 ) of the power generation unit) and the output voltage of the fuel cell 1. Multiplied by. Further, the area of the power generation unit is the area of the portion where the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 face each other. In this embodiment, the area of the anode catalyst layer 11 and the area of the cathode catalyst layer 14 (the sum of the areas of the first catalyst layer 14a and the second catalyst layer 14b) are equal and completely opposed to each other. The area of the part is equal to the area of these catalyst layers.

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 fuel cell 1 used in Example 2, the production method of the cathode catalyst layer 14 is different from that of the fuel cell 1 used in Example 1, but the other configuration is the same as that of the fuel cell 1 used in Example 1. As with the cathode catalyst layer 14 of Example 1, the total area of the first catalyst layer 14 a on the surface of the cathode catalyst layer 14 was set to be one time the total area of the air inlet 61 of the surface cover 60. . Further, in the first catalyst layer 14 a located corresponding to the air inlet 61 of the surface cover 60, the air inlet 61 and the first catalyst layer 14 a overlap when viewed in the thickness direction of the fuel cell 1. The total area of the portions was one time the total area of the air inlet 61.

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 cathode catalyst layer 14 will be described.

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 first catalyst layer 14a was placed on the porous carbon paper as the cathode gas diffusion layer 15, and the obtained paste was applied. When the first mask was removed after the paste was dried, the first catalyst layer 14a was obtained at a predetermined position. Here, the proportion of the proton conductive resin contained in the first catalyst layer 14a after the drying of the first catalyst layer 14a was 22% by weight. Further, the porosity of the first catalyst layer 14a was measured by the mercury intrusion method in the same manner as in Example 1, and as a result, it was 40%.

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 second catalyst layer 14b is disposed on the cathode gas diffusion layer 15 on which the first catalyst layer 14a is formed, and the catalyst prepared in the same manner as described above. The paste was applied. When the paste was dried and the second mask was removed, the second catalyst layer 14b was obtained at a predetermined position. Here, the proportion of the proton conductive resin contained in the second catalyst layer 14b after the drying of the second catalyst layer 14b was 30% by weight. The porosity of the second catalyst layer 14b was 30% as a result of measurement by the mercury intrusion method described above.

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 cathode catalyst layer 14 provided with the 1st catalyst layer 14a and the 2nd catalyst layer 14b was obtained. Further, the manufacturing method of the constituent parts of the other fuel cell 1 was the same as that of the fuel cell 1 used in Example 1.

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 fuel cell 1 used in Example 3, the production method of the cathode catalyst layer 14 is different from that of the fuel cell 1 used in Example 1, but the other configuration is the same as that of the fuel cell 1 used in Example 1. As with the cathode catalyst layer 14 of Example 1, the total area of the first catalyst layer 14 a on the surface of the cathode catalyst layer 14 was set to be one time the total area of the air inlet 61 of the surface cover 60. . Further, in the first catalyst layer 14 a located corresponding to the air inlet 61 of the surface cover 60, the air inlet 61 and the first catalyst layer 14 a overlap when viewed in the thickness direction of the fuel cell 1. The total area of the portions was one time the total area of the air inlet 61.

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 cathode catalyst layer 14 will be described.

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 gas diffusion layer 15 and dried to obtain a first catalyst layer 14a. Here, the proportion of the proton conductive resin contained in the first catalyst layer 14a after the drying of the first catalyst layer 14a was 26% by weight.

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/cm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 first catalyst layer 14a, circular holes with a diameter of 3 mm are evenly 48 so as to be in the same position as the air inlet 61 formed in the surface cover 60 having a rectangular outer shape (40 mm × 30 mm). A formed stainless steel plate (SUS304) having a thickness of 1 mm was placed and compressed vertically by a press at a pressure of 40 kgf / cm 2 . Thereafter, when the stainless steel plate was removed, the portion compressed by the stainless steel plate constituted the second catalyst layer 14b, and the portion not compressed by the stainless steel plate constituted the first catalyst layer 14a. Each porosity was measured by the mercury intrusion method in the same manner as in Example 1. As a result, the first catalyst layer 14a was 35% and the second catalyst layer 14b was 20%. The proportion of the proton conductive resin contained in the second catalyst layer 14b after the drying of the second catalyst layer 14b is 26% by weight, which is the same as that of the first catalyst layer 14a.

