JP2010073608A - Fuel cell - Google Patents

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博史 菅
Risa Aoki
里紗 青木
Mitsuru Udatsu
満 宇田津
Yuichi Yoshida
勇一 吉田
Jun Monma
旬 門馬
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    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell with a stable and high output (power generation performance) and capable of size reduction. <P>SOLUTION: The fuel cell 1 is provided with an MEA 10 having an anode (a fuel electrode) 13, a cathode (an air electrode) 16 and an electrolyte membrane 17 pinched between them, and a fuel supply mechanism 30 arranged on an anode side of the MEA 10. Moreover, at least either the anode side or the cathode side includes a layer containing a latent heat storage material having a phase transition temperature which is higher than 35°C and lower than an operation temperature of a fuel cell 1. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、液体燃料を用いた燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell using liquid fuel.

近年、電子技術の進歩により、電子機器の小型化、高性能化、ポータブル化が進んでおり、携帯用電子機器においては、使用される電池の高エネルギー密度化への要求が高まっている。そのため、軽量で小型でありながら高容量の二次電池が要求されている。   In recent years, advances in electronic technology have led to downsizing, higher performance, and portability of electronic devices. In portable electronic devices, there is an increasing demand for higher energy density of batteries used. Therefore, a secondary battery having a high capacity while being lightweight and small is required.

このような状況のもとで、リチウムイオン二次電池に代わって小型の燃料電池が注目を集めている。特に、直接メタノール型燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)は、エネルギー密度の高いメタノールを燃料として使用し、メタノールから電極触媒上で直接電流を取り出すことができる。そのため、水素ガスを使用する燃料電池に比べて、水素ガス取り扱いの困難さがないうえに、有機燃料を改質して水素を作り出すための改質器が不要で小型化が可能であり、かつ出力密度が高いので、携帯機器用の電源として有望視されている。   Under such circumstances, small fuel cells are attracting attention in place of lithium ion secondary batteries. In particular, a direct methanol fuel cell (DMFC) uses methanol with high energy density as a fuel, and can directly extract an electric current from methanol on an electrode catalyst. Therefore, compared to a fuel cell using hydrogen gas, there is no difficulty in handling hydrogen gas, and a reformer for producing hydrogen by reforming organic fuel is unnecessary and can be downsized. Because of its high output density, it is promising as a power source for portable devices.

DMFCの主発電部は、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と呼ばれ、それぞれがガス拡散層と触媒層を備える燃料極(アノード)と空気極(カソード)、およびアノードの触媒層とカソードの触媒層との間に挟持されたプロトン伝導性の高分子電解質膜を有する。電池反応は触媒層において進行する。具体的には、アノード触媒層で水の供給のもとに燃料の酸化分解反応が進行し、プロトン(水素イオン)および電子が生成される。このプロトンは高分子電解質膜を経てカソード触媒層に達し、一方電子は外部回路を通ってカソード触媒層に達する。そしてカソード触媒層において、供給された空気中の酸素が前記プロトンおよび電子と反応し、酸素が還元されて水が生成される。また、この外部回路を通る電子によって、電力が供給されることになる(例えば、特許文献1参照)。   The main power generation part of the DMFC is called a membrane electrode assembly (MEA), which includes a fuel electrode (anode) and an air electrode (cathode) each having a gas diffusion layer and a catalyst layer, and an anode catalyst layer. A proton conductive polymer electrolyte membrane is sandwiched between the cathode catalyst layer. The cell reaction proceeds in the catalyst layer. Specifically, the oxidative decomposition reaction of the fuel proceeds with the supply of water in the anode catalyst layer, and protons (hydrogen ions) and electrons are generated. The protons reach the cathode catalyst layer through the polymer electrolyte membrane, while the electrons pass through the external circuit and reach the cathode catalyst layer. In the cathode catalyst layer, oxygen in the supplied air reacts with the protons and electrons, and oxygen is reduced to produce water. In addition, power is supplied by electrons passing through the external circuit (see, for example, Patent Document 1).

