JP2010055954A - Electrode, fuel cell using the same, and electronic device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of restraining fuel crossover and restraining generation of overvoltage at an oxygen electrode side, and to provide an electronic device using the same. <P>SOLUTION: A fuel-electrolyte passage 30 is arranged between a fuel electrode 10 and an oxygen electrode 20, and a fuel-electrolyte mixed liquid is circulated in the same passage. The oxygen electrode 20 has a laminated structure of a diffusion layer 22 and a catalyst layer 23 on a current collector 21, and for example, palladium (Pd) and palladium alloy as a selective catalyst which is not reacted with a fuel and reacts with oxygen is included in the catalyst layer 23. The fuel is not oxidized in the oxygen electrode 20, and deterioration of characteristics caused by the fuel crossover can be restrained. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、メタノールを直接燃料電極に供給して反応させる直接型メタノール燃料電池(DMFC;Direct Methanol Fuel Cell )などの酸素電極として用いる電極、およびこの電極を用いた燃料電池、並びにこの燃料電池を備えた電子機器に関する。   The present invention relates to an electrode used as an oxygen electrode such as a direct methanol fuel cell (DMFC) in which methanol is directly supplied to a fuel electrode to cause a reaction, a fuel cell using the electrode, and a fuel cell using the fuel cell. It is related with the provided electronic equipment.

電池の特性を示す指標として、エネルギー密度と出力密度とがある。エネルギー密度とは電池の単位質量あたりのエネルギー蓄積量であり、出力密度とは電池の単位質量あたりの出力量である。リチウムイオン二次電池は、比較的高いエネルギー密度と極めて高い出力密度という二つの特徴を併せもっており、完成度も高いことから、モバイル機器の電源として広く採用されている。しかし、近年、モバイル機器は高性能化にともなって消費電力が増加する傾向にあり、リチウムイオン二次電池にも更なるエネルギー密度および出力密度の向上が求められている。   There are an energy density and an output density as indices indicating the characteristics of the battery. The energy density is an energy storage amount per unit mass of the battery, and the output density is an output amount per unit mass of the battery. Lithium ion secondary batteries have two characteristics of relatively high energy density and extremely high power density, and since they are highly complete, they are widely used as power sources for mobile devices. However, in recent years, power consumption of mobile devices tends to increase as performance increases, and further improvements in energy density and output density are required for lithium ion secondary batteries.

その解決策として、正極および負極を構成する電極材料の変更、電極材料の塗布方法の改善、電極材料の封入方法の改善などが挙げられ、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を向上させる研究が行われている。しかし、実用化に向けてのハードルはまだ高い。また、現在のリチウムイオン二次電池に使用されている構成材料が変わらない限り、大幅なエネルギー密度の向上を期待することは難しい。   Solutions include changing the electrode materials that make up the positive and negative electrodes, improving the application method of the electrode materials, and improving the encapsulation method of the electrode materials, and research to improve the energy density of lithium-ion secondary batteries has been conducted. It has been broken. However, the hurdles for practical use are still high. In addition, unless the constituent materials used in current lithium ion secondary batteries are changed, it is difficult to expect significant improvement in energy density.

このため、リチウムイオン二次電池に代わる、よりエネルギー密度の高い電池の開発が急務とされており、燃料電池はその候補の一つとして有力視されている。   For this reason, the development of a battery with higher energy density to replace the lithium ion secondary battery is urgently needed, and the fuel cell is regarded as a promising candidate.

燃料電池は、アノード(燃料電極)とカソード(酸素電極)との間に電解質が配置された構成を有し、燃料電極には燃料、酸素電極には空気または酸素がそれぞれ供給される。この結果、燃料電極および酸素電極において燃料が酸素によって酸化される酸化還元反応が起こり、燃料がもつ化学エネルギーの一部が電気エネルギーに変換されて取り出される。   The fuel cell has a configuration in which an electrolyte is disposed between an anode (fuel electrode) and a cathode (oxygen electrode). Fuel is supplied to the fuel electrode, and air or oxygen is supplied to the oxygen electrode. As a result, an oxidation-reduction reaction occurs in which the fuel is oxidized by oxygen at the fuel electrode and the oxygen electrode, and a part of the chemical energy of the fuel is converted into electric energy and extracted.

既に、さまざまな種類の燃料電池が提案または試作され、一部は実用化されている。これらの燃料電池は、用いられる電解質によって、アルカリ電解質型燃料電池(AFC;Alkaline Fuel Cell)、リン酸型燃料電池(PAFC;Phosphoric Acid Fuel Cell )、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC;Molten Carbonate Fuel Cell)、固体酸化物型燃料電池(SOFC;Solid Electrolyte Fuel Cell )および固体高分子型燃料電池(PEFC;Polymer Electrolyte Fuel Cell )などに分類される。このうち、PEFCは、他の型式のものと比較して低い温度、例えば30℃〜130℃程度の温度で動作させることができる。   Various types of fuel cells have already been proposed or prototyped, and some have been put into practical use. Depending on the electrolyte used, these fuel cells may be alkaline electrolyte fuel cells (AFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), or molten carbonate fuel cells (MCFC). Cell), solid oxide fuel cell (SOFC), polymer electrolyte fuel cell (PEFC), and the like. Among these, the PEFC can be operated at a temperature lower than that of other types, for example, about 30 ° C to 130 ° C.

燃料電池の燃料としては、水素やメタノールなど、種々の可燃性物質を用いることができる。しかし、水素などの気体燃料は、貯蔵用のボンベなどが必要になるため、小型化には適していない。一方、メタノールなどの液体燃料は、貯蔵しやすい点で有利である。とりわけ、DMFCには、燃料から水素を取り出すための改質器を必要とせず、構成が簡素になり、小型化が容易であるという利点がある。   As the fuel for the fuel cell, various combustible substances such as hydrogen and methanol can be used. However, gaseous fuel such as hydrogen is not suitable for miniaturization because a storage cylinder or the like is required. On the other hand, liquid fuel such as methanol is advantageous in that it is easy to store. In particular, the DMFC does not require a reformer for taking out hydrogen from the fuel, and has an advantage that the configuration is simplified and the miniaturization is easy.

DMFCでは、燃料のメタノールは、通常、低濃度または高濃度の水溶液として、もしくは純メタノールの気体の状態で燃料電極に供給され、燃料電極の触媒層で二酸化炭素に酸化される。このとき生じたプロトンは、燃料電極と酸素電極とを隔てる電解質膜を通って酸素電極へ移動し、酸素電極で酸素と反応して水を生成する。燃料電極、酸素電極およびDMFC全体で起こる反応は、化1で表される。   In DMFC, fuel methanol is usually supplied to a fuel electrode as a low-concentration or high-concentration aqueous solution or in a pure methanol gas state, and is oxidized to carbon dioxide in a catalyst layer of the fuel electrode. Protons generated at this time move to the oxygen electrode through the electrolyte membrane separating the fuel electrode and the oxygen electrode, and react with oxygen at the oxygen electrode to generate water. The reaction that occurs in the fuel electrode, oxygen electrode, and DMFC as a whole is represented by Chemical Formula 1.

(化1)
燃料電極:CHOH+HO→CO+6e+6H
酸素電極:(3/2)O+6e+6H→3H
DMFC全体:CHOH+(3/2)O→CO+2H
(Chemical formula 1)
Fuel electrode: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6e + 6H +
Oxygen electrode: (3/2) O 2 + 6e - + 6H + → 3H 2 O
Entire DMFC: CH 3 OH + (3/2) O 2 → CO 2 + 2H 2 O

DMFCの燃料であるメタノールのエネルギー密度は、理論的に4.8kW/Lであり、一般的なリチウムイオン二次電池のエネルギー密度の10倍以上である。すなわち、燃料としてメタノールを用いる燃料電池は、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を凌ぐ可能性を多いに持っている。以上のことから、DMFCは、種々の燃料電池のなかで最も、モバイル機器や電気自動車などのエネルギー源として使用される可能性が高い。   The energy density of methanol, which is a fuel of DMFC, is theoretically 4.8 kW / L, which is more than 10 times the energy density of a general lithium ion secondary battery. That is, a fuel cell using methanol as a fuel has many possibilities of surpassing the energy density of a lithium ion secondary battery. From the above, DMFC is most likely to be used as an energy source for mobile devices and electric vehicles among various fuel cells.

