JP2010067572A

JP2010067572A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2010067572A
Application number: JP2008235349A
Authority: JP
Inventors: Genta Omichi; 元太大道; Yuichi Sato; 雄一佐藤; Daisuke Watanabe; 大介渡邉
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Engineering Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Development and Engineering Corp
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2010-03-25

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of stabilizing output and making a long lifetime possible. SOLUTION: The fuel cell is provided with a membrane electrode assembly 2 having an anode 13, a cathode 16, and an electrolyte membrane 17 interposed between the anode and the cathode and a fuel supply mechanism 3 which supplies a fuel to the anode of the membrane electrode assembly. The membrane electrode assembly has a degassing hole 40 which penetrates between the anode side and the cathode side, and furthermore has a gas liquid separation body 50 which is arranged so as to cover the degassing hole on the cathode side, and does not permit the liquid permeation, and permits the gas permeation. COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

この発明は、液体燃料を用いた燃料電池の技術に関する。 The present invention relates to a technology of a fuel cell using a 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いえる。 In recent years, attempts have been made to use a fuel cell as a power source for portable electronic devices such as notebook computers and mobile phones so that they can be used for a long time without being charged. A fuel cell is characterized in that it can generate electric power simply by supplying fuel and air, and can generate electric power continuously for a long time if fuel is replenished. For this reason, if the fuel cell can be reduced in size, it can be said that the system is extremely advantageous as a power source for portable electronic devices.

例えば、メタノールを燃料として用いた直接メタノール型燃料電池（ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。 For example, a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol as a fuel can be reduced in size and can be easily handled, and thus is regarded as a promising power source for portable electronic devices. Yes. As the liquid fuel supply method in the DMFC, there are known an active method such as a gas supply type and a liquid supply type, and a passive method such as an internal vaporization type in which the liquid fuel in the fuel container is vaporized inside the cell and supplied to the fuel electrode. It has been.

これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して有利である。パッシブ型ＤＭＦＣにおいては、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を、箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、ＤＭＦＣの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続することも検討されている（例えば、特許文献２及び３参照）。 Among these, a passive system such as an internal vaporization type is advantageous for downsizing of the DMFC. In the passive type DMFC, for example, a structure in which a membrane electrode assembly (MEA) having a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode is arranged on a fuel storage portion formed of a box-like container has been proposed (for example, , See Patent Document 1). In addition, it has been studied to connect a fuel cell of a DMFC and a fuel storage unit via a flow path (see, for example, Patent Documents 2 and 3).

燃料収容部から直接もしくは流路を介して導入された高濃度のメタノール燃料等を気化させて燃料極に供給する場合、ＭＥＡの燃料極側では気化した燃料を閉じ込めつつ、燃料極側の発電反応に基づいて生成された二酸化炭素ガスや水蒸気等のガス成分を系外に放出する必要がある。このような点に対して、従来のパッシブ型等のＤＭＦＣでは燃料極側の側壁に排気口を設け、ガス成分を系外に放出することが検討されている（例えば、特許文献４参照）。
国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット特表２００５−５１８６４６号公報特開２００６−０８５９５２号公報特開２００６−３１８７１２号公報 When high-concentration methanol fuel or the like introduced directly from the fuel container or through a flow path is vaporized and supplied to the fuel electrode, the fuel electrode side power generation reaction while confining the vaporized fuel on the fuel electrode side of the MEA It is necessary to release gas components such as carbon dioxide gas and water vapor generated based on the above to the outside of the system. With respect to such a point, a conventional passive type DMFC has been studied to provide an exhaust port on the side wall on the fuel electrode side to discharge a gas component out of the system (for example, see Patent Document 4).
International Publication No. 2005/112172 Pamphlet JP 2005-518646 A JP 2006-089552 A JP 2006-318712 A

この発明の目的は、安定して高い出力を得ることが可能な燃料電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of stably obtaining a high output.

この発明の態様による燃料電池は、
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、を備え、
前記膜電極接合体は、前記アノード側と前記カソード側とを貫通するガス抜き孔を有し、
さらに、前記ガス抜き孔を前記カソード側でカバーするように配置されるとともに、液体を透過することなく気体を透過する気液分離体を備えたことを特徴とする。 A fuel cell according to an aspect of the present invention includes:
A membrane electrode assembly having an anode, a cathode, and an electrolyte membrane sandwiched between the anode and the cathode;
A fuel supply mechanism for supplying fuel to the anode of the membrane electrode assembly,
The membrane electrode assembly has a gas vent hole penetrating the anode side and the cathode side,
Further, the gas vent hole is disposed so as to cover the cathode side on the cathode side, and a gas-liquid separator that permeates gas without permeating liquid is provided.

この発明によれば、安定して高い出力を得ることが可能な燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, a fuel cell capable of stably obtaining a high output can be provided.

すなわち、この発明の燃料電池によれば、膜電極接合体に形成されたガス抜き孔により、アノード側で生成したガス成分をカソード側に放出することが可能となる。一方で、カソード側で生成した水蒸気は、主として電解質膜を通りアノード側に還流され、アノード側での発電反応に利用される。 That is, according to the fuel cell of the present invention, the gas component generated on the anode side can be released to the cathode side through the gas vent hole formed in the membrane electrode assembly. On the other hand, the water vapor generated on the cathode side is mainly refluxed to the anode side through the electrolyte membrane and used for the power generation reaction on the anode side.

カソード側において生成した水蒸気が凝結することによって水が生成されるが、膜電極接合体がガス抜き孔を備えた構成においては、生成された水がガス抜き孔を通ってアノード側、特に燃料供給機構側に直接流れ込むおそれがある。このような場合、膜電極接合体に供給される燃料が希釈され、安定して高い出力が得られなくなるおそれがある。 Water is generated by the condensation of water vapor generated on the cathode side. However, in a configuration in which the membrane electrode assembly is provided with a gas vent hole, the generated water passes through the gas vent hole, particularly on the anode side. There is a risk of flowing directly into the mechanism. In such a case, the fuel supplied to the membrane electrode assembly is diluted, and there is a possibility that a high output cannot be obtained stably.