このように構成されるDMFCにおいては、アノードでの反応に必要な水を供給するために、カソードの上に保湿層を設けて水の蒸散を抑制し、カソード触媒層で生成した水の一部をアノード側へ拡散させる構造が採られている。そして、出力を上げるために、保湿層を厚くするなどの方法で水の蒸散量を低減し、カソードからアノードへの水の拡散量を増やすことが考えられている。   In the DMFC configured as described above, in order to supply water necessary for the reaction at the anode, a moisture retention layer is provided on the cathode to suppress water evaporation, and a part of the water generated in the cathode catalyst layer is provided. Is diffused to the anode side. In order to increase the output, it is considered to reduce the amount of water transpiration by increasing the thickness of the moisturizing layer and increase the amount of water diffusion from the cathode to the anode.

また、発電時の発熱を抑制して電池性能を維持するために、熱を可逆的に吸熱(蓄熱)する潜熱蓄熱剤を含む部材を容器表面などに配置した燃料電池が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
国際公開第2005/112172号パンフレット 特開2004−186097公報
In addition, in order to suppress heat generation during power generation and maintain battery performance, a fuel cell has been proposed in which a member including a latent heat storage agent that reversibly absorbs heat (stores heat) is disposed on a container surface or the like (for example, , See Patent Document 2).
International Publication No. 2005/112172 Pamphlet JP 2004-186097 A

しかしながら、保湿層を厚くして水の蒸散量を抑える方法は、燃料電池の小型化、ポータブル化の要請に逆行するものであり、携帯用電子機器への搭載が難しかった。したがって、保湿層の厚さを増大させることなく、MEAで十分な水を生成して滞留させ、出力を向上させる方法が求められている。また、特許文献2に記載された方法でも、小型で安定した高い出力の燃料電池を得ることはできなかった。   However, the method of suppressing the transpiration of water by increasing the thickness of the moisturizing layer goes against the demand for miniaturization and portability of fuel cells, and is difficult to mount on portable electronic devices. Therefore, there is a need for a method for improving the output by generating and retaining sufficient water with MEA without increasing the thickness of the moisturizing layer. In addition, even the method described in Patent Document 2 cannot obtain a small and stable high output fuel cell.

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、安定した高い出力(発電性能)を有し、小型化が可能な燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell that has a stable and high output (power generation performance) and can be miniaturized.

上記目的を達成するために、本発明の第1の態様の燃料電池は、燃料極(アノード)と、空気極(カソード)と、前記アノードと前記カソードとに挟持されたプロトン伝導性の電解質膜とを有する膜電極接合体と、前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構を備えた燃料電池であり、前記アノードと該アノードより外側からなるアノード側および/または前記カソードと該カソードより外側からなるカソード側に、35℃より高くかつ運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする。   In order to achieve the above object, a fuel cell according to a first aspect of the present invention includes a fuel electrode (anode), an air electrode (cathode), and a proton-conducting electrolyte membrane sandwiched between the anode and the cathode. And a fuel supply mechanism for supplying fuel to the anode, the anode and the anode side outside the anode and / or the cathode and outside the cathode. It is characterized by having a layer containing a latent heat storage material having a phase transition temperature higher than 35 ° C. and lower than an operating temperature on the cathode side.

本発明の第2の態様の燃料電池は、燃料極(アノード)触媒層を有する燃料極(アノード)と、空気極(カソード)触媒層を有する空気極(カソード)と、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に挟持されたプロトン伝導性の電解質膜を有する膜電極接合体と、前記アノードより外側に配置され前記アノード触媒層に燃料を供給する燃料供給機構と、前記カソードより外側に配置された空気導入口を有する表面層と、前記表面層と前記カソードとの間に配置され、前記カソード触媒層で生成した水の蒸散を抑止する保湿層とを備えた燃料電池であり、前記カソード触媒層、前記保湿層、前記表面層のうちの少なくとも一つが、35℃より高くかつ運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする。   The fuel cell according to the second aspect of the present invention includes a fuel electrode (anode) having a fuel electrode (anode) catalyst layer, an air electrode (cathode) having an air electrode (cathode) catalyst layer, the anode catalyst layer, and the A membrane electrode assembly having a proton conductive electrolyte membrane sandwiched between the cathode catalyst layer, a fuel supply mechanism disposed outside the anode and supplying fuel to the anode catalyst layer, and outside the cathode A fuel cell comprising: a surface layer having an air inlet disposed; and a moisturizing layer disposed between the surface layer and the cathode and suppressing transpiration of water generated in the cathode catalyst layer, At least one of the cathode catalyst layer, the moisturizing layer, and the surface layer contains a latent heat storage material having a phase transition temperature higher than 35 ° C. and lower than an operating temperature, or the latent It characterized by having a layer containing a heat storage material.