しかしながら、DMFCには、理論電圧は1.23Vであるにもかかわらず、実際に発電しているときの出力電圧は約0.6V以下に低下してしまうという問題がある。出力電圧が低下する原因は、DMFCの内部抵抗によって生じる電圧降下であって、DMFCには、両電極で生じる反応に伴う抵抗、物質の移動に伴う抵抗、プロトンが電解質膜を移動する際に生じる抵抗、更に接触抵抗などの内部抵抗が存在している。メタノールの酸化から電気エネルギーとして実際に取り出すことのできるエネルギーは、発電時の出力電圧と、回路を流れる電気量との積で表されるから、発電時の出力電圧が低下すると、実際に取り出すことのできるエネルギーはその分小さくなってしまう。なお、メタノールの酸化によって回路に取り出せる電気量は、メタノールの全量が化1に従って燃料電極で酸化されるなら、DMFC内のメタノール量に比例する。   However, the DMFC has a problem that, although the theoretical voltage is 1.23V, the output voltage when actually generating power is reduced to about 0.6V or less. The cause of the decrease in the output voltage is a voltage drop caused by the internal resistance of the DMFC. In the DMFC, the resistance caused by the reaction that occurs at both electrodes, the resistance that accompanies the movement of the substance, and the proton that occurs when the proton moves through the electrolyte membrane There are internal resistances such as resistance and contact resistance. The energy that can actually be extracted as electrical energy from the oxidation of methanol is represented by the product of the output voltage during power generation and the amount of electricity flowing through the circuit. The energy that can be produced is reduced accordingly. Note that the amount of electricity that can be extracted into the circuit by the oxidation of methanol is proportional to the amount of methanol in the DMFC if the total amount of methanol is oxidized at the fuel electrode according to Chemical Formula 1.

また、DMFCには、メタノールクロスオーバー(燃料クロスオーバー)の問題がある。メタノールクロスオーバーとは、燃料電極側と酸素電極側とのメタノールの濃度差によってメタノールが拡散移動する現象と、プロトンの移動にともなって引き起こされる水の移動によって、水和したメタノールが運搬される電気浸透現象との二つの機構によって、メタノールが燃料電極側から電解質膜を透過して酸素電極側に到達してしまう現象である。   Also, DMFC has a problem of methanol crossover (fuel crossover). Methanol crossover is an electricity that transports hydrated methanol by the phenomenon that methanol diffuses and moves due to the difference in methanol concentration between the fuel electrode side and oxygen electrode side, and the movement of water caused by the movement of protons. This is a phenomenon in which methanol permeates the electrolyte membrane from the fuel electrode side and reaches the oxygen electrode side due to two mechanisms of the permeation phenomenon.

メタノールクロスオーバーが生じると、透過したメタノールは酸素電極の触媒層で酸化される。酸素電極側でのメタノール酸化反応は、上述した燃料電極側での酸化反応と同じであるが、DMFCの出力電圧を低下させる原因になる。また、メタノールが燃料電極側で発電に使われず、酸素電極側で浪費されるので、回路に取り出せる電気量がその分減少してしまう。更に、酸素電極の触媒層は白金(Pt)−ルテニウム(Ru)合金触媒ではなく、白金(Pt)触媒であることから、触媒表面に一酸化炭素(CO)が吸着されやすく、触媒の被毒が生じるなどの不都合もある。   When methanol crossover occurs, the permeated methanol is oxidized at the catalyst layer of the oxygen electrode. The methanol oxidation reaction on the oxygen electrode side is the same as the above-described oxidation reaction on the fuel electrode side, but causes a decrease in the output voltage of the DMFC. Further, since methanol is not used for power generation on the fuel electrode side and is wasted on the oxygen electrode side, the amount of electricity that can be taken out by the circuit is reduced accordingly. Further, since the catalyst layer of the oxygen electrode is not a platinum (Pt) -ruthenium (Ru) alloy catalyst but a platinum (Pt) catalyst, carbon monoxide (CO) is easily adsorbed on the catalyst surface, and the catalyst is poisoned. There are also inconveniences such as

このようにDMFCには、内部抵抗とメタノールクロスオーバーとによって生じる電圧低下、およびメタノールクロスオーバーによる燃料の浪費という二つの問題があり、これらはDMFCの発電効率を低下させる原因になっている。そこで、DMFCの発電効率を高めるために、DMFCを構成する材料の特性を向上させる研究・開発や、DMFCの運転条件を最適化する研究・開発が精力的に行われている。   As described above, the DMFC has two problems, that is, a voltage drop caused by internal resistance and methanol crossover, and a waste of fuel due to the methanol crossover, which cause the power generation efficiency of the DMFC to be reduced. Therefore, in order to increase the power generation efficiency of the DMFC, research and development for improving the characteristics of the materials constituting the DMFC and research and development for optimizing the operating conditions of the DMFC are being conducted vigorously.

DMFCを構成する材料の特性を向上させる研究では、電解質膜および燃料電極側の触媒などに関するものが挙げられる。電解質膜については、現在、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂膜(デュポン社製「Nafion(登録商標)」)が一般的に用いられているが、これよりも高いプロトン伝導率と高いメタノール透過阻止性能とを有するものとして、フッ素系高分子膜、炭化水素系高分子電解質膜またはハイドロゲルベース電解質膜などが検討されている。燃料電極側の触媒に関しては、現在一般的に用いられている白金(Pt)−ルテニウム(Ru)合金触媒よりも高活性な触媒の研究開発が行われている。   In the research to improve the characteristics of the material constituting the DMFC, there are things related to the electrolyte membrane and the catalyst on the fuel electrode side. Currently, polyperfluoroalkylsulfonic acid resin membranes (“Nafion (registered trademark)” manufactured by DuPont) are generally used for electrolyte membranes, but higher proton conductivity and higher methanol permeation prevention Fluorine polymer membranes, hydrocarbon polymer electrolyte membranes, hydrogel-based electrolyte membranes, and the like have been studied as having high performance. With respect to the catalyst on the fuel electrode side, research and development of a catalyst having higher activity than the platinum (Pt) -ruthenium (Ru) alloy catalyst that is generally used at present has been conducted.

このような燃料電池の構成材料の特性向上は、燃料電池の発電効率を向上させる手段として的確である。しかしながら、上述した二つの問題を打破するような最適な触媒が見つからないと同様、最適な電解質膜も見つかっていないのが現状である。   Such improvement in the characteristics of the constituent materials of the fuel cell is appropriate as a means for improving the power generation efficiency of the fuel cell. However, the present situation is that an optimum electrolyte membrane has not been found as well as an optimum catalyst that can overcome the above two problems is not found.

一方、特許文献1では、電解質膜に代えて、液状の電解質(電解液)を用いる技術が開示されている。電解液は、酸素電極と燃料電極との間に静止している場合もあるが、酸素電極と燃料電極との間に設けられた流路を流れ、外部に出た後、再び流路内に戻され循環するようになっている場合もある。
特開昭59−191265号公報
On the other hand, Patent Document 1 discloses a technique using a liquid electrolyte (electrolytic solution) instead of the electrolyte membrane. In some cases, the electrolyte solution is stationary between the oxygen electrode and the fuel electrode, but flows through the flow path provided between the oxygen electrode and the fuel electrode. It may be returned and circulated.
JP 59-191265 A

しかしながら、特許文献1に記載されている電解液非循環型燃料電池、または、これと同じ構造を有する電解液循環型燃料電池では、燃料クロスオーバーが起こり、酸素電極側で過電圧が生じる。これは燃料を含む流動体が未反応のまま燃料電極をくぐり抜け、更に発電中、ある流速で流れている、若しくは、静止している液体電解質を通り抜けて酸素電極に到達し、燃料が酸化されるためである。燃料クロスオーバーを抑制するためには、ほぼすべての燃料が燃料電極をくぐりぬける際に反応すれば良く、また、燃料濃度の最適化を行えば著しく抑制することができる。   However, in the electrolyte noncirculation type fuel cell described in Patent Document 1 or the electrolyte circulation type fuel cell having the same structure as this, a fuel crossover occurs and an overvoltage is generated on the oxygen electrode side. This is because the fluid containing fuel passes through the fuel electrode without being reacted, and further flows during power generation at a certain flow rate or passes through a stationary liquid electrolyte and reaches the oxygen electrode, and the fuel is oxidized. Because. In order to suppress the fuel crossover, it is sufficient that almost all of the fuel reacts when passing through the fuel electrode, and if the fuel concentration is optimized, it can be significantly suppressed.