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 cathode catalyst layer 14 provided with the 1st catalyst layer 14a and the 2nd catalyst layer 14b was obtained. Further, the manufacturing method of the constituent parts of the other fuel cell 1 was the same as that of the fuel cell 1 used in Example 1.

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 first catalyst layer 14a is 2.2 mm, and the first catalyst layer 14a is arranged so that the center of each of the first catalyst layer 14a and the air inlet 61 of the surface cover 60 is aligned. The fuel cell 1 was the same.

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 first catalyst layer 14 a on the surface of the cathode catalyst layer 14 was 0.54 times the total area of the air inlet 61 of the surface cover 60. Further, in the first catalyst layer 14 a located corresponding to the air inlet 61 of the surface cover 60, the air inlet 61 and the first catalyst layer 14 a overlap when viewed in the thickness direction of the fuel cell 1. The total area of the portions was 0.54 times the total area of the air inlet 61. Further, the manufacturing method of the constituent parts of the other fuel cell 1 was the same as that of the fuel cell 1 used in Example 1.

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 first catalyst layer 14a is 3.6 mm, and the first catalyst layer 14a is disposed so that the center of each of the first catalyst layer 14a and the air inlet 61 of the surface cover 60 is aligned. The fuel cell 1 was the same.

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 first catalyst layer 14 a on the surface of the cathode catalyst layer 14 was 1.44 times the total area of the air inlet 61 of the surface cover 60. Further, in the first catalyst layer 14 a located corresponding to the air inlet 61 of the surface cover 60, the air inlet 61 and the first catalyst layer 14 a overlap when viewed in the thickness direction of the fuel cell 1. The total area of the portions was 1.44 times the total area of the air inlet 61. Further, the manufacturing method of the constituent parts of the other fuel cell 1 was the same as that of the fuel cell 1 used in Example 1.

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 first catalyst layer 14 a and the air inlet 61 of the surface cover 60 in the cathode catalyst layer 14 used in Example 6 when viewed in the thickness direction of the fuel cell 1. It is the shown top view.

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 first catalyst layer 14a is 3 mm, and as shown in FIG. 4, the center X of each first catalyst layer 14a corresponds to each first catalyst layer 14a. Example 1 except that the first catalyst layer 14a is disposed so that the distance between the center X of the first catalyst layer 14a and the center Y of the air inlet 61 of the surface cover 60 is 1.5 mm. The same as the fuel cell 1 used in FIG.

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 first catalyst layer 14 a on the surface of the cathode catalyst layer 14 is one times the total area of the air inlet 61 of the surface cover 60, that is, the first catalyst on the surface of the cathode catalyst layer 14. The total area of the layers 14a and the total area of the air inlets 61 of the surface cover 60 were configured to be equal. Further, in the first catalyst layer 14 a located corresponding to the air inlet 61 of the surface cover 60, the air inlet 61 and the first catalyst layer 14 a overlap when viewed in the thickness direction of the fuel cell 1. The total area of the portions was 0.39 times the total area of the air inlet 61. Further, the manufacturing method of the constituent parts of the other fuel cell 1 was the same as that of the fuel cell 1 used in Example 1.

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 cathode catalyst layer 14 is not composed of the first catalyst layer 14a and the second catalyst layer 14b, but is composed of one type of catalyst layer. 1 was the same as the fuel cell 1 used in 1. That is, the total area of the first catalyst layer 14 a on the surface of the cathode catalyst layer 14 is “0” times the total area of the air inlet 61 of the surface cover 60. Further, in the first catalyst layer 14 a located corresponding to the air inlet 61 of the surface cover 60, the air inlet 61 and the first catalyst layer 14 a overlap when viewed in the thickness direction of the fuel cell 1. The total area of the portions is “0” times the total area of the air inlet 61.