そこで、この発明の燃料電池によれば、ガス抜き孔をカソード側でカバーする気液分離体を配置したことにより、アノード側からのガス成分をカソード側に放出しつつ、カソード側で生成した水（液体）のアノード側への還流を抑制することが可能となる。これにより、燃料の希釈が抑制され、適正な濃度を維持することができ、安定して高い出力を得ることが可能となる。 Therefore, according to the fuel cell of the present invention, the gas-liquid separator that covers the gas vent hole on the cathode side is arranged, so that the water component generated on the cathode side is released while discharging the gas component from the anode side to the cathode side. It becomes possible to suppress the reflux of (liquid) to the anode side. Thereby, dilution of the fuel is suppressed, an appropriate concentration can be maintained, and a high output can be stably obtained.

以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池に関する技術について図面を参照して説明する。 A technique related to a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図１は、この実施の形態に係る燃料電池１の構造を概略的に示す断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a fuel cell 1 according to this embodiment.

燃料電池１は、起電部を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ）２と、膜電極接合体２に燃料を供給する燃料供給機構３と、から主として構成されている。 The fuel cell 1 mainly includes a membrane electrode assembly (MEA) 2 that constitutes an electromotive unit, and a fuel supply mechanism 3 that supplies fuel to the membrane electrode assembly 2.

すなわち、燃料電池１において、膜電極接合体２は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７とを備えて構成されている。 That is, in the fuel cell 1, the membrane electrode assembly 2 includes an anode (fuel electrode) 13 having an anode catalyst layer 11 and an anode gas diffusion layer 12, and a cathode (cathode catalyst layer 14 and cathode gas diffusion layer 15). (Air electrode / oxidant electrode) 16 and a proton (hydrogen ion) conductive electrolyte membrane 17 sandwiched between the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14.

アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、パラジウム（Ｐｄ）等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１には、メタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４には、ＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒は、これらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。また、触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。 Examples of the catalyst contained in the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 include platinum such as platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), iridium (Ir), osmium (Os), and palladium (Pd). Examples thereof include a group element simple substance and an alloy containing a platinum group element. For the anode catalyst layer 11, it is preferable to use Pt—Ru, Pt—Mo, or the like that has strong resistance to methanol, carbon monoxide, or the like. It is preferable to use Pt, Pt—Ni or the like for 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 carrier such as a carbon material or an unsupported catalyst.

電解質膜１７を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜１７は、これらに限られるものではない。 Examples of the proton conductive material constituting the 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の集電機能を有するものである。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の集電機能を有するものである。アノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は、例えばカーボンペーパーなどの導電性を有する多孔質基材によって構成されている。 The anode gas diffusion layer 12 laminated on the anode catalyst layer 11 serves to uniformly supply fuel to the anode catalyst layer 11 and has a current collecting function of 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 has a current collecting function of the cathode catalyst layer 14. The anode gas diffusion layer 12 and the cathode gas diffusion layer 15 are made of a porous substrate having conductivity, such as carbon paper.

膜電極接合体２は、電解質膜１７のアノード側及びカソード側にそれぞれ配置されたゴム製のＯリング等のシール部材１９によってシールされており、これにより、膜電極接合体２からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。 The membrane electrode assembly 2 is sealed by a seal member 19 such as a rubber O-ring disposed on the anode side and the cathode side of the electrolyte membrane 17, thereby preventing fuel leakage from the membrane electrode assembly 2. Oxidant leakage is prevented.

膜電極接合体２のカソード１６側には、絶縁材料によって形成された板状体２０が配置されている。この板状体２０は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体２０は、カソード触媒層１４で生成された水（液体及び気体を含む）の一部が含浸されてアノード側への水の還流量と外部への水の蒸散量とのバランスを制御するとともに、カソード触媒層１４への空気の取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するものである。この板状体２０は、例えば多孔質構造の部材で構成され、具体的な構成材料としては、ポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体などが挙げられる。 A plate-like body 20 made of an insulating material is disposed on the cathode 16 side of the membrane electrode assembly 2. This plate-like body 20 mainly functions as a moisture retaining layer. That is, the plate-like body 20 is impregnated with a part of the water (including liquid and gas) generated in the cathode catalyst layer 14 so that the amount of water refluxed to the anode side and the amount of water transpiration to the outside The balance is controlled, the amount of air taken into the cathode catalyst layer 14 is adjusted, and the uniform diffusion of air is promoted. The plate-like body 20 is constituted by, for example, a member having a porous structure, and specific constituent materials include polyethylene and polypropylene porous bodies.

上述した膜電極接合体２は、燃料供給機構３とカバープレート２１との間に配置されている。カバープレート２１は、外観が略矩形状のものであり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。また、カバープレート２１は、酸化剤である空気を取入れるための複数の開口部（空気導入孔）２１Ａを有している。 The membrane electrode assembly 2 described above is disposed between the fuel supply mechanism 3 and the cover plate 21. The cover plate 21 has a substantially rectangular appearance, and is made of, for example, stainless steel (SUS). The cover plate 21 has a plurality of openings (air introduction holes) 21A for taking in air as an oxidant.

燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給するように構成されているが、特に、特定の構成に限定されるものではない。以下に、燃料供給機構３の一例について説明する。 The fuel supply mechanism 3 is configured to supply fuel to the anode 13 of the membrane electrode assembly 2, but is not particularly limited to a specific configuration. Hereinafter, an example of the fuel supply mechanism 3 will be described.

燃料供給機構３は、例えば、箱状に形成された容器３０を備えている。この燃料供給機構３は、液体燃料を収容する燃料収容部４と流路５を介して接続されている。容器３０は、燃料導入口３０Ａを有しており、この燃料導入口３０Ａと流路５とが接続されている。この容器３０は、例えば樹脂製容器によって構成される。容器３０を形成する材料としては、液体燃料に対する耐性を有している材料が選択される。 The fuel supply mechanism 3 includes a container 30 formed in a box shape, for example. The fuel supply mechanism 3 is connected to a fuel storage unit 4 that stores liquid fuel via a flow path 5. The container 30 has a fuel inlet 30A, and the fuel inlet 30A and the flow path 5 are connected. The container 30 is constituted by a resin container, for example. As a material for forming the container 30, a material having resistance to liquid fuel is selected.

燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３の面方向に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料供給部３１を備えている。ここでは、特に、燃料供給部３１が燃料分配板３１Ａを備えた構成について説明するが、燃料供給部３１は他の構成であっても良い。 The fuel supply mechanism 3 includes a fuel supply unit 31 that supplies fuel while dispersing and diffusing fuel in the surface direction of the anode 13 of the membrane electrode assembly 2. Here, in particular, the configuration in which the fuel supply unit 31 includes the fuel distribution plate 31A will be described, but the fuel supply unit 31 may have other configurations.