上記の構造は、クロスオーバー抑制構造として非常に優れているが、電解液と燃料を含む液体とを完全に分離する構造であるため、必ず、酸素電極と燃料電極との間に電解質用流路を、酸素電極に対面していない燃料電極面に燃料用流路を形成する必要がある。従って、上記の燃料電池を作製する際には、燃料と電解液を分離するために二つの流路が必要となり、燃料電池を発電させる際には、電解液と燃料の両液体が循環している場合、両液体に対して細かい制御が必要となるため、構造および制御が若干複雑化する。   Although the above structure is very excellent as a crossover suppressing structure, it is a structure that completely separates the electrolyte and the liquid containing the fuel, so that the electrolyte flow path is always between the oxygen electrode and the fuel electrode. It is necessary to form a fuel flow path on the fuel electrode surface not facing the oxygen electrode. Therefore, when producing the above fuel cell, two flow paths are required to separate the fuel and the electrolyte, and when the fuel cell is generated, both the electrolyte and the fuel are circulated. In this case, since fine control is required for both liquids, the structure and control are slightly complicated.

液体電解質を使用する燃料電池の中で最も簡単な構造として、溶解した燃料を含む“燃料・電解質混合液”を燃料電極と酸素電極の間に供給する構造があげられる。つまり、一つの流路を形成すれば良く、非常に簡素な構造となる。   The simplest structure of a fuel cell using a liquid electrolyte is a structure in which a “fuel / electrolyte mixed solution” containing dissolved fuel is supplied between a fuel electrode and an oxygen electrode. That is, it is sufficient to form one flow path, and the structure is very simple.

しかしながら、この方法では致命的な問題点も存在する。燃料電極と酸素電極の間に電解液中に溶解した燃料を含む混合液を供給することから、燃料が直接酸素電極側に供給されることとなる。従って、燃料クロスオーバーが常に起こっている状態となり、酸素電極側で過電圧が生じることから、通常の白金系の触媒を酸素極側に使用する燃料電池では、深刻な問題であることは言うまでもない。   However, this method also has a fatal problem. Since the liquid mixture containing the fuel dissolved in the electrolytic solution is supplied between the fuel electrode and the oxygen electrode, the fuel is directly supplied to the oxygen electrode side. Therefore, fuel crossover is always occurring, and overvoltage is generated on the oxygen electrode side. Needless to say, this is a serious problem in a fuel cell using a normal platinum-based catalyst on the oxygen electrode side.

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第1の目的は、燃料クロスオーバーの影響を抑制し、酸素電極側での過電圧による特性劣化を防止することができる燃料電池およびこれを用いた電子機器を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and a first object of the invention is to provide a fuel cell capable of suppressing the influence of fuel crossover and preventing characteristic deterioration due to overvoltage on the oxygen electrode side, and the fuel cell. It is to provide an electronic device used.

本発明の第2の目的は、上記燃料電池の酸素電極として好適に用いることのできる電極を提供することにある。   A second object of the present invention is to provide an electrode that can be suitably used as an oxygen electrode of the fuel cell.

本発明による燃料電池は、燃料電極と、燃料電極に対向配置されると共に、燃料とは反応しないが酸素と反応する選択性触媒を含む酸素電極と、燃料電極と酸素電極との間に設けられ、少なくとも電解質を流通させる電解質流路とを備えたものである。   A fuel cell according to the present invention is provided between a fuel electrode and an oxygen electrode, a fuel electrode, an oxygen electrode that is disposed opposite to the fuel electrode, and includes a selective catalyst that does not react with fuel but reacts with oxygen. And at least an electrolyte flow path for circulating the electrolyte.

本発明による電極は、上記本発明の燃料電池の酸素電極として用いられるもので、集電体上に、燃料と反応しない選択性触媒を含む触媒層を有するものである。   The electrode according to the present invention is used as an oxygen electrode of the fuel cell according to the present invention, and has a catalyst layer containing a selective catalyst that does not react with fuel on a current collector.

本発明による電子機器は、上記本発明の燃料電池を備えたものである。   An electronic apparatus according to the present invention includes the fuel cell according to the present invention.

本発明の燃料電池では、酸素電極が、燃料とは反応しないが酸素と反応する選択性触媒を含んでいるので、酸素電極では酸素と選択性触媒との反応のみが生じ、燃料が酸素電極に接触しても燃料と選択性触媒とが反応することはない。よって、酸素電極側での過電圧が抑制される。   In the fuel cell of the present invention, since the oxygen electrode contains a selective catalyst that does not react with fuel but reacts with oxygen, only the reaction between oxygen and the selective catalyst occurs at the oxygen electrode, and the fuel is supplied to the oxygen electrode. Even if contacted, the fuel and the selective catalyst do not react. Therefore, overvoltage on the oxygen electrode side is suppressed.

本発明の燃料電池または本発明の電極によれば、酸素電極に、燃料とは反応しないが酸素と反応する選択性触媒を含めるようにしたので、燃料クロスオーバーを抑え、酸素電極側での過電圧による特性劣化を抑制することができる。   According to the fuel cell of the present invention or the electrode of the present invention, since the oxygen electrode includes a selective catalyst that does not react with fuel but reacts with oxygen, the fuel crossover is suppressed, and the overvoltage on the oxygen electrode side is reduced. It is possible to suppress the characteristic deterioration due to.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池110の断面構造を表すものである。この燃料電池110は、いわゆる直接型メタノールフロー型燃料電池(DMFFC;Direct Methanol Flow Based Fuel Cell)であり、燃料電極(アノード)10と酸素電極(カソード)20とが対向配置された構成を有している。燃料電極10と酸素電極20の間には、燃料・電解質混合液(流動体F1)を流通させる燃料・電解質流路30が設けられている。   FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a fuel cell 110 according to an embodiment of the present invention. This fuel cell 110 is a so-called direct methanol flow based fuel cell (DMFFC), and has a configuration in which a fuel electrode (anode) 10 and an oxygen electrode (cathode) 20 are arranged to face each other. ing. Between the fuel electrode 10 and the oxygen electrode 20, there is provided a fuel / electrolyte flow path 30 through which the fuel / electrolyte mixed liquid (fluid F1) flows.

燃料電極10は、集電体11上に拡散層12および触媒層13をこの順に積層したものである。一方、酸素電極20は、集電体21上に拡散層22および触媒層23をこの順に積層した構成を有している。これら触媒層13および触媒層23が燃料・電解質流路30に面している。   The fuel electrode 10 is obtained by laminating a diffusion layer 12 and a catalyst layer 13 in this order on a current collector 11. On the other hand, the oxygen electrode 20 has a configuration in which a diffusion layer 22 and a catalyst layer 23 are laminated on a current collector 21 in this order. The catalyst layer 13 and the catalyst layer 23 face the fuel / electrolyte flow path 30.

集電体11は、例えば電気伝導性を有するポーラス材や板状部材、具体的にはチタン(Ti)メッシュやチタン板などにより構成されている。集電体21も同様に、例えばチタンメッシュやチタン板などにより構成されている。   The current collector 11 is made of, for example, a porous material or a plate-like member having electrical conductivity, specifically, a titanium (Ti) mesh or a titanium plate. Similarly, the current collector 21 is made of, for example, a titanium mesh or a titanium plate.

拡散層12,22は、例えば、カーボンクロス,カーボンペーパーまたはカーボンシートにより構成されている。これらの拡散層12,22は、ポリテトラフルオロエチレン
(PTFE)などにより撥水化処理が行われていることが望ましい。但し、拡散層12,22は必ずしも設ける必要はなく、触媒層を直接集電体上に形成するようにしてもよい。
The diffusion layers 12 and 22 are made of, for example, carbon cloth, carbon paper, or a carbon sheet. These diffusion layers 12 and 22 are preferably subjected to water repellent treatment with polytetrafluoroethylene (PTFE) or the like. However, the diffusion layers 12 and 22 are not necessarily provided, and the catalyst layer may be formed directly on the current collector.