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 cathode catalyst layer 14 will be described.

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 gas diffusion layer 15, the obtained paste was applied and dried to obtain a cathode catalyst layer 14. Here, the proportion of the proton conductive resin contained in the cathode catalyst layer 14 after drying was 26% by weight. Further, the porosity of the cathode catalyst layer 14 was measured by the mercury intrusion method in the same manner as in Example 1. As a result, it was 35%. Further, the manufacturing method of the constituent parts of the other fuel cell 1 was the same as that of the fuel cell 1 used in Example 1.

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 cathode catalyst layer 14 is composed of one type of catalyst layer, the ratio of the proton conductive resin and the porosity in the first catalyst layer and the second catalyst layer in Table 1 are as follows. The value is the same value.

(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 first catalyst layer 14a is 2 mm, and the first catalyst layer 14a is arranged so that the center of each of the first catalyst layer 14a and the air inlet 61 of the surface cover 60 is aligned. Same as battery 1.

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 first catalyst layer 14 a on the surface of the cathode catalyst layer 14 was 0.44 times the total area of the air inlet 61 of the surface cover 60. Further, in the first catalyst layer 14 a located corresponding to the air inlet 61 of the surface cover 60, the air inlet 61 and the first catalyst layer 14 a overlap when viewed in the thickness direction of the fuel cell 1. The total area of the portions was 0.44 times the total area of the air inlet 61. Further, the manufacturing method of the constituent parts of the other fuel cell 1 was the same as that of the fuel cell 1 used in Example 1.

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 first catalyst layer 14a is 4 mm, and the first catalyst layer 14a is disposed so that the center of each of the first catalyst layer 14a and the air inlet 61 of the surface cover 60 is aligned. Same as battery 1.

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 first catalyst layer 14 a on the surface of the cathode catalyst layer 14 was 1.78 times the total area of the air inlet 61 of the surface cover 60. Further, in the first catalyst layer 14 a located corresponding to the air inlet 61 of the surface cover 60, the air inlet 61 and the first catalyst layer 14 a overlap when viewed in the thickness direction of the fuel cell 1. The total area of the portions was 1.78 times the total area of the air inlet 61. Further, the manufacturing method of the constituent parts of the other fuel cell 1 was the same as that of the fuel cell 1 used in Example 1.

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 first catalyst layer 14 a and the air inlet 61 of the surface cover 60 in the cathode catalyst layer 14 used in Comparative Example 4 when viewed in the thickness direction of the fuel cell 1. It is the shown top view.

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 first catalyst layer 14a is 3 mm. As shown in FIG. 5, the center X of each first catalyst layer 14a and the air inlet 61 of the surface cover 60 corresponding to each first catalyst layer 14a. The fuel cell 1 was the same as the fuel cell 1 used in Example 1, except that the distance from the center Y was 2.1 mm.

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 first catalyst layer 14 a on the surface of the cathode catalyst layer 14 is one times the total area of the air inlet 61 of the surface cover 60, that is, the first catalyst on the surface of the cathode catalyst layer 14. The total area of the layers 14a and the total area of the air inlets 61 of the surface cover 60 were configured to be equal. Further, in the first catalyst layer 14 a located corresponding to the air inlet 61 of the surface cover 60, the air inlet 61 and the first catalyst layer 14 a overlap when viewed in the thickness direction of the fuel cell 1. The total area of the portions was 0.18 times the total area of the air inlet 61. Further, the manufacturing method of the constituent parts of the other fuel cell 1 was the same as that of the fuel cell 1 used in Example 1.

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.