すなわち、燃料分配板３１Ａは、１つの燃料注入口３２と、複数の燃料排出口３３とを有しており、細管３４のような燃料通路を介して燃料注入口３２と燃料排出口３３とを接続した構成である。燃料通路は、燃料分配板３１Ａ内に形成した細管３４に代えて燃料流通溝等で構成してもよい。この場合、燃料流通溝を有する流路板を複数の燃料排出口を有する拡散板で覆うことによって、燃料分配板３１Ａを構成することも可能である。 That is, the fuel distribution plate 31A has one fuel injection port 32 and a plurality of fuel discharge ports 33, and the fuel injection port 32 and the fuel discharge port 33 are connected to each other through a fuel passage such as a narrow tube 34. It is a connected configuration. The fuel passage may be constituted by a fuel flow groove or the like instead of the narrow tube 34 formed in the fuel distribution plate 31A. In this case, the fuel distribution plate 31A can also be configured by covering the flow path plate having the fuel flow grooves with a diffusion plate having a plurality of fuel discharge ports.

細管３４の一端（始端部）には、燃料注入口３２が設けられている。細管３４は、途中で複数に分岐しており、これらの分岐した細管３４の各終端部に燃料排出口３３がそれぞれ設けられている。燃料注入口３２は、容器３０の燃料導入口３０Ａと連通している。これにより、燃料分配板３１Ａの燃料注入口３２が流路５を介して燃料収容部４に接続される。燃料排出口３３は、例えば１２８箇所にあり、液体燃料もしくはその気化成分を排出する。 A fuel injection port 32 is provided at one end (starting end) of the thin tube 34. The narrow tube 34 is branched into a plurality of parts along the way, and a fuel discharge port 33 is provided at each terminal portion of the branched narrow tube 34. The fuel inlet 32 communicates with the fuel inlet 30 A of the container 30. As a result, the fuel inlet 32 of the fuel distribution plate 31 A is connected to the fuel storage portion 4 via the flow path 5. The fuel discharge ports 33 are at, for example, 128 locations, and discharge liquid fuel or its vaporized components.

燃料注入口３２から注入された液体燃料は、複数に分岐した細管３４を介して複数の燃料排出口３３にそれぞれ導かれる。このような燃料分配板３１Ａを使用することによって、燃料注入口３２から注入された液体燃料を方向や位置に係わりなく、複数の燃料排出口３３に均等に分配することができる。従って、膜電極接合体２の面内における発電反応の均一性をより一層高めることが可能となる。 The liquid fuel injected from the fuel injection port 32 is guided to the plurality of fuel discharge ports 33 via the thin tubes 34 branched into a plurality. By using such a fuel distribution plate 31A, the liquid fuel injected from the fuel injection port 32 can be evenly distributed to the plurality of fuel discharge ports 33 regardless of the direction or position. Therefore, the uniformity of the power generation reaction in the surface of the membrane electrode assembly 2 can be further enhanced.

さらに、細管３４で燃料注入口３２と複数の燃料排出口３３とを接続することによって、燃料電池の特定箇所により多くの燃料を供給するような設計も可能となる。これは、膜電極接合体２の発電度合いの均一性の向上等に寄与する。 Further, by connecting the fuel injection port 32 and the plurality of fuel discharge ports 33 with the thin tube 34, it is possible to design such that more fuel is supplied to a specific portion of the fuel cell. This contributes to improvement in the uniformity of the power generation degree of the membrane electrode assembly 2 and the like.

膜電極接合体２は、そのアノード１３が上述したような燃料分配板３１Ａの燃料排出口３３に対向するように配置されている。カバープレート２１は、燃料供給機構３との間に膜電極接合体２を保持した状態で容器３０に対してカシメあるいはネジ止めなどの手法により固定されている。これにより、燃料電池（ＤＭＦＣ）１の発電ユニットが構成されている。 The membrane electrode assembly 2 is arranged so that the anode 13 faces the fuel discharge port 33 of the fuel distribution plate 31A as described above. The cover plate 21 is fixed to the container 30 by a method such as caulking or screwing in a state where the membrane electrode assembly 2 is held between the cover plate 21 and the fuel supply mechanism 3. Thereby, the power generation unit of the fuel cell (DMFC) 1 is configured.

燃料供給部３１は、燃料分配板３１Ａと膜電極接合体２との間に燃料拡散室３１Ｂとして機能する空間を形成するような構成であることが望ましい。この燃料拡散室３１Ｂは、燃料排出口３３から液体燃料が排出されたとしても気化を促進するとともに、面方向への拡散を促進する機能を有している。 The fuel supply unit 31 is preferably configured to form a space functioning as a fuel diffusion chamber 31B between the fuel distribution plate 31A and the membrane electrode assembly 2. The fuel diffusion chamber 31 B has a function of promoting vaporization and promoting diffusion in the surface direction even when liquid fuel is discharged from the fuel discharge port 33.

膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、膜電極接合体２をアノード１３側から支持する支持部材を配置しても良い。 A support member that supports the membrane electrode assembly 2 from the anode 13 side may be disposed between the membrane electrode assembly 2 and the fuel supply unit 31.

また、膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、少なくとも１つの多孔体を配置しても良い。 Further, at least one porous body may be disposed between the membrane electrode assembly 2 and the fuel supply unit 31.

燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料が収容されている。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。なお、液体燃料は、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えば、エタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料が収容される。 Liquid fuel corresponding to the membrane electrode assembly 2 is stored in the fuel storage portion 4. Examples of the liquid fuel include methanol fuels such as aqueous methanol solutions of various concentrations and pure methanol. The liquid fuel is not necessarily limited to methanol fuel. The liquid fuel may be, for example, an ethanol fuel such as an ethanol aqueous solution or pure ethanol, a propanol fuel such as a propanol aqueous solution or pure propanol, a glycol fuel such as a glycol aqueous solution or pure glycol, dimethyl ether, formic acid, or other liquid fuel. In any case, liquid fuel corresponding to the membrane electrode assembly 2 is stored in the fuel storage portion 4.

さらに、流路５には、ポンプ６が介在していても良い。ポンプ６は、燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部４から燃料供給部３１に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。燃料供給部３１から膜電極接合体２に供給された燃料は、発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部４に戻されることはない。 Further, a pump 6 may be interposed in the flow path 5. The pump 6 is not a circulation pump that circulates fuel, but is a fuel supply pump that sends liquid fuel from the fuel storage unit 4 to the fuel supply unit 31 to the last. The fuel supplied from the fuel supply unit 31 to the membrane electrode assembly 2 is used for a power generation reaction, and is not circulated thereafter and returned to the fuel storage unit 4.