燃料電極10側の触媒層13は、触媒として燃料を酸化する性質を持つ、例えば、パラジウム(Pd),白金(Pt),イリジウム(Ir),ロジウム(Rh)およびルテニウム(Ru)などの金属の単体または合金、有機錯体、酵素などにより構成されている。   The catalyst layer 13 on the fuel electrode 10 side has a property of oxidizing a fuel as a catalyst, for example, a metal such as palladium (Pd), platinum (Pt), iridium (Ir), rhodium (Rh), and ruthenium (Ru). It is composed of a simple substance or an alloy, an organic complex, an enzyme or the like.

一方、酸素電極20側の触媒層23は、触媒として、燃料とは反応しないが酸素と反応する選択性触媒を含んでいる。これにより、この燃料電池110では、燃料クロスオーバーを抑え、酸素電極側での過電圧による特性劣化を抑えることができるようになっている。   On the other hand, the catalyst layer 23 on the oxygen electrode 20 side includes, as a catalyst, a selective catalyst that does not react with fuel but reacts with oxygen. Thereby, in this fuel cell 110, fuel crossover can be suppressed and characteristic deterioration due to overvoltage on the oxygen electrode side can be suppressed.

選択性触媒は、例えば、パラジウム(Pd)またはパラジウム系の合金であることが好ましい。具体的には、選択性触媒としては、パラジウム鉄(PdFe)、パラジウムニッケル(PdNi)、パラジウムコバルト(PdCo)、パラジウムクロム(PdCr)、パラジウム金(PdAu)などの二元系、パラジウムコバルト金(PdCoAu)、パラジウム鉄金(PdFeAu)などの三元系触媒、ルテニウム系合金であるルテニウムセレン(RuSe)が挙げられる。その他、触媒層23には、有機錯体、酵素などが含まれる。   The selective catalyst is preferably, for example, palladium (Pd) or a palladium-based alloy. Specifically, as the selective catalyst, a binary system such as palladium iron (PdFe), palladium nickel (PdNi), palladium cobalt (PdCo), palladium chromium (PdCr), palladium gold (PdAu), palladium cobalt gold ( Examples thereof include ternary catalysts such as PdCoAu) and palladium iron gold (PdFeAu), and ruthenium selenium (RuSe) which is a ruthenium alloy. In addition, the catalyst layer 23 includes an organic complex, an enzyme, and the like.

触媒層13,23には、上記触媒に加えて、プロトン伝導体およびバインダーが含まれていてもよい。プロトン伝導体としては、上述したポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂(デュポン社製「Nafion(登録商標)」)またはその他のプロトン伝導性を有する樹脂が挙げられる。バインダーは、触媒層13,23の強度や柔軟性を保つために添加されるものであり、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)やポリフッ化ビニリデン(PVDF)などの樹脂が挙げられる。   In addition to the catalyst, the catalyst layers 13 and 23 may contain a proton conductor and a binder. Examples of the proton conductor include the above-described polyperfluoroalkylsulfonic acid resin (“Nafion (registered trademark)” manufactured by DuPont) or other resins having proton conductivity. The binder is added to maintain the strength and flexibility of the catalyst layers 13 and 23, and examples thereof include resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVDF).

燃料電極10および酸素電極20の外側には、外装部材14,24がそれぞれ設けられている。外装部材14,24は、例えば、厚みが1mmであり、チタン(Ti)板などの一般的に購入可能な材料により構成されているが、材料は特に限定されない。なお、外装部材14,24の厚みは薄ければ薄いほうが望ましい。   Exterior members 14 and 24 are provided outside the fuel electrode 10 and the oxygen electrode 20, respectively. The exterior members 14 and 24 have, for example, a thickness of 1 mm and are made of a generally available material such as a titanium (Ti) plate, but the material is not particularly limited. In addition, if the thickness of the exterior members 14 and 24 is thin, the thinner one is desirable.

燃料・電解質流路30は、例えば、樹脂シートを加工することにより微細な流路を形成したものであり、酸素電極20と対面する燃料電極10の面側に接着されている。この燃料・電解質流路30には、外装部材14に設けられた燃料・電解質入口14Aおよび燃料・電解質出口14Bを介して燃料および電解質を含む流動体F1、例えばメタノール硫酸混合液が供給されるようになっている。なお、流路の本数や形状は限定されるものではなく、例えば蛇型、並列型としてもよい。更に、流路の幅,高さおよび長さについても特には限定されないが、小さい方が望ましい。燃料・電解質流路30内では、燃料および電解質を混合させた状態で流通させるようにしてもよく、あるいは燃料と電解液を層分離した状態で流通させるようにしてもよい。   The fuel / electrolyte channel 30 is formed, for example, by forming a fine channel by processing a resin sheet, and is bonded to the surface of the fuel electrode 10 facing the oxygen electrode 20. The fuel / electrolyte channel 30 is supplied with a fluid F1 containing a fuel and an electrolyte, for example, a methanol-sulfuric acid mixed solution, via a fuel / electrolyte inlet 14A and a fuel / electrolyte outlet 14B provided in the exterior member 14. It has become. The number and shape of the flow paths are not limited and may be, for example, a snake shape or a parallel type. Further, the width, height, and length of the flow path are not particularly limited, but a smaller one is desirable. In the fuel / electrolyte channel 30, the fuel and the electrolyte may be mixed and may be circulated, or the fuel and the electrolyte may be circulated in a separated state.

酸素電極20の燃料・電解質流路30とは反対側(外側)には、空気もしくは酸素を供給するための空気流路40が設けられている。空気流路40には、外装部材24に設けられた空気入口24Aおよび空気出口24Bを介して、自然換気あるいはファン、ポンプおよびブロワなどの強制的供給法により、空気が供給されるようになっている。   An air flow path 40 for supplying air or oxygen is provided on the opposite side (outside) of the oxygen electrode 20 from the fuel / electrolyte flow path 30. Air is supplied to the air flow path 40 by natural ventilation or a forced supply method such as a fan, a pump, and a blower through an air inlet 24A and an air outlet 24B provided in the exterior member 24. Yes.

上記燃料電池110は、例えば、次のようにして製造することができる。   The fuel cell 110 can be manufactured, for example, as follows.

まず、触媒として、例えば白金(Pt)とルテニウム(Ru)とを所定の比で含む合金と、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂(デュポン社製「Nafion(登録商標)」)の分散溶液とを所定の比で混合し、燃料電極10の触媒層13を形成する。この触媒層13を、上述した材料よりなる拡散層12に熱圧着する。続いて、上述した材料よりなる集電体11の一面に拡散層12および触媒層13をホットメルト系の接着剤または接着性のある樹脂シートを用いてそれぞれ熱圧着し、燃料電極10を形成する。なお、上述したように拡散層12を形成せずに、集電体11に触媒層13を直接形成するようにしてもよい。   First, as a catalyst, for example, an alloy containing platinum (Pt) and ruthenium (Ru) in a predetermined ratio, and a dispersion solution of a polyperfluoroalkylsulfonic acid resin (“Nafion (registered trademark)” manufactured by DuPont). The catalyst layer 13 of the fuel electrode 10 is formed by mixing at a predetermined ratio. This catalyst layer 13 is thermocompression bonded to the diffusion layer 12 made of the above-described material. Subsequently, the diffusion layer 12 and the catalyst layer 13 are thermocompression bonded to one surface of the current collector 11 made of the above-described material using a hot-melt adhesive or an adhesive resin sheet to form the fuel electrode 10. . Note that the catalyst layer 13 may be directly formed on the current collector 11 without forming the diffusion layer 12 as described above.

また、触媒として、選択性触媒であるパラジウム鉄黒、あるいはパラジウム鉄担持カーボン、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂(デュポン社製「Nafion(登録商標)」)の分散溶液とを所定の比で混合し、酸素電極20の触媒層23を形成する。この触媒層23を、上述した材料よりなる拡散層22に熱圧着する。続いて、上述した材料よりなる集電体21に拡散層22および触媒層23を、ホットメルト系の接着剤または接着性のある樹脂シートを用いて熱圧着し、酸素電極20を形成する。   Moreover, as a catalyst, a selective catalyst such as palladium iron black or palladium iron-supporting carbon and a dispersion solution of polyperfluoroalkylsulfonic acid resin (“Nafion (registered trademark)” manufactured by DuPont) is mixed in a predetermined ratio. Then, the catalyst layer 23 of the oxygen electrode 20 is formed. This catalyst layer 23 is thermocompression bonded to the diffusion layer 22 made of the above-described material. Subsequently, the diffusion layer 22 and the catalyst layer 23 are thermocompression bonded to the current collector 21 made of the above-described material using a hot-melt adhesive or an adhesive resin sheet to form the oxygen electrode 20.