本発明の第3の態様の燃料電池は、燃料極(アノード)触媒層を有する燃料極(アノード)と、空気極(カソード)触媒層を有する空気極(カソード)と、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に挟持されたプロトン伝導性の電解質膜を有する膜電極接合体と、前記アノードより外側に配置され前記アノード触媒層に燃料を供給する燃料供給機構と、前記カソードより外側に配置された空気導入口を有する表面層と、前記表面層と前記カソードとの間に配置され、前記カソード触媒層で生成した水の蒸散を抑止する保湿層とを備えた燃料電池であり、前記アノード触媒層と前記燃料供給機構を構成する部材の少なくとも一つが、35℃より高くかつ運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする。   A fuel cell according to a third aspect of the present invention includes a fuel electrode (anode) having a fuel electrode (anode) catalyst layer, an air electrode (cathode) having an air electrode (cathode) catalyst layer, the anode catalyst layer, and the A membrane electrode assembly having a proton conductive electrolyte membrane sandwiched between the cathode catalyst layer, a fuel supply mechanism disposed outside the anode and supplying fuel to the anode catalyst layer, and outside the cathode A fuel cell comprising: a surface layer having an air inlet disposed; and a moisturizing layer disposed between the surface layer and the cathode and suppressing transpiration of water generated in the cathode catalyst layer, At least one of the anode catalyst layer and the member constituting the fuel supply mechanism contains a latent heat storage material having a phase transition temperature higher than 35 ° C. and lower than an operating temperature, or It characterized by having a layer containing a heat storage material.

本発明の第4の態様の燃料電池は、燃料極(アノード)触媒層を有する燃料極(アノード)と、空気極(カソード)触媒層を有する空気極(カソード)と、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に挟持されたプロトン伝導性の電解質膜を有する膜電極接合体と、前記アノードより外側に配置され前記アノード触媒層に燃料を供給する燃料供給機構と、前記カソードより外側に配置された空気導入口を有する表面層と、前記表面層と前記カソードとの間に配置され、前記カソード触媒層で生成した水の蒸散を抑止する保湿層とを備えた燃料電池であり、前記カソード触媒層、前記保湿層、前記表面層のうちの少なくとも一つが、35℃より高く運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有し、かつ前記アノード触媒層と前記燃料供給機構を構成する部材の少なくとも一つが、前記相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする。   A fuel cell according to a fourth aspect of the present invention includes a fuel electrode (anode) having a fuel electrode (anode) catalyst layer, an air electrode (cathode) having an air electrode (cathode) catalyst layer, the anode catalyst layer, and the A membrane electrode assembly having a proton conductive electrolyte membrane sandwiched between the cathode catalyst layer, a fuel supply mechanism disposed outside the anode and supplying fuel to the anode catalyst layer, and outside the cathode A fuel cell comprising: a surface layer having an air inlet disposed; and a moisturizing layer disposed between the surface layer and the cathode and suppressing transpiration of water generated in the cathode catalyst layer, At least one of the cathode catalyst layer, the moisturizing layer, and the surface layer contains a latent heat storage material having a phase transition temperature higher than 35 ° C. and lower than an operating temperature, or the latent heat storage material. A layer containing a material and at least one of the anode catalyst layer and the member constituting the fuel supply mechanism contains a latent heat storage material having the phase transition temperature, or contains the latent heat storage material It has a layer.

本発明に係る燃料電池によれば、電気抵抗(インピーダンス)を低くすることができ、安定した高い出力を得ることができる。   According to the fuel cell of the present invention, the electrical resistance (impedance) can be lowered, and a stable high output can be obtained.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図1は、本発明に係る燃料電池1の一実施形態の構成を示す断面図である。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an embodiment of a fuel cell 1 according to the present invention.