この実施の形態の燃料電池１は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、液体燃料の供給にポンプ６を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。図１に示す燃料電池１は、例えばセミパッシブ型と呼称される方式を適用したものである。 The fuel cell 1 of this embodiment is different from the conventional active method because it does not circulate the fuel, and does not impair the downsizing of the device. Further, the pump 6 is used to supply the liquid fuel, which is different from a pure passive system such as a conventional internal vaporization type. The fuel cell 1 shown in FIG. 1 employs a system called a semi-passive type, for example.

ポンプ６の種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。 The type of the pump 6 is not particularly limited, but a rotary vane pump, an electroosmotic pump, and a diaphragm pump can be used from the viewpoint that a small amount of liquid fuel can be fed with good controllability and can be reduced in size and weight. It is preferable to use a squeezing pump or the like.

ロータリーベーンポンプは、モータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは、電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは、電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは、柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。 The rotary vane pump feeds liquid by rotating wings with a motor. The electroosmotic flow pump uses a sintered porous body such as silica that causes an electroosmotic flow phenomenon. A diaphragm pump drives a diaphragm with an electromagnet or piezoelectric ceramics to send liquid. The squeezing pump presses a part of a flexible fuel flow path and squeezes the fuel. Among these, it is more preferable to use an electroosmotic pump or a diaphragm pump having piezoelectric ceramics from the viewpoint of driving power, size, and the like.

なお、ポンプ６と燃料供給部３１との間にリザーバを設けてもよい。 A reservoir may be provided between the pump 6 and the fuel supply unit 31.

また、燃料電池１の安定性や信頼性を高めるために、ポンプ６と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。燃料遮断バルブには、電磁石、モータ、形状記憶合金、圧電セラミックス、バイメタル等をアクチュエータとして、開閉動作を電気信号で制御することが可能な電気駆動バルブが適用される。燃料遮断バルブは、状態保持機能を有するラッチタイプのバルブであることが好ましい。 Further, in order to improve the stability and reliability of the fuel cell 1, a fuel cutoff valve may be arranged in series with the pump 6. As the fuel cutoff valve, an electrically driven valve capable of controlling an opening / closing operation with an electric signal using an electromagnet, a motor, a shape memory alloy, piezoelectric ceramics, bimetal, or the like as an actuator is applied. The fuel cutoff valve is preferably a latch type valve having a state maintaining function.

また、燃料収容部４や流路５には、燃料収容部４内の圧力を外気とバランスさせるバランスバルブを装着してもよい。燃料収容部４から燃料供給機構３で膜電極接合体２に燃料を供給する場合、ポンプ６に代えて燃料遮断バルブのみを配置した構成とすることも可能である。この際の燃料遮断バルブは、流路５による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。 Further, a balance valve that balances the pressure in the fuel storage unit 4 with the outside air may be attached to the fuel storage unit 4 and the flow path 5. When fuel is supplied from the fuel storage unit 4 to the membrane electrode assembly 2 by the fuel supply mechanism 3, it is possible to adopt a configuration in which only the fuel cutoff valve is arranged instead of the pump 6. The fuel cutoff valve at this time is provided for controlling the supply of liquid fuel through the flow path 5.

この実施の形態の燃料電池１においては、ポンプ６を用いて燃料収容部４から燃料供給部３１に液体燃料が間欠的に送液される。ポンプ６で送液された液体燃料は、燃料供給部３１を経て膜電極接合体２のアノード１３の全面に対して均一に供給される。 In the fuel cell 1 of this embodiment, liquid fuel is intermittently sent from the fuel storage unit 4 to the fuel supply unit 31 using the pump 6. The liquid fuel fed by the pump 6 is uniformly supplied to the entire surface of the anode 13 of the membrane electrode assembly 2 through the fuel supply unit 31.

すなわち、複数の単セルＣの各アノード１３の平面方向に対して均一に燃料が供給され、これにより発電反応が生起される。燃料供給用（送液用）のポンプ６の運転動作は、燃料電池１の出力、温度情報、電力供給先である電子機器の運転情報等に基づいて制御することが好ましい。 That is, the fuel is uniformly supplied to the planar direction of each anode 13 of the plurality of single cells C, thereby generating a power generation reaction. The operation of the fuel supply (liquid feeding) pump 6 is preferably controlled based on the output of the fuel cell 1, temperature information, operation information of an electronic device that is a power supply destination, and the like.

上述したように、燃料供給部３１から放出された燃料は、膜電極接合体２のアノード１３に供給される。膜電極接合体２内において、燃料は、アノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で下記の（１）式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて（１）式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。 As described above, the fuel released from the fuel supply unit 31 is supplied to the anode 13 of the membrane electrode assembly 2. In the membrane electrode assembly 2, the fuel diffuses through the anode gas diffusion layer 12 and is supplied to the anode catalyst layer 11. When methanol fuel is used as the liquid fuel, an internal reforming reaction of methanol shown in the following formula (1) occurs in the anode catalyst layer 11. When pure methanol is used as the methanol fuel, the water generated in the cathode catalyst layer 14 or the water in the electrolyte membrane 17 is reacted with methanol to cause the internal reforming reaction of the formula (1). Alternatively, the internal reforming reaction is caused by another reaction mechanism that does not require water.

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- …（１）
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、集電体を経由してカソード１６に導かれる。（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ⁺）は、電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード１６には、酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ^-）とプロトン（Ｈ⁺）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。 CH ₃ OH + H ₂ O → CO ₂ + 6H ⁺ + 6e ⁻ (1)
Electrons (e ⁻ ) generated by this reaction are guided to the outside via a current collector, and after operating a portable electronic device or the like as so-called electricity, they are guided to the cathode 16 via the current collector. . Proton (H ⁺ ) generated by the internal reforming reaction of the formula (1) is guided to the cathode 16 through the electrolyte membrane 17. Air is supplied to the cathode 16 as an oxidant. Electrons (e ⁻ ) and protons (H ⁺ ) that have reached the cathode 16 react with oxygen in the air in the cathode catalyst layer 14 according to the following formula (2), and water is generated with this reaction.