次いで、接着性のある樹脂シートを用意し、この樹脂シートに流路を形成して燃料・電解質流路30を形成する。また、上述した材料よりなる外装部材14に、例えば樹脂製の継手よりなる燃料・電解質入口14Aおよび燃料・電解質出口14Bを設け、外装部材24には、例えば樹脂製の継手よりなる空気入口24Aおよび空気出口24Bを設ける。   Next, an adhesive resin sheet is prepared, and a flow path is formed in the resin sheet to form the fuel / electrolyte flow path 30. Further, the exterior member 14 made of the above-described material is provided with a fuel / electrolyte inlet 14A and a fuel / electrolyte outlet 14B made of, for example, a resin joint, and the exterior member 24 has an air inlet 24A made of, for example, a resin joint, and An air outlet 24B is provided.

続いて、燃料電極10の酸素電極20に対向する面に燃料・電解質流路30を熱圧着する。   Subsequently, the fuel / electrolyte channel 30 is thermocompression bonded to the surface of the fuel electrode 10 facing the oxygen electrode 20.

その後、熱圧着した燃料・電解質流路30に、酸素電極20接着し、外装部材14,24に収納する。これにより、図1に示した燃料電池110が完成する。   Thereafter, the oxygen electrode 20 is bonded to the thermocompression-bonded fuel / electrolyte flow path 30 and stored in the exterior members 14 and 24. Thereby, the fuel cell 110 shown in FIG. 1 is completed.

次に、上記燃料電池110の作用について説明する。   Next, the operation of the fuel cell 110 will be described.

燃料電池110では、燃料・電解質流路30により燃料および電解質が燃料電極10に供給されると、反応によりプロトンと電子とを生成する。プロトンは燃料・電解質流路30を通って酸素電極20に移動し、電子および酸素と反応して水を生成する。燃料電極10、酸素電極20および燃料電池110全体で起こる反応は、化2で表される。これにより、燃料であるメタノールの化学エネルギーの一部が電気エネルギーに変換されて、電力として取り出される。なお、燃料電極10で発生する二酸化炭素および酸素電極20で発生する水は、燃料・電解質流路30に流出して取り除かれる。   In the fuel cell 110, when fuel and electrolyte are supplied to the fuel electrode 10 through the fuel / electrolyte channel 30, protons and electrons are generated by the reaction. Protons move to the oxygen electrode 20 through the fuel / electrolyte channel 30 and react with electrons and oxygen to generate water. The reaction that occurs in the fuel electrode 10, the oxygen electrode 20, and the fuel cell 110 as a whole is represented by Chemical Formula 2 below. Thereby, a part of the chemical energy of methanol, which is the fuel, is converted into electric energy and taken out as electric power. Carbon dioxide generated at the fuel electrode 10 and water generated at the oxygen electrode 20 flow out to the fuel / electrolyte flow path 30 and are removed.

(化2)
燃料電極10:CHOH+H O→CO+6e+6H
酸素電極20:(3/2)O+6e +6H→3H
燃料電池110全体:CHOH+(3/2)O→CO+2H
(Chemical formula 2)
Fuel electrode 10: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6e - + 6H +
Oxygen electrode 20: (3/2) O 2 + 6e + 6H + → 3H 2 O
Entire fuel cell 110: CH 3 OH + (3/2) O 2 → CO 2 + 2H 2 O

ここでは、酸素電極20の触媒層23が、燃料とは反応しないが酸素と反応する選択性触媒を含んでいるので、酸素電極20で燃料が酸化されなくなる。つまり、酸素電極20では、化2に示した燃料電極10で起こるメタノールの酸化反応が進まなくなる。そのため、燃料クロスオーバーによる特性劣化が抑制され、長期的に安定かつ高効率な燃料電池110の実現が可能となる。   Here, since the catalyst layer 23 of the oxygen electrode 20 includes a selective catalyst that does not react with the fuel but reacts with oxygen, the fuel is not oxidized at the oxygen electrode 20. That is, in the oxygen electrode 20, the oxidation reaction of methanol that occurs at the fuel electrode 10 shown in Chemical Formula 2 does not proceed. Therefore, characteristic deterioration due to fuel crossover is suppressed, and it is possible to realize the fuel cell 110 that is stable and highly efficient in the long term.

これに対して、酸素電極に、燃料酸化能力および酸素還元能力が非常に優れている白金系触媒を用いると、前述のように、燃料電極で起きる反応が酸素電極上でも起きてしまい、過電圧を生じて燃料電池特性劣化現象が発生する(燃料クロスオーバー)。   On the other hand, if a platinum-based catalyst having very excellent fuel oxidation ability and oxygen reduction ability is used for the oxygen electrode, as described above, the reaction that occurs at the fuel electrode also occurs on the oxygen electrode, resulting in overvoltage. As a result, a fuel cell characteristic deterioration phenomenon occurs (fuel crossover).

図2(A)は、上記燃料電池110の酸素電極20に選択性触媒であるパラジウム鉄
(PdFe)を使用した場合の電流−電圧特性、図2(B)は同じく電流−電力特性をそれぞれ表したものである。なお、図2(A),図2(B)では、燃料・電解質混合液の燃料濃度を0.5Mとした場合と、1.0Mとした場合とを比較して示しており、いずれの場合も電解質である硫酸の濃度は0.5Mとしている。
FIG. 2A shows current-voltage characteristics when palladium iron (PdFe) as a selective catalyst is used for the oxygen electrode 20 of the fuel cell 110, and FIG. 2B shows current-power characteristics. It is what. 2A and 2B show a comparison between the case where the fuel concentration of the fuel / electrolyte mixture is set to 0.5M and the case where the fuel concentration is set to 1.0M. The concentration of sulfuric acid as an electrolyte is 0.5M.

図2(A),図2(B)から分かるように、選択性触媒であるパラジウム鉄(PdFe)を酸素電極20に使用した場合には、電流−電圧特性、電流−電力特性のいずれについても非常に優れた結果が得られた。なお、触媒として白金を用いたところ、燃料・電解質混合液を供給直後に、燃料クロスオーバーの影響により発電が停止してしまい、計測不可能となった。   As can be seen from FIGS. 2A and 2B, when palladium iron (PdFe), which is a selective catalyst, is used for the oxygen electrode 20, both current-voltage characteristics and current-power characteristics are obtained. Very good results were obtained. When platinum was used as the catalyst, immediately after the fuel / electrolyte mixture was supplied, power generation stopped due to the influence of fuel crossover, making measurement impossible.

また、燃料・電解質混合液の燃料濃度が0.5Mの場合と1.0Mの場合とを比較すると、燃料濃度を1.0Mに上げた場合のほうが特性が向上した。このことから、燃料濃度を上昇した場合においても酸素電極20で生じる燃料クロスオーバーの影響を受けることなく、燃料電極の触媒活性が向上していることが伺える。   Further, when the fuel concentration of the fuel / electrolyte mixed solution is compared with the case where the fuel concentration is 0.5M and 1.0M, the characteristics are improved when the fuel concentration is increased to 1.0M. From this, it can be seen that even when the fuel concentration is increased, the catalytic activity of the fuel electrode is improved without being affected by the fuel crossover generated in the oxygen electrode 20.

図3は、空気流路40の出口24Bから排出されるエアーに含まれるメタノールを検知し、その濃度と発電電流の関係を調べた結果を表したものである。ここでは、酸素電極20にパラジウム鉄(PdFe)を用いた際のメタノール酸化の選択性を、酸素電極20に白金(Pt)を用いた場合と比較している。なお、燃料・電解質混合液の燃料濃度は共に0.5Mメタノールである。   FIG. 3 shows the results of detecting the methanol contained in the air discharged from the outlet 24B of the air flow path 40 and examining the relationship between the concentration and the generated current. Here, the selectivity of methanol oxidation when palladium iron (PdFe) is used for the oxygen electrode 20 is compared with the case where platinum (Pt) is used for the oxygen electrode 20. The fuel concentration of the fuel / electrolyte mixture is 0.5M methanol.