図1に示すように、実施形態の燃料電池1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16と、アノード触媒層11とカソード触媒層14との間に挟持されたプロトン伝導性を有する電解質膜17とから構成される膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)10を有している。また、このMEA10のアノード13より外側に、アノード導電層18と、アノード13(アノード触媒層11)に液体燃料Fを供給する燃料供給機構30を備えている。さらに、MEA10のカソード16より外側に、カソード導電層19と保湿層20、および保湿層20の上に積層された複数の空気導入口21aを有する表面カバー層21を備えている。また、燃料供給機構30は、アノード導電層18に対向させて設けられた複数の開口部31aを有する燃料分配層31と、この燃料分配層31に液体燃料Fを供給する燃料供給部本体32を有している。   As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 of the embodiment includes an anode 13 having an anode catalyst layer 11 and an anode gas diffusion layer 12, a cathode 16 having a cathode catalyst layer 14 and a cathode gas diffusion layer 15, and an anode. A membrane electrode assembly (MEA) 10 including a proton-conducting electrolyte membrane 17 sandwiched between the catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 is provided. In addition, an anode conductive layer 18 and a fuel supply mechanism 30 for supplying the liquid fuel F to the anode 13 (anode catalyst layer 11) are provided outside the anode 13 of the MEA 10. Furthermore, a cathode cover layer 21 having a plurality of air inlets 21 a stacked on the cathode conductive layer 19, the moisture retention layer 20, and the moisture retention layer 20 is provided outside the cathode 16 of the MEA 10. The fuel supply mechanism 30 includes a fuel distribution layer 31 having a plurality of openings 31 a provided to face the anode conductive layer 18, and a fuel supply unit main body 32 that supplies the liquid fuel F to the fuel distribution layer 31. Have.

そして、このような燃料電池1のアノード側とカソード側の少なくとも一方において、35℃より高くかつ燃料電池1の運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料(以下、低温型潜熱蓄熱材料と示す。)を含有する層を有している。なお、燃料電池1のアノード側とは、アノード13およびアノード13より外側(電解質膜17と反対側)の部位を意味し、カソード側とは、カソード16およびカソード16より外側(電解質膜17と反対側)の部位を意味する。   And at least one of the anode side and the cathode side of such a fuel cell 1 has a latent heat storage material having a phase transition temperature higher than 35 ° C. and lower than the operating temperature of the fuel cell 1 (hereinafter referred to as a low-temperature type latent heat storage material and It has a layer containing. The anode side of the fuel cell 1 means the anode 13 and a portion outside the anode 13 (opposite to the electrolyte membrane 17), and the cathode side is outside the cathode 16 and cathode 16 (opposite the electrolyte membrane 17). Side).

潜熱蓄熱材料は、発生した熱を潜熱として蓄熱し、所定の温度(相変化温度)を境にして凝固と融解という相変化を繰り返すものである。実施形態においては、潜熱蓄熱材料として、相転移温度が35℃より高くかつ燃料電池1の運転温度(通常40〜55℃)よりも低い低温型潜熱蓄熱材料が使用される。   The latent heat storage material stores generated heat as latent heat, and repeats phase change of solidification and melting at a predetermined temperature (phase change temperature). In the embodiment, a low-temperature latent heat storage material having a phase transition temperature higher than 35 ° C. and lower than the operating temperature of the fuel cell 1 (usually 40 to 55 ° C.) is used as the latent heat storage material.

低温型潜熱蓄熱材料しては、例えば、ペンタデカン、ヘキサデカン、ヘプタデカン、オクタデカンなどのノルマルパラフィンやそのエマルジョン、ノルマルパラフィンをマイクロカプセル化した材料等が挙げられる。これらのノルマルパラフィンをマイクロカプセル化した材料は、ノルマルパラフィンの分子量を調整することで、35℃を超えて燃料電池1の運転温度未満の温度範囲で相転移温度を任意にかつ精確に設定することができる。また、このマイクロカプセル化した潜熱蓄熱材料は、分散安定性の高い水性スラリーあるいは分散媒を取り除いた粉体として取り扱うことができ、燃料電池1を構成する部材に容易に含有させることができるという利点がある。   Examples of the low-temperature latent heat storage material include normal paraffins such as pentadecane, hexadecane, heptadecane, and octadecane, emulsions thereof, and materials obtained by encapsulating normal paraffins. These normal paraffin microencapsulated materials can be arbitrarily and accurately set the phase transition temperature in the temperature range above 35 ° C. and below the operating temperature of the fuel cell 1 by adjusting the molecular weight of the normal paraffin. Can do. Further, this microencapsulated latent heat storage material can be handled as an aqueous slurry having high dispersion stability or a powder from which the dispersion medium has been removed, and can be easily contained in the members constituting the fuel cell 1. There is.