６ｅ^-＋６Ｈ⁺＋（３／２）Ｏ₂ → ３Ｈ₂Ｏ …（２）
上述した燃料電池１の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせるとともに、膜電極接合体２の電極全体に均一に燃料を供給し、電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。 6e ⁻ + 6H ⁺ + (3/2) O ₂ → 3H ₂ O (2)
In the power generation reaction of the fuel cell 1 described above, in order to increase the power to be generated, the catalytic reaction is smoothly performed, and the fuel is uniformly supplied to the entire electrode of the membrane electrode assembly 2 so that the entire electrode becomes more effective. It is important to contribute to power generation.

ところで、この実施の形態においては、膜電極接合体２は、アノード側とカソード側とを貫通するガス抜き孔４０を有している。図２乃至図４に示した例では、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７の一方の面に配置された単一のアノード１３と、電解質膜１７の他方の面にアノード１３と対向するように配置された単一のカソード１６と、を備えている。アノード１３とカソード１６との組み合わせは、電解質膜１７を挟持し、単セルＣをなしている。 By the way, in this embodiment, the membrane electrode assembly 2 has a gas vent hole 40 penetrating the anode side and the cathode side. In the example shown in FIGS. 2 to 4, the membrane electrode assembly 2 includes a single anode 13 disposed on one surface of the single electrolyte membrane 17, and the anode 13 on the other surface of the electrolyte membrane 17. And a single cathode 16 arranged to face each other. The combination of the anode 13 and the cathode 16 sandwiches the electrolyte membrane 17 to form a single cell C.

ガス抜き孔４０は、シール部材１９によって囲まれた内側に配置され、例えば、単セル外の電解質膜１７を貫通するように形成されている。すなわち、ガス抜き孔４０は、アノード１３及びカソード１６を経由せず、電解質膜１７を貫通し、アノード１３が配置された空間ＳＡとカソード１６が配置された空間ＳＣとを連通している。 The gas vent hole 40 is disposed on the inner side surrounded by the seal member 19 and is formed, for example, so as to penetrate the electrolyte membrane 17 outside the single cell. That is, the gas vent hole 40 does not pass through the anode 13 and the cathode 16, passes through the electrolyte membrane 17, and communicates the space SA in which the anode 13 is disposed and the space SC in which the cathode 16 is disposed.

これにより、アノード側空間ＳＡとカソード側空間ＳＣとの間での物質の授受、たとえば、気体の移動が促進可能となり、特に、アノード側で生じたガス成分（たとえば、二酸化炭素）がガス抜き孔４０を介してカソード側に放出され、また、カソード側で生じたガス成分（たとえば、水蒸気）がガス抜き穴４０を介してアノード側に放出される。 Thereby, the exchange of substances between the anode side space SA and the cathode side space SC, for example, the movement of gas can be promoted. In particular, the gas component (for example, carbon dioxide) generated on the anode side can be vented. The gas component (for example, water vapor) generated on the cathode side is discharged to the anode side through the gas vent hole 40.

なお、ガス抜き孔４０は、膜電極接合体２において複数設けられても良く、特に、ここに示した例では、膜電極接合体２は、２個のガス抜き孔４０を有している。 A plurality of gas vent holes 40 may be provided in the membrane electrode assembly 2. In particular, in the example shown here, the membrane electrode assembly 2 has two gas vent holes 40.

また、図５乃至図７に示した例では、膜電極接合体２は、複数の単セルＣを有し、単セルＣのそれぞれは、電解質膜１７の平面内において分離して配置されている。すなわち、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７の一方の面１７Ａにおいて間隔をおいて配置された複数のアノード１３と、電解質膜１７の他方の面１７Ｃにおいてアノード１３のそれぞれと対向するように間隔をおいて配置された複数のカソード１６と、を備えている。ここでは、アノード１３及びカソード１６がそれぞれ４個である場合を示している。 In the example shown in FIGS. 5 to 7, the membrane electrode assembly 2 has a plurality of unit cells C, and each unit cell C is disposed separately in the plane of the electrolyte membrane 17. . That is, the membrane electrode assembly 2 is opposed to each of the plurality of anodes 13 arranged at intervals on one surface 17A of the single electrolyte membrane 17 and each of the anodes 13 on the other surface 17C of the electrolyte membrane 17. And a plurality of cathodes 16 arranged at intervals. Here, a case where there are four anodes 13 and four cathodes 16 is shown.

ここに示した例では、単セルＣのそれぞれは、同一平面上において、その長手方向と直交する方向に間隔をおいて並んで配置されている。なお、膜電極接合体２の構造は、この例に限らず他の構造であっても良い。 In the example shown here, each of the single cells C are arranged side by side in the direction orthogonal to the longitudinal direction on the same plane. The structure of the membrane electrode assembly 2 is not limited to this example, and may be another structure.

図５などに示したような複数の単セルＣを有する膜電極接合体２においては、各単セルＣは、集電体１８によって電気的に直列に接続されている。 In the membrane electrode assembly 2 having a plurality of single cells C as shown in FIG. 5 and the like, each single cell C is electrically connected in series by a current collector 18.

すなわち、この集電体１８は、図１に示したように、アノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃを有している。図５などに示した膜電極接合体２に対応するために、集電体１８は、それぞれ４個のアノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃを有している。 That is, the current collector 18 has an anode current collector 18A and a cathode current collector 18C as shown in FIG. In order to correspond to the membrane electrode assembly 2 shown in FIG. 5 and the like, the current collector 18 has four anode current collectors 18A and cathode current collectors 18C, respectively.

アノード集電体１８Ａのそれぞれは、各単セルＣにおいてアノードガス拡散層１２に積層されている。また、カソード集電体１８Ｃのそれぞれは、各単セルＣにおいてカソードガス拡散層１５に積層されている。アノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃとしては、例えば金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）または箔体、あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材などをそれぞれ使用することができる。 Each of the anode current collectors 18A is laminated on the anode gas diffusion layer 12 in each single cell C. Each of the cathode current collectors 18C is stacked on the cathode gas diffusion layer 15 in each single cell C. As the anode current collector 18A and the cathode current collector 18C, for example, a porous layer (for example, a mesh) or a foil body made of a metal material such as gold (Au) or nickel (Ni), or a conductive material such as stainless steel (SUS). A composite material obtained by coating a conductive metal material with a good conductive metal such as gold can be used.