図3から、空気流路40の出口24Bにおいてパラジウム鉄(PdFe)を酸素電極20として用いた場合、白金(Pt)を用いた場合よりも高いメタノール濃度を検出していることが分かる。これは、パラジウム鉄(PdFe)を酸素電極20に用いた場合、メタノールの酸化反応が起こらないため酸素電極20でメタノールが消費されずに、空気流路出口24で検出されたからであると考えられる。また、パラジウム鉄(PdFe)曲線と白金(Pt)曲線との差は、メタノールクロスオーバーによる酸素電極20で発生する過電圧の差を示しており、この過電圧の発生が燃料電池の特性を大幅に低下させる原因となる。   From FIG. 3, it can be seen that when palladium iron (PdFe) is used as the oxygen electrode 20 at the outlet 24B of the air flow path 40, a higher methanol concentration is detected than when platinum (Pt) is used. This is considered to be because, when palladium iron (PdFe) was used for the oxygen electrode 20, the methanol oxidation reaction did not occur, so that methanol was not consumed by the oxygen electrode 20 but was detected at the air flow path outlet 24. . In addition, the difference between the palladium iron (PdFe) curve and the platinum (Pt) curve indicates the difference in overvoltage generated at the oxygen electrode 20 due to methanol crossover, and the generation of this overvoltage significantly deteriorates the characteristics of the fuel cell. Cause it.

すなわち、酸素電極20が選択性触媒であるパラジウム鉄(PdFe)を含むようにすれば、酸素電極20における過電圧を抑え、特性劣化を抑制することができることが分かった。なお、ここではPdFeの結果を示したが、前述した選択性触媒のいずれかであれば、同様の特性を有するので、同様の結果を得ることができる。   That is, it was found that if the oxygen electrode 20 contains palladium iron (PdFe), which is a selective catalyst, overvoltage in the oxygen electrode 20 can be suppressed and characteristic deterioration can be suppressed. In addition, although the result of PdFe was shown here, since it has the same characteristic if it is any of the selective catalyst mentioned above, the same result can be obtained.

このように本実施の形態の燃料電池110では、酸素電極20に、燃料とは反応しないが酸素と反応する選択性触媒を含むようにしたので、白金系触媒を用いた場合に致命的な問題となる燃料クロスオーバーによる特性劣化、触媒の耐久性の低下、触媒の反応面の被毒による触媒能力の低下などを抑えることができる。これにより消費電力の大きな多機能、高性能な電子機器にも好適に用いることが可能となる。とりわけ、燃料・電解質混合液を酸素電極20と燃料電極10の間に直接供給する場合に極めて好適である。   As described above, in the fuel cell 110 according to the present embodiment, the oxygen electrode 20 includes a selective catalyst that does not react with fuel but reacts with oxygen. Therefore, a fatal problem occurs when a platinum catalyst is used. It is possible to suppress deterioration in characteristics due to fuel crossover, deterioration in catalyst durability, and reduction in catalyst capacity due to poisoning of the reaction surface of the catalyst. Accordingly, it can be suitably used for multifunctional and high-performance electronic devices with large power consumption. In particular, it is extremely suitable when the fuel / electrolyte mixture is directly supplied between the oxygen electrode 20 and the fuel electrode 10.

特に、燃料・電解質流路30により、燃料と電解質とを同一の流路で流通させるようにしたので、一つの流路で燃料と電解質とを供給することができ、燃料と電解質とを別々の流路で流通させる場合に比べて、簡易な構造となり、薄型化を実現しやすくなる。更に、電解質膜が不要となり、温度や湿度に影響されることなく発電を行うことができると共に、電解質膜を用いた場合に比べてイオン伝導度(プロトン伝導度)を高めることができる。また、電解質膜の劣化や、電解質膜の乾燥によるプロトン伝導性の低下の虞もなくなり、酸素電極におけるフラッディングや水分管理などの問題も解消できる。   In particular, the fuel / electrolyte channel 30 allows the fuel and the electrolyte to circulate through the same channel, so that the fuel and the electrolyte can be supplied through a single channel, and the fuel and the electrolyte are separated from each other. Compared with the case where it circulates in a flow path, it becomes a simple structure and it becomes easy to realize thickness reduction. Furthermore, an electrolyte membrane is not required, power generation can be performed without being affected by temperature and humidity, and ion conductivity (proton conductivity) can be increased as compared with the case where an electrolyte membrane is used. In addition, there is no risk of deterioration of the electrolyte membrane or a decrease in proton conductivity due to drying of the electrolyte membrane, and problems such as flooding and moisture management in the oxygen electrode can be solved.

次に、上記燃料電池110の適用例について説明する。   Next, an application example of the fuel cell 110 will be described.

(適用例)
図4は、上記燃料電池110を用いた電子機器の概略構成を表すものである。この電子機器は、例えば、携帯電話やPDA(Personal Digital Assistant;個人用携帯情報機器)などのモバイル機器、ノート型PC(Personal Computer)などであり、燃料電池システム1とこの燃料電池システム1で発電される電気エネルギーにより駆動される外部回路(負荷)2とを備えている。
(Application example)
FIG. 4 shows a schematic configuration of an electronic device using the fuel cell 110. The electronic device is, for example, a mobile device such as a mobile phone or a PDA (Personal Digital Assistant), a notebook PC (Personal Computer), and the like. The fuel cell system 1 and the fuel cell system 1 generate power. And an external circuit (load) 2 driven by the electric energy generated.

燃料電池システム1は、例えば、燃料電池110と、この燃料電池110の運転状態を測定する測定部120と、測定部120による測定結果に基づいて燃料電池110の運転条件を決定する制御部130とを備えている。この燃料電池システム1は、また、燃料電池110に燃料および電解質を含む流動体F1を供給する燃料・電解質供給部140と、例えばメタノールなどの燃料F2のみを燃料・電解質貯蔵部141に供給する燃料供給部150とを備えている。なお、燃料電池110における燃料・電解質流路30は、外装部材14に設けられた燃料・電解質入口14Aおよび燃料・電解質出口14Bを介して燃料・電解質供給部140に連結されており、燃料・電解質供給部140から流動体F1が供給されるようになっている。   The fuel cell system 1 includes, for example, a fuel cell 110, a measuring unit 120 that measures the operating state of the fuel cell 110, and a control unit 130 that determines the operating conditions of the fuel cell 110 based on the measurement result of the measuring unit 120. It has. The fuel cell system 1 also includes a fuel / electrolyte supply unit 140 that supplies the fuel cell 110 with a fluid F1 containing fuel and electrolyte, and a fuel that supplies only the fuel F2 such as methanol to the fuel / electrolyte storage unit 141. And a supply unit 150. The fuel / electrolyte flow path 30 in the fuel cell 110 is connected to the fuel / electrolyte supply unit 140 via a fuel / electrolyte inlet 14A and a fuel / electrolyte outlet 14B provided in the exterior member 14, so that the fuel / electrolyte is supplied. The fluid F1 is supplied from the supply unit 140.

測定部120は、燃料電池110の動作電圧および動作電流を測定するものであり、例えば、燃料電池110の動作電圧を測定する電圧測定回路121と、動作電流を測定する電流測定回路122と、得られた測定結果を制御部130に送るための通信ライン123とを有している。   The measuring unit 120 measures the operating voltage and operating current of the fuel cell 110. For example, the measuring unit 120 measures the operating voltage of the fuel cell 110, the current measuring circuit 122 that measures the operating current, and the And a communication line 123 for sending the measured result to the control unit 130.

制御部130は、測定部120の測定結果に基づいて、燃料電池110の運転条件として燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータの制御を行うものであり、例えば、演算部131、記憶(メモリ)部132、通信部133および通信ライン134を有している。ここで、燃料・電解質供給パラメータには、例えば、燃料・電解質を含む流動体F1の供給流速が含まれる。燃料供給パラメータは、例えば、燃料F2の供給流速および供給量を含み、必要に応じて供給濃度を含んでいてもよい。制御部130は、例えばマイクロコンピュータにより構成することができる。   The control unit 130 controls the fuel / electrolyte supply parameter and the fuel supply parameter as operating conditions of the fuel cell 110 based on the measurement result of the measurement unit 120. For example, the calculation unit 131, the storage (memory) unit 132, a communication unit 133 and a communication line 134. Here, the fuel / electrolyte supply parameter includes, for example, the supply flow rate of the fluid F1 containing the fuel / electrolyte. The fuel supply parameter includes, for example, a supply flow rate and a supply amount of the fuel F2, and may include a supply concentration as necessary. The control unit 130 can be configured by a microcomputer, for example.