Figure 2009295542
Figure 2009295542

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 first catalyst layer 14 a on the surface of the cathode catalyst layer 14 is 0.5 to 1.5 times the total area of the air inlet 61 of the surface cover 60, and In the first catalyst layer 14a positioned corresponding to the air inlet 61, the total area of the portions where the air inlet 61 and the first catalyst layer 14a overlap when viewed in the thickness direction of the fuel cell 1 is It was found that the relative output density was high under the condition that the total area of the air inlet 61 was 0.3 times or more.

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.

本発明に係る一実施の形態の燃料電池の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the fuel cell of one embodiment which concerns on this invention. カソード触媒層の平面図。The top view of a cathode catalyst layer. 本発明に係る第1の実施の形態の燃料電池においてポンプを備えた場合の構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure at the time of providing the pump in the fuel cell of 1st Embodiment based on this invention. 燃料電池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における第1の触媒層と表面カバーの空気導入口との重なり状態を模式的に示した平面図。The top view which showed typically the overlapping state of the 1st catalyst layer in the cathode catalyst layer used in Example 6, and the air inlet of a surface cover when it sees in the thickness direction of a fuel cell. 燃料電池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における第1の触媒層と表面カバーの空気導入口との重なり状態を模式的に示した平面図。The top view which showed typically the overlapping state of the 1st catalyst layer in the cathode catalyst layer used in the comparative example 4, and the air inlet of a surface cover when it sees in the thickness direction of a fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 10 ... Fuel cell, 11 ... Anode catalyst layer, 12 ... Anode gas diffusion layer, 13 ... Anode (fuel electrode), 14 ... Cathode catalyst layer, 14a ... First catalyst layer, 14b ... Second Catalyst layer, 15 ... cathode gas diffusion layer, 16 ... cathode (air electrode), 17 ... electrolyte membrane, 18 ... anode conductive layer, 19 ... cathode conductive layer, 20 ... O-ring, 30 ... fuel distribution layer, 31 ... opening , 40 ... Fuel supply mechanism, 41 ... Fuel storage unit, 42 ... Fuel supply unit body, 43 ... Fuel supply unit, 44 ... Channel, 50 ... Moisturizing layer, 60 ... Surface cover, 61 ... Air inlet, F ... Liquid fuel.

Claims (6)

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。
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.
前記第1の触媒層は、前記第2の触媒層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いことを特徴とする請求項1記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the first catalyst layer has a lower proportion of the proton conductive resin contained in the catalyst layer than the second catalyst layer. 前記第1の触媒層は、前記第2の触媒層よりも気孔率が高いことを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the first catalyst layer has a higher porosity than the second catalyst layer. 前記カソード触媒層は、それぞれ別個に形成された前記第1の触媒層と前記第2の触媒層とを組み合わせて構成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の燃料電池。   4. The cathode catalyst layer according to claim 1, wherein the cathode catalyst layer is configured by combining the first catalyst layer and the second catalyst layer that are separately formed. 5. Fuel cell. 前記カソード触媒層の第2の触媒層は、前記第1の触媒層の所定の部分を圧縮して構成されたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の燃料電池。   4. The fuel cell according to claim 1, wherein the second catalyst layer of the cathode catalyst layer is configured by compressing a predetermined portion of the first catalyst layer. 5. 前記カソード触媒層の表面における前記第1の触媒層の面積の合計が、前記表面カバーの空気導入口の面積の合計の0.5〜1.5倍であり、かつ前記表面カバーの空気導入口に対応して位置する前記第1の触媒層において、燃料電池の厚さ方向にみたときに、前記空気導入口と前記第1の触媒層とが重なる部分の面積の合計が、前記空気導入口の面積の合計の0.3倍以上であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の燃料電池。   The total area of the first catalyst layer on the surface of the cathode catalyst layer is 0.5 to 1.5 times the total area of the air inlet of the surface cover, and the air inlet of the surface cover In the first catalyst layer located corresponding to the thickness of the fuel cell, the total area of the portions where the air inlet and the first catalyst layer overlap is the sum of the air inlets. The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the fuel cell is 0.3 times or more of a total area.
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