実施形態の燃料電池1のアノード側においては、アノード触媒層11および燃料供給機構30を構成する部材(例えば、燃料分配層31および燃料供給部本体32など)のうちの少なくとも一つが、低温型潜熱蓄熱材料を含有しているか、あるいは低温型潜熱蓄熱材料を含有する層を有している。より具体的には、アノード触媒層11および燃料分配層31においては、これらの層自体に前記した低温型潜熱蓄熱材料(例えば、ノルマルパラフィンをマイクロカプセル化した材料)が含有されている。また、燃料供給部本体32に対しては、低温型潜熱蓄熱材料を含有する層(例えば、ノルマルパラフィンのマイクロカプセルを樹脂に混合し成形したシート)を外周面に設置する態様が採られている。さらに、燃料供給機構30を構成する部材の間に、前記低温型潜熱蓄熱材料の層、あるいは低温型潜熱蓄熱材料を含有する樹脂シートを配置する態様を採ることもできる。   On the anode side of the fuel cell 1 of the embodiment, at least one of members constituting the anode catalyst layer 11 and the fuel supply mechanism 30 (for example, the fuel distribution layer 31 and the fuel supply unit main body 32) is a low-temperature type latent heat. It contains a heat storage material or has a layer containing a low-temperature latent heat storage material. More specifically, the anode catalyst layer 11 and the fuel distribution layer 31 contain the low-temperature latent heat storage material (for example, a material obtained by encapsulating normal paraffin) in the layers themselves. In addition, a mode in which a layer containing a low-temperature latent heat storage material (for example, a sheet formed by mixing normal paraffin microcapsules with resin) is installed on the outer peripheral surface of the fuel supply unit main body 32. . Further, a mode in which a layer of the low-temperature type latent heat storage material or a resin sheet containing the low-temperature type latent heat storage material can be arranged between the members constituting the fuel supply mechanism 30 is also possible.

カソード側においては、カソード触媒層14、保湿層20、表面カバー層21のうちの少なくとも一つが、低温型潜熱蓄熱材料を含有しているか、あるいは低温型潜熱蓄熱材料を含有する層を有している。より具体的には、カソード触媒層14および保湿層20においては、これらの層自体に低温型潜熱蓄熱材料(例えば、ノルマルパラフィンをマイクロカプセル化した材料)が含有された態様が採られている。また、保湿層20と表面カバー層21との間に、前記低温型潜熱蓄熱材料の層、あるいは低温型潜熱蓄熱材料を含有する樹脂シートを配置する態様を採ることもできる。   On the cathode side, at least one of the cathode catalyst layer 14, the moisture retention layer 20, and the surface cover layer 21 contains a low-temperature type latent heat storage material or has a layer containing a low-temperature type latent heat storage material. Yes. More specifically, the cathode catalyst layer 14 and the moisturizing layer 20 are configured such that these layers themselves contain a low-temperature latent heat storage material (for example, a material in which normal paraffin is microencapsulated). Moreover, the aspect which arrange | positions the layer of the said low-temperature-type latent heat storage material or the resin sheet containing a low-temperature-type latent heat storage material between the moisture retention layer 20 and the surface cover layer 21 can also be taken.

なお、燃料電池1のアノード側とカソード側の両方の側において、低温型潜熱蓄熱材料を含有する層を設ける必要はなく、少なくとも一方の側で低温型潜熱蓄熱材料を含有する層を設けるように構成すれば、抵抗の低減および出力向上の効果をあげることができる。特に、カソード16側に低温型潜熱蓄熱材料を含有する層を配置することが望ましい。   Note that it is not necessary to provide a layer containing a low-temperature latent heat storage material on both the anode side and the cathode side of the fuel cell 1, and a layer containing a low-temperature latent heat storage material is provided on at least one side. If configured, the effect of reducing the resistance and improving the output can be obtained. In particular, it is desirable to dispose a layer containing a low-temperature latent heat storage material on the cathode 16 side.