演算部131は、測定部120で得られた測定結果から燃料電池110の出力を算出し、燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを設定するものである。具体的には、演算部131は、記憶部132に入力された各種測定結果から一定間隔でサンプリングしたアノード電位、カソード電位、出力電圧および出力電流を平均して、平均アノード電位、平均カソード電位、平均出力電圧および平均出力電流を算出し、記憶部132に入力すると共に、記憶部132に保存されている各種平均値を相互比較し、燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを判定するようになっている。   The calculation unit 131 calculates the output of the fuel cell 110 from the measurement result obtained by the measurement unit 120, and sets the fuel / electrolyte supply parameter and the fuel supply parameter. Specifically, the calculation unit 131 averages the anode potential, the cathode potential, the output voltage, and the output current sampled at regular intervals from various measurement results input to the storage unit 132, and calculates the average anode potential, average cathode potential, The average output voltage and the average output current are calculated and input to the storage unit 132, and various average values stored in the storage unit 132 are compared with each other to determine the fuel / electrolyte supply parameter and the fuel supply parameter. ing.

記憶部132は、測定部120から送られてきた各種測定値や、演算部131により算出された各種平均値などを記憶するものである。   The storage unit 132 stores various measurement values sent from the measurement unit 120, various average values calculated by the calculation unit 131, and the like.

通信部133は、通信ライン123を介して測定部120から測定結果を受け取り、記憶部132に入力する機能と、通信ライン134を介して燃料・電解質供給部140および燃料供給部150に燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを設定する信号をそれぞれ出力する機能とを有している。   The communication unit 133 receives a measurement result from the measurement unit 120 via the communication line 123 and inputs the measurement result to the storage unit 132, and the fuel / electrolyte supply unit 140 and the fuel supply unit 150 via the communication line 134. And a function of outputting signals for setting the supply parameter and the fuel supply parameter.

燃料・電解質供給部140は、燃料・電解質貯蔵部141と、燃料・電解質供給調整部142と、燃料・電解質供給ライン143とを備えている。燃料・電解質貯蔵部141は、流動体F1を貯蔵するものであり、例えばタンクまたはカートリッジにより構成されている。燃料・電解質供給調整部142は流動体F1の供給流速を調整するものである。燃料・電解質供給調整部142は、制御部130からの信号で駆動されうるものであればよく、特に限定されるものではないが、例えば、モータや圧電素子で駆動されるバルブ、または電磁ポンプにより構成されていることが好ましい。   The fuel / electrolyte supply unit 140 includes a fuel / electrolyte storage unit 141, a fuel / electrolyte supply adjustment unit 142, and a fuel / electrolyte supply line 143. The fuel / electrolyte storage unit 141 stores the fluid F1 and is configured by, for example, a tank or a cartridge. The fuel / electrolyte supply adjustment unit 142 adjusts the supply flow rate of the fluid F1. The fuel / electrolyte supply adjusting unit 142 is not particularly limited as long as it can be driven by a signal from the control unit 130. For example, the fuel / electrolyte supply adjusting unit 142 may be a valve driven by a motor or a piezoelectric element, or an electromagnetic pump. It is preferable to be configured.

燃料供給部150は、燃料貯蔵部151と、燃料供給調整部152と、燃料供給ライン153とを有する。燃料貯蔵部151は、メタノールなどの燃料F2のみを貯蔵するものであり、例えばタンクまたはカートリッジにより構成されている。燃料供給調整部152は、燃料F2の供給流速および供給量を調整するものである。燃料供給調整部152は、制御部130からの信号で駆動されうるものであればよく、特に限定されるものではないが、例えば、モータや圧電素子で駆動されるバルブ、または電磁ポンプにより構成されていることが好ましい。なお、燃料供給部150は、燃料F2の供給濃度を調整する濃度調整部(図示せず)を備えていてもよい。濃度調整部は、燃料F2として純(99.9%)メタノールを用いる場合には省略することができ、より小型化することができる。   The fuel supply unit 150 includes a fuel storage unit 151, a fuel supply adjustment unit 152, and a fuel supply line 153. The fuel storage unit 151 stores only the fuel F2 such as methanol, and is configured by, for example, a tank or a cartridge. The fuel supply adjustment unit 152 adjusts the supply flow rate and supply amount of the fuel F2. The fuel supply adjustment unit 152 is not particularly limited as long as it can be driven by a signal from the control unit 130. For example, the fuel supply adjustment unit 152 includes a valve driven by a motor or a piezoelectric element, or an electromagnetic pump. It is preferable. The fuel supply unit 150 may include a concentration adjusting unit (not shown) that adjusts the supply concentration of the fuel F2. The concentration adjusting unit can be omitted when pure (99.9%) methanol is used as the fuel F2, and the size can be further reduced.

また、上記燃料電池システム1は、次のようにして製造することができる。例えば、上記燃料電池110を、上述した構成を有する測定部120,制御部130,燃料・電解質供給部140および燃料供給部150を有するシステムに組み込み、燃料入口14Aおよび燃料出口14Bと燃料供給部150とを例えばシリコーンチューブよりなる燃料供給ライン153で接続すると共に、燃料・電解質入口14Aおよび燃料・電解質出口14Bと燃料・電解質供給部140とを例えばシリコーンチューブよりなる燃料・電解質供給ライン143で接続する。これにより図4に示した燃料電池システム1が完成する。   The fuel cell system 1 can be manufactured as follows. For example, the fuel cell 110 is incorporated into a system having the measurement unit 120, the control unit 130, the fuel / electrolyte supply unit 140, and the fuel supply unit 150 having the above-described configuration, and the fuel inlet 14A, the fuel outlet 14B, and the fuel supply unit 150 are included. Are connected by a fuel supply line 153 made of, for example, a silicone tube, and the fuel / electrolyte inlet 14A, the fuel / electrolyte outlet 14B, and the fuel / electrolyte supply unit 140 are connected by a fuel / electrolyte supply line 143 made of, for example, a silicone tube. . Thereby, the fuel cell system 1 shown in FIG. 4 is completed.

このような燃料電池システム1では、燃料・電解質供給部140から燃料電池110に燃料および電解質を含む流動体F1が供給されると、燃料電池110から電力が取り出され、外部回路2が駆動する。燃料電池110の運転中には、測定部120により燃料電池110の動作電圧および動作電流が測定され、その測定結果に基づいて、制御部130により、燃料電池110の運転条件として上述した燃料・電解液供給パラメータおよび燃料供給パラメータの制御が行われる。測定部120による測定および制御部130によるパラメータ制御は頻繁に繰り返され、燃料電池110の特性変動に追従して流動体F1および燃料F2の供給状態が最適化される。   In such a fuel cell system 1, when the fluid F1 containing fuel and electrolyte is supplied from the fuel / electrolyte supply unit 140 to the fuel cell 110, electric power is taken out from the fuel cell 110 and the external circuit 2 is driven. During the operation of the fuel cell 110, the operating voltage and operating current of the fuel cell 110 are measured by the measuring unit 120, and based on the measurement results, the control unit 130 determines the fuel / electrolysis described above as the operating condition of the fuel cell 110. Liquid supply parameters and fuel supply parameters are controlled. The measurement by the measurement unit 120 and the parameter control by the control unit 130 are frequently repeated, and the supply state of the fluid F1 and the fuel F2 is optimized following the characteristic variation of the fuel cell 110.

この燃料電池システム1では、上記燃料電池110を備えているため、モバイル機器から大型装置にまで組み込めるような柔軟性の高い簡易な構成で、高出力を実現できる。よって特に、薄型で消費電力の大きな多機能・高性能の電子機器に好適に用いることができる。   Since the fuel cell system 1 includes the fuel cell 110, high output can be realized with a simple configuration with high flexibility that can be incorporated into a large-sized device from a mobile device. Therefore, it can be suitably used for a multifunctional and high-performance electronic device that is thin and consumes a large amount of power.

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態では、燃料電極10,酸素電極20,燃料・電解質流路30および空気流路40の構成について具体的に説明したが、他の構造あるいは他の材料により構成するようにしてもよい。例えば、燃料・電解質流路30は、上記実施の形態で説明したような樹脂シートを加工して流路を形成したもののほか、多孔体、例えば不織布などのシートにより構成し、燃料・電解質混合液をしみこませてもよい。   While the present invention has been described with reference to the embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiment, the configuration of the fuel electrode 10, the oxygen electrode 20, the fuel / electrolyte channel 30 and the air channel 40 has been specifically described. However, the configuration may be made of other structures or other materials. Also good. For example, the fuel / electrolyte channel 30 is formed by processing a resin sheet as described in the above embodiment to form a channel, or a porous body, for example, a sheet such as a nonwoven fabric. May be soaked.