ガス抜き孔４０は、シール部材１９によって囲まれた内側に配置され、例えば、単セルＣの間の電解質膜１７を貫通するように形成されている。これにより、ガス抜き孔４０は、アノード１３が配置された空間ＳＡとカソード１６が配置された空間ＳＣとを連通している。 The gas vent hole 40 is disposed on the inner side surrounded by the seal member 19 and is formed, for example, so as to penetrate the electrolyte membrane 17 between the single cells C. Thereby, the vent hole 40 communicates the space SA in which the anode 13 is disposed and the space SC in which the cathode 16 is disposed.

これにより、アノード側で生じたガス成分（たとえば、二酸化炭素）がガス抜き孔４０を介してカソード側に放出され、また、カソード側で生じたガス成分（たとえば、水蒸気）がガス抜き穴４０を介してアノード側に放出される。 As a result, a gas component (for example, carbon dioxide) generated on the anode side is released to the cathode side through the gas vent hole 40, and a gas component (for example, water vapor) generated on the cathode side passes through the gas vent hole 40. To the anode side.

なお、ガス抜き孔４０は、膜電極接合体２において複数設けられても良く、特に、ここに示した例では、膜電極接合体２は、４個のガス抜き孔４０を有している。 A plurality of gas vent holes 40 may be provided in the membrane electrode assembly 2. In particular, in the example shown here, the membrane electrode assembly 2 has four gas vent holes 40.

特に、この実施の形態においては、燃料電池１は、さらに、ガス抜き孔４０をカソード側でカバーするように配置された気液分離体５０を備えている。この気液分離体５０は、液体を透過することなく気体を透過する機能を有しており、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、シリコーンシートなどの電気的に絶縁性の高分子系材料によって形成されている。 In particular, in this embodiment, the fuel cell 1 further includes a gas-liquid separator 50 disposed so as to cover the gas vent hole 40 on the cathode side. The gas-liquid separator 50 has a function of transmitting a gas without passing through a liquid. For example, the gas-liquid separator 50 is made of an electrically insulating polymer material such as polytetrafluoroethylene (PTFE) or silicone sheet. Is formed.

このような気液分離体５０は、電解質膜１７と集電体１８との間に配置され、電解質膜１７の他方の面１７Ｃに接着されるなどして固定されている。 Such a gas-liquid separator 50 is disposed between the electrolyte membrane 17 and the current collector 18, and is fixed by being adhered to the other surface 17 C of the electrolyte membrane 17.

このような実施の形態によれば、膜電極接合体２に形成されたガス抜き孔４０がカソード側で気液分離体５０によってカバーされることにより、アノード側で生成したガス成分、特に二酸化炭素をカソード側に放出するといったガス抜き孔４０の本来の機能を損なうことなく、カソード側で生成・凝結した水（液体）のガス抜き孔４０の透過が防止される。 According to such an embodiment, the gas vent hole 40 formed in the membrane electrode assembly 2 is covered by the gas-liquid separator 50 on the cathode side, so that the gas components generated on the anode side, particularly carbon dioxide The permeation of water (liquid) generated and condensed on the cathode side through the gas vent hole 40 is prevented without impairing the original function of the gas vent hole 40 such as discharging the gas to the cathode side.

すなわち、水がガス抜き孔４０からアノード側に流れ込むと、燃料供給機構３から膜電極接合体２に供給される燃料が希釈されるおそれがある。また、水滴がガス抜き孔４０を塞ぐと、アノード側からのガス成分の放出が阻害される。このような場合、安定して高い出力が得られなくなるおそれがある。 That is, when water flows into the anode side from the gas vent hole 40, the fuel supplied from the fuel supply mechanism 3 to the membrane electrode assembly 2 may be diluted. Further, when the water droplets block the gas vent hole 40, the release of the gas component from the anode side is hindered. In such a case, there is a possibility that a high output cannot be stably obtained.

そこで、ガス抜き孔４０の直上に気液分離体を配置したことにより、アノード側からのガス成分のカソード側への放出、カソード側からの水蒸気のアノード側への還流を可能としつつ、カソード側で生成した水のアノード側への還流を抑制することが可能となる。これにより、燃料の希釈が抑制され、適正な濃度を維持することができ、安定して高い出力を得ることが可能となる。 Therefore, by disposing the gas-liquid separator directly above the gas vent hole 40, it is possible to release the gas component from the anode side to the cathode side, and to return the water vapor from the cathode side to the anode side, while at the cathode side. It is possible to suppress the reflux of the water produced in step 1 to the anode side. Thereby, dilution of the fuel is suppressed, an appropriate concentration can be maintained, and a high output can be stably obtained.

ここで、ガス抜き孔４０の面積に対する気液分離体５０の面積の比率は、１より大きいことが望ましい。つまり、気液分離体５０の形状がガス抜き孔４０の形状と概ね同一であって、且つ、気液分離体５０の方がガス抜き孔４０より大きいサイズに形成されていることが望ましい。これにより、気液分離体５０は、ガス抜き孔４０を完全にカバーすることが可能である。 Here, the ratio of the area of the gas-liquid separator 50 to the area of the vent hole 40 is preferably larger than 1. That is, it is desirable that the shape of the gas-liquid separator 50 is substantially the same as the shape of the gas vent hole 40 and that the gas-liquid separator 50 is formed to be larger in size than the gas vent hole 40. Thereby, the gas-liquid separator 50 can completely cover the gas vent hole 40.

また、膜電極接合体２が複数のガス抜き孔４０を備えている場合、全てのガス抜き孔４０が気液分離体５０によってカバーされていることが望ましい。 When the membrane electrode assembly 2 includes a plurality of gas vent holes 40, it is desirable that all the gas vent holes 40 are covered with the gas-liquid separator 50.

なお、ガス抜き孔４０は、必ずしも完全に気液分離体５０によってカバーされていなくても良い。 Note that the vent hole 40 is not necessarily completely covered by the gas-liquid separator 50.

すなわち、気液分離体５０がガス抜き孔４０の一部を露出するように（つまり、気液分離体がガス抜き孔を完全に塞がないように）配置されても良い。また、複数のガス抜き孔４０に対して、気液分離体５０は、少なくとも１つのガス抜き孔４０をカバーするように配置されても良い。 That is, the gas-liquid separator 50 may be disposed so as to expose a part of the gas vent hole 40 (that is, the gas-liquid separator does not completely block the gas vent hole). Further, the gas-liquid separator 50 may be disposed so as to cover at least one gas vent hole 40 with respect to the plurality of gas vent holes 40.