燃料電池1のアノード側とカソード側の少なくとも一方に低温型潜熱蓄熱材料を含有する層を設けることにより、以下に示す理由で、セル抵抗を低くし出力を向上させることができる。   By providing a layer containing a low-temperature latent heat storage material on at least one of the anode side and the cathode side of the fuel cell 1, the cell resistance can be lowered and the output can be improved for the following reason.

すなわち、相転移温度である融点が運転温度(通常40〜55℃)よりも低い低温型潜熱蓄熱材料を含有する層が設けられた燃料電池1においては、運転(発電)の起動時に、MEA10の温度が相転移温度(融点)を超えた時点で、前記潜熱蓄熱材料がMEA10からの発熱を吸収し、固体から液体への相転移(融解)を生じる。そして、この相転移(融解)が完了するまでの間は、MEA10の温度の上昇が抑えられるので、保湿層20等を通っての水の蒸散が抑制され、カソード16に滞留する水の量およびカソード16からアノード13へ拡散する水の量が増大する。そして、このようなMEA10における水量の増大により、燃料電池のセル抵抗(インピーダンス)が低下し、出力が向上する。   That is, in the fuel cell 1 provided with a layer containing a low-temperature latent heat storage material having a melting point that is a phase transition temperature lower than the operating temperature (usually 40 to 55 ° C.), at the start of operation (power generation), the MEA 10 When the temperature exceeds the phase transition temperature (melting point), the latent heat storage material absorbs heat generated from the MEA 10 and causes a phase transition (melting) from a solid to a liquid. And until this phase transition (melting) is completed, the rise in temperature of the MEA 10 is suppressed, so that the transpiration of water through the moisturizing layer 20 and the like is suppressed, and the amount of water remaining in the cathode 16 and The amount of water diffusing from the cathode 16 to the anode 13 increases. And by the increase in the amount of water in such MEA10, the cell resistance (impedance) of a fuel cell falls and an output improves.

なお、潜熱蓄熱材料の相転移温度(融点)が35℃よりも低いと、夏季など気温が高い場合に、未使用時でも潜熱蓄熱剤材料が融解し、燃料電池1の運転時に潜熱蓄熱材料の吸熱作用(潜熱蓄熱作用)を利用することができない場合がある。したがって、35℃より高い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を使用する。また、実施形態において使用する低温型潜熱蓄熱材料は、燃料電池1の運転温度よりも低い相転移温度を有するものであるので、運転温度により使用可能な潜熱蓄熱材料が変わる。すなわち、相転移温度が所定の値(例えば50℃)の潜熱蓄熱材料は、運転温度が相転移温度(50℃)を超える燃料電池1に使用した場合には、セル抵抗を低くし出力を向上させる効果を発揮することができるが、相転移温度(50℃)以下の運転温度では前記効果を上げることができない。したがって、50℃以下の温度で運転される燃料電池1の低温型潜熱蓄熱材料としては、使用することができない。   When the phase transition temperature (melting point) of the latent heat storage material is lower than 35 ° C., the latent heat storage material melts even when not in use when the temperature is high, such as in summer, and the latent heat storage material is The endothermic action (latent heat storage action) may not be used. Therefore, a latent heat storage material having a phase transition temperature higher than 35 ° C. is used. Moreover, since the low-temperature type latent heat storage material used in the embodiment has a phase transition temperature lower than the operating temperature of the fuel cell 1, the usable latent heat storage material varies depending on the operating temperature. That is, the latent heat storage material having a predetermined phase transition temperature (for example, 50 ° C.), when used in the fuel cell 1 whose operating temperature exceeds the phase transition temperature (50 ° C.), lowers the cell resistance and improves the output. However, the effect cannot be increased at an operating temperature not higher than the phase transition temperature (50 ° C.). Therefore, it cannot be used as a low-temperature latent heat storage material for the fuel cell 1 operated at a temperature of 50 ° C. or less.