また、例えば、上記実施の形態では、燃料・電解質流路30により、燃料電極10と酸素電極20の間に燃料および電解質を混合させた流動体を供給する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、例えば燃料電極10側に燃料を流通するための燃料供給流路、酸素電極20の側に電解液を流通させるための電解液流路をそれぞれ分割して設けるようにしてもよい。もしくは、この場合、酸素電極20の側には、電解液を流通させる流路ではなくイオン伝導性を有する電解質膜を設けるようにしてもよい。但し、上記実施の形態で説明したように、燃料と電解質とを同一の流路で流通させると、厚みの増大をより効果的に抑制することができる。   For example, in the above-described embodiment, the fuel / electrolyte channel 30 is described as an example of supplying a fluid in which fuel and electrolyte are mixed between the fuel electrode 10 and the oxygen electrode 20. However, the present invention is not limited to this. For example, a fuel supply channel for distributing fuel to the fuel electrode 10 side and an electrolyte channel for distributing electrolyte to the oxygen electrode 20 side may be provided separately. Good. Alternatively, in this case, an electrolyte membrane having ion conductivity may be provided on the oxygen electrode 20 side instead of a flow path through which the electrolyte solution is circulated. However, as described in the above embodiment, when the fuel and the electrolyte are circulated through the same flow path, the increase in thickness can be more effectively suppressed.

更に、例えば、上記実施の形態において説明した燃料および電解液を含む流動体F1は、プロトン(H)伝導性を有するものであれば特に限定されず、例えば、硫酸のほか、リン酸またはイオン性液体が挙げられる。さらに、実施の形態で説明した燃料F2は、メタノールのほか、エタノールやジメチルエーテルなどの他のアルコールもしくは砂糖燃料でもよい。 Further, for example, the fluid F1 containing the fuel and the electrolyte described in the above embodiment is not particularly limited as long as it has proton (H + ) conductivity. For example, in addition to sulfuric acid, phosphoric acid or ions Liquid. Furthermore, the fuel F2 described in the embodiment may be other alcohols such as ethanol and dimethyl ether or sugar fuel in addition to methanol.

加えて、上記実施の形態では、酸素電極20へ空気を供給する場合について説明したが、空気に代えて酸素または酸素を含むガスを供給するようにしてもよい。   In addition, although the case where air is supplied to the oxygen electrode 20 has been described in the above embodiment, oxygen or a gas containing oxygen may be supplied instead of air.

更にまた、上記実施の形態において説明した各構成要素の材料および厚み、または燃料電池110の運転条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の運転条件としてもよい。   Furthermore, the material and thickness of each component described in the above embodiment or the operating conditions of the fuel cell 110 are not limited, and may be other materials and thicknesses, or may be other operating conditions. Good.

加えてまた、上記実施の形態では、燃料電池として直接型メタノール燃料電池を例に挙げて説明したが、これに限らず、水素など液体燃料以外の物質を燃料として用いる燃料電池、例えばPEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell:固体高分子型 燃料電池)、アルカリ型燃料電池、あるいはグルコースなどの砂糖燃料を利用した酵素電池などにも適用 可能である。   In addition, in the above embodiment, the direct methanol fuel cell has been described as an example of the fuel cell. However, the present invention is not limited to this, and a fuel cell using a substance other than liquid fuel such as hydrogen as a fuel, for example, PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell (solid polymer fuel cell), alkaline fuel cell, or enzyme battery using sugar fuel such as glucose is also applicable.

更にまた、上記実施の形態および実施例では、単セル型の燃料電池について説明したが、本発明は、複数のセルを積層した積層型のものについても適用することができる。   Furthermore, in the above-described embodiments and examples, the single cell type fuel cell has been described. However, the present invention can also be applied to a stacked type in which a plurality of cells are stacked.

本発明の一実施の形態に係る燃料電池の概略構成を表す断面図である。1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 図1に示した燃料電池の特性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the characteristic of the fuel cell shown in FIG. 図1に示した燃料電池の特性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the characteristic of the fuel cell shown in FIG. 図1に示した燃料電池を備えた電子機器の概略構成を表す図である。It is a figure showing the schematic structure of the electronic device provided with the fuel cell shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池システム、2…外部回路(負荷)、10…燃料電極、11,21…集電体、12,22…拡散層、13,23…触媒層、20…酸素電極、14,24…外装部材、30…燃料・電解液流路、40…空気流路、110…燃料電池、120…測定部、123…通信ライン、130…制御部、131…演算部、132…記憶部、133…通信部、134…通信ライン、140…燃料・電解液供給部、141…燃料・電解質貯蔵部、142…燃料・電解質供給調整部、143…燃料・電解質供給ライン、150…燃料供給部、151…燃料貯蔵部、152…燃料供給調整部、153…燃料供給ライン。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 2 ... External circuit (load), 10 ... Fuel electrode, 11, 21 ... Current collector, 12, 22 ... Diffusion layer, 13, 23 ... Catalyst layer, 20 ... Oxygen electrode, 14, 24 ... Exterior member, 30 ... Fuel / electrolyte flow path, 40 ... Air flow path, 110 ... Fuel cell, 120 ... Measuring part, 123 ... Communication line, 130 ... Control part, 131 ... Calculation part, 132 ... Storage part, 133 ... Communication unit 134 ... Communication line 140 ... Fuel / electrolyte supply unit 141 ... Fuel / electrolyte storage unit 142 ... Fuel / electrolyte supply adjustment unit 143 ... Fuel / electrolyte supply line 150 ... Fuel supply unit 151 ... A fuel storage unit, 152... A fuel supply adjustment unit, 153... A fuel supply line.

Claims (6)

燃料電極と、
前記燃料電極に対向配置されると共に、燃料とは反応しないが酸素と反応する選択性触媒を含む酸素電極と、
前記燃料電極と前記酸素電極との間に設けられ、少なくとも電解質を流通させる電解質流路と
を備えた燃料電池。
A fuel electrode;
An oxygen electrode that is disposed opposite the fuel electrode and includes a selective catalyst that does not react with fuel but reacts with oxygen;
A fuel cell comprising: an electrolyte flow path provided between the fuel electrode and the oxygen electrode and allowing at least an electrolyte to flow therethrough.
前記酸素電極は、集電体上に前記選択性触媒を含む触媒層を有するものであり、前記触媒層が前記電解質流路に面している請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the oxygen electrode has a catalyst layer containing the selective catalyst on a current collector, and the catalyst layer faces the electrolyte flow path. 前記電解質流路は、電解質と共に燃料を流通させる燃料・電解質流路である請求項1または2に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the electrolyte channel is a fuel / electrolyte channel that allows fuel to flow along with the electrolyte. 前記選択性触媒は、パラジウムまたはパラジウム合金である請求項1ないし3のいずれか1項に記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the selective catalyst is palladium or a palladium alloy. 集電体上に、燃料とは反応しないが酸素と反応する選択性触媒を含む触媒層を有し、
燃料電極と酸素電極との間に少なくとも電解質を流通させる電解質流路を有する燃料電池の前記酸素電極として用いられる電極。
On the current collector, a catalyst layer containing a selective catalyst that does not react with fuel but reacts with oxygen,
An electrode used as the oxygen electrode of a fuel cell having an electrolyte flow path for allowing at least an electrolyte to flow between the fuel electrode and the oxygen electrode.
燃料電極と酸素電極との間に少なくとも電解質を流通させる電解質流路を有する燃料電池を備え、
前記酸素電極が、集電体上に、燃料とは反応しないが酸素と反応する選択性触媒を含む触媒層を有する電子機器。
Comprising a fuel cell having an electrolyte flow path for flowing at least an electrolyte between the fuel electrode and the oxygen electrode;
The electronic device in which the oxygen electrode has a catalyst layer including a selective catalyst that does not react with fuel but reacts with oxygen on the current collector.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107606740A (en) * 2017-09-22 2018-01-19 重庆大学 A kind of control device of interior space oxygen and humidity
CN113363506A (en) * 2021-07-12 2021-09-07 南通大学 Direct methanol fuel cell electrode and preparation method thereof

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