≪実施例≫
（実施例１）
図２などに示したように、実施例１に係る膜電極接合体２は、単一の単セルＣを備えた構成であって、２つのガス抜き孔４０を有し、しかも、２つのガス抜き孔４０の直上にそれぞれ気液分離体５０を備えている。各気液分離体５０は、それぞれガス抜き孔４０を完全にカバーしている。 <Example>
Example 1
As shown in FIG. 2 and the like, the membrane electrode assembly 2 according to the first embodiment is configured to include a single unit cell C, has two gas vent holes 40, and has two gasses. A gas-liquid separator 50 is provided immediately above the hole 40. Each gas-liquid separator 50 completely covers the gas vent hole 40.

（比較例１）
比較例１に係る膜電極接合体は、実施例１に係る膜電極接合体２から気液分離体５０を除去した構成である。つまり、２つのガス抜き孔４０は、ともに気液分離体によってカバーされることなく、アノード側の空間とカソード側の空間とを連通している。 (Comparative Example 1)
The membrane / electrode assembly according to Comparative Example 1 has a configuration in which the gas-liquid separator 50 is removed from the membrane / electrode assembly 2 according to Example 1. That is, the two gas vent holes 40 are not covered by the gas-liquid separator and communicate the anode-side space and the cathode-side space.

（実施例２）
図５などに示したように、実施例２に係る膜電極接合体２は、４つの単セルＣを備えた構成であって、４つのガス抜き孔４０を有し、しかも、４つのガス抜き孔４０の直上にそれぞれ気液分離体５０を備えている。各気液分離体５０は、それぞれガス抜き孔４０を完全にカバーしている。 (Example 2)
As shown in FIG. 5 and the like, the membrane electrode assembly 2 according to Example 2 has a configuration including four single cells C, has four gas vent holes 40, and has four gas vents. A gas-liquid separator 50 is provided immediately above the hole 40. Each gas-liquid separator 50 completely covers the gas vent hole 40.

（実施例３）
図５などに示したように、実施例３に係る膜電極接合体２は、４つの単セルＣを備えた構成であって、４つのガス抜き孔４０を有し、しかも、２つのガス抜き孔４０の直上にそれぞれ気液分離体５０を備えている。２つのガス抜き孔４０は、それぞれ気液分離体５０によって完全にカバーされているが、残りの２つのガス抜き孔４０については気液分離体によってカバーされていない。 (Example 3)
As shown in FIG. 5 and the like, the membrane electrode assembly 2 according to Example 3 has a configuration including four single cells C, has four gas vent holes 40, and two gas vents. A gas-liquid separator 50 is provided immediately above the hole 40. The two gas vent holes 40 are each completely covered by the gas-liquid separator 50, but the remaining two gas vent holes 40 are not covered by the gas-liquid separator.

（比較例２）
比較例２に係る膜電極接合体は、実施例２に係る膜電極接合体２から４つの気液分離体５０を除去した構成である。つまり、４つ全てガス抜き孔４０は、いずれも気液分離体によってカバーされていない。 (Comparative Example 2)
The membrane / electrode assembly according to Comparative Example 2 has a configuration in which four gas-liquid separators 50 are removed from the membrane / electrode assembly 2 according to Example 2. That is, all four gas vent holes 40 are not covered by the gas-liquid separator.

《性能評価》
上述した各膜電極接合体を備えた燃料電池を組み立てて、性能評価を行った。この性能評価は、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で行った。燃料収容部には純メタノールを注入し、一定電圧で発電を行い、出力電圧及び発電中のカソードの温度をそれぞれ測定した。出力については、１０時間での平均出力を算出した。また、温度については、１０時間での温度偏差を算出した。 <Performance evaluation>
The fuel cell provided with each membrane electrode assembly mentioned above was assembled, and performance evaluation was performed. This performance evaluation was performed in an environment at a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%. Pure methanol was injected into the fuel container, and power was generated at a constant voltage, and the output voltage and the temperature of the cathode during power generation were measured. For output, the average output over 10 hours was calculated. Moreover, about temperature, the temperature deviation in 10 hours was computed.

比較例１の平均出力を１００％としたとき、実施例１では１１２％の平均出力が得られ、比較例１よりも高い出力が得られた。また、比較例１では温度偏差が５．３℃であったのに対して、実施例１では温度偏差が３．２℃であり、比較例１よりも温度偏差が小さく抑えられた。 When the average output of Comparative Example 1 was 100%, 112% of average output was obtained in Example 1, and higher output than Comparative Example 1 was obtained. Further, in Comparative Example 1, the temperature deviation was 5.3 ° C., whereas in Example 1, the temperature deviation was 3.2 ° C., and the temperature deviation was suppressed to be smaller than that in Comparative Example 1.

つまり、ガス抜き孔４０を気液分離体５０によってカバーすることにより、過剰な水のアノード側への流入が防止され、燃料の希釈が抑制されたことにより、平均して高い出力が得られることが確認された。しかも、温度変化に応じて燃料供給を制御するにあたり、燃料の希釈が抑制されたことにより、燃料供給制御のタイミングと温度変化のタイミングとのタイムラグを小さくすることができたため、温度偏差を小さくできることが確認にされた。 That is, by covering the gas vent hole 40 with the gas-liquid separator 50, the excessive flow of water to the anode side is prevented, and the dilution of fuel is suppressed, so that a high output can be obtained on average. Was confirmed. Moreover, in controlling the fuel supply according to the temperature change, the time lag between the fuel supply control timing and the temperature change timing can be reduced by suppressing the dilution of the fuel, so that the temperature deviation can be reduced. Was confirmed.

また、比較例２の平均出力を１００％としたとき、実施例２では１１８％の平均出力が得られ、また、実施例３では１１０％の平均出力が得られ、いずれも比較例２よりも高い出力が得られた。また、比較例２では温度偏差が５．８℃であったのに対して、実施例２では温度偏差が２．９℃であり、また、実施例３では温度偏差が３．６℃であり、いずれも比較例２よりも温度偏差が小さく抑えられた。 Further, when the average output of Comparative Example 2 is 100%, the average output of 118% is obtained in Example 2, and the average output of 110% is obtained in Example 3, both of which are higher than those of Comparative Example 2. High output was obtained. Further, in Comparative Example 2, the temperature deviation was 5.8 ° C., whereas in Example 2, the temperature deviation was 2.9 ° C., and in Example 3, the temperature deviation was 3.6 ° C. In both cases, the temperature deviation was suppressed to be smaller than in Comparative Example 2.

このように、ガス抜き孔４０の少なくとも一部を気液分離体５０によってカバーすることにより、平均して高い出力が得られるとともに、温度偏差を小さくできることが確認にされた。 Thus, it has been confirmed that by covering at least a part of the gas vent hole 40 with the gas-liquid separator 50, a high output can be obtained on average and the temperature deviation can be reduced.

以上説明したように、この実施の形態によれば、発電反応に必要な物質の授受の阻害因子を取り除き、長期にわたって安定して高い出力を得ることが可能な燃料電池を提供することができる。 As described above, according to this embodiment, it is possible to provide a fuel cell capable of removing a factor that inhibits the exchange of substances necessary for a power generation reaction and stably obtaining a high output over a long period of time.

上述した各実施形態の燃料電池１は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。ただし、燃料を面方向に分散させつつ供給する燃料供給部３１は、特に燃料濃度が濃い場合に有効である。このため、各実施形態の燃料電池１は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、各実施形態は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液や純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池１に好適である。 The fuel cell 1 of each embodiment described above is effective when various liquid fuels are used, and the type and concentration of the liquid fuel are not limited. However, the fuel supply unit 31 that supplies fuel while being dispersed in the plane direction is particularly effective when the fuel concentration is high. For this reason, the fuel cell 1 of each embodiment can exhibit its performance and effects particularly when methanol having a concentration of 80 wt% or more is used as the liquid fuel. Therefore, each embodiment is suitable for the fuel cell 1 using a methanol aqueous solution having a methanol concentration of 80 wt% or more or pure methanol as a liquid fuel.

さらに、上述した各実施形態は、本発明をセミパッシブ型の燃料電池１に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、内部気化型の純パッシブ型の燃料電池に対しても適用可能である。 Furthermore, although each embodiment mentioned above demonstrated the case where this invention was applied to the semi-passive type fuel cell 1, this invention is not limited to this, It is an internal vaporization type pure passive type fuel cell. It can also be applied to.

なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除したりする等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。 The present invention can be applied to various fuel cells using liquid fuel. In addition, the specific configuration of the fuel cell, the supply state of the fuel, and the like are not particularly limited, and all of the fuel supplied to the MEA is liquid fuel vapor, all is liquid fuel, or part is liquid state. The present invention can be applied to various forms such as a vapor of supplied liquid fuel. In the implementation stage, the constituent elements can be modified and embodied without departing from the technical idea of the present invention. Furthermore, various modifications are possible, such as appropriately combining a plurality of constituent elements shown in the above embodiment, or deleting some constituent elements from all the constituent elements shown in the embodiment. Embodiments of the present invention can be expanded or modified within the scope of the technical idea of the present invention, and these expanded and modified embodiments are also included in the technical scope of the present invention.

図１は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池の構造を概略的に示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 図２は、図１に示した燃料電池に適用可能な膜電極接合体の構造の一部の断面を概略的に示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view schematically showing a partial cross section of the structure of the membrane electrode assembly applicable to the fuel cell shown in FIG. 図３は、図２に示した膜電極接合体の平面図である。FIG. 3 is a plan view of the membrane electrode assembly shown in FIG. 図４は、図３に示した膜電極接合体をＡ−Ａ線で切断したときの構造を概略的に示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a structure when the membrane electrode assembly shown in FIG. 3 is cut along line AA. 図５は、図１に示した燃料電池に適用可能な他の膜電極接合体の構造の一部の断面を概略的に示す斜視図である。FIG. 5 is a perspective view schematically showing a cross section of a part of the structure of another membrane electrode assembly applicable to the fuel cell shown in FIG. 図６は、図５に示した膜電極接合体の平面図である。6 is a plan view of the membrane electrode assembly shown in FIG. 図７は、図６に示した膜電極接合体をＢ−Ｂ線で切断したときの構造を概略的に示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a structure when the membrane electrode assembly shown in FIG. 6 is cut along line BB.

Explanation of symbols

１…燃料電池２…膜電極接合体３…燃料供給機構
１１…アノード触媒層１２…アノードガス拡散層１３…アノード（燃料極）
１４…カソード触媒層１５…カソードガス拡散層１６…カソード（空気極）
１７…電解質膜
１８…集電体１８Ａ…アノード集電体１８Ｃ…カソード集電体
２０…板状体（保湿層）
２１…カバープレート
４０…ガス抜き孔
５０…気液分離体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell 2 ... Membrane electrode assembly 3 ... Fuel supply mechanism 11 ... Anode catalyst layer 12 ... Anode gas diffusion layer 13 ... Anode (fuel electrode)
14 ... Cathode catalyst layer 15 ... Cathode gas diffusion layer 16 ... Cathode (air electrode)
17 ... Electrolyte membrane 18 ... Current collector 18A ... Anode current collector 18C ... Cathode current collector 20 ... Plate-like body (moisturizing layer)
21 ... Cover plate 40 ... Gas vent 50 ... Gas-liquid separator

Claims

A membrane electrode assembly having an anode, a cathode, and an electrolyte membrane sandwiched between the anode and the cathode;
A fuel supply mechanism for supplying fuel to the anode of the membrane electrode assembly,
The membrane electrode assembly has a gas vent hole penetrating the anode side and the cathode side,
The fuel cell further comprises a gas-liquid separator that is disposed so as to cover the gas vent hole on the cathode side and that allows gas to pass through without passing through the liquid.

The fuel cell according to claim 1, wherein the gas-liquid separator is fixed to the electrolyte membrane.

The membrane electrode assembly has a plurality of single cells each composed of the fuel electrode and the air electrode arranged via the electrolyte membrane, and each of the single cells is separated in a plane of the electrolyte membrane. Arranged,
The fuel cell according to claim 1, wherein the gas vent hole is formed so as to penetrate the electrolyte membrane between the single cells.

And a current collector that electrically connects the single cells in series.
The fuel cell according to claim 3, wherein the gas-liquid separator is disposed between the electrolyte membrane and the current collector.

The fuel cell according to claim 1, wherein a plurality of the gas vent holes are formed in the electrolyte membrane.

The fuel cell according to claim 5, wherein the gas-liquid separator is disposed so as to cover at least one of the gas vent holes.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein a ratio of an area of the gas-liquid separator to an area of the gas vent hole is larger than 1. 3.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel supplied to the membrane electrode assembly is a methanol aqueous solution or pure methanol having a methanol concentration of 80 wt% or more.