MEA10を構成するアノード触媒層11およびカソード触媒層14に含有される触媒としては、例えば、Pt、Ru、Rh、Ir、Os、Pd等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒としては、例えば、メタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するPt−RuやPt−Mo等を用いることが好ましい。カソード触媒としては、例えば、Pt、Pt−Ni、Pt−Co等を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。このようなアノード触媒層11および/またはカソード触媒層14には、前記した低温型潜熱蓄熱材料(例えば、ノルマルパラフィンをマイクロカプセル化した材料)を含有させることができる。   Examples of the catalyst contained in the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 constituting the MEA 10 include a simple substance of a platinum group element such as Pt, Ru, Rh, Ir, Os, and Pd, an alloy containing the platinum group element, and the like. Is mentioned. As the anode catalyst, it is preferable to use, for example, Pt—Ru, Pt—Mo or the like having strong resistance to methanol, carbon monoxide, and the like. As the cathode catalyst, for example, Pt, Pt—Ni, Pt—Co or the like is preferably used. However, the catalyst is not limited to these, and various substances having catalytic activity can be used. The catalyst may be either a supported catalyst using a conductive support such as a carbon material or an unsupported catalyst. Such anode catalyst layer 11 and / or cathode catalyst layer 14 can contain the low-temperature latent heat storage material (for example, a material in which normal paraffin is microencapsulated).

電解質膜17を構成するプロトン伝導性の材料としては、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、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。電解質膜17は、具体的には、ナフィオン(商品名、デュポン社製)、フレミオン(商品名、旭硝子社製)、アシプレックス(商品名、旭化成工業社製)等により構成される。なお、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く、例えば、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、あるいは脂肪族炭化水素系樹脂膜などのプロトンを輸送可能な電解質膜で構成することができる。   Examples of the proton conductive material constituting the electrolyte membrane 17 include organic materials such as fluorine resins such as perfluorosulfonic acid polymers having sulfonic acid groups, hydrocarbon resins having sulfonic acid groups, or the like. Examples thereof include inorganic materials such as tungstic acid and phosphotungstic acid. Specifically, the electrolyte membrane 17 includes Nafion (trade name, manufactured by DuPont), Flemion (trade name, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), Aciplex (trade name, manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd.), and the like. The proton-conducting electrolyte membrane 17 is not limited to these. For example, a copolymer membrane of a trifluorostyrene derivative, a polybenzimidazole membrane impregnated with phosphoric acid, an aromatic polyether ketone sulfonic acid membrane, Alternatively, an electrolyte membrane capable of transporting protons such as an aliphatic hydrocarbon resin membrane can be used.

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に燃料ガスである水素含有ガスを均一に供給する機能を有するとともに、アノード触媒層11の集電体としての機能も兼ね備えている。カソード触媒層14に積層されるカソードガス拡散層15は、カソード触媒層14に酸化剤である酸素含有ガスを均一に供給する機能を有するとともに、カソード触媒層14の集電体としての機能も兼ね備えている。アノードガス拡散層12およびカソードガス拡散層15は、それぞれ導電性材料から構成されている。導電性材料としては公知の材料を用いることができるが、原料ガスを触媒へ効率的に輸送するために、多孔質のカーボン織布またはカーボンペーパーを用いることが好ましい。アノードガス拡散層3とカソードガス拡散層6の具体的な形態としては、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン不織布、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルトなどが挙げられる。   The anode gas diffusion layer 12 laminated on the anode catalyst layer 11 has a function of uniformly supplying a hydrogen-containing gas that is a fuel gas to the anode catalyst layer 11 and also has a function as a current collector of the anode catalyst layer 11. ing. The cathode gas diffusion layer 15 laminated on the cathode catalyst layer 14 has a function of uniformly supplying an oxygen-containing gas as an oxidant to the cathode catalyst layer 14 and also has a function as a current collector of the cathode catalyst layer 14. ing. The anode gas diffusion layer 12 and the cathode gas diffusion layer 15 are each made of a conductive material. A known material can be used as the conductive material, but in order to efficiently transport the raw material gas to the catalyst, it is preferable to use a porous carbon woven fabric or carbon paper. Specific forms of the anode gas diffusion layer 3 and the cathode gas diffusion layer 6 include carbon paper, carbon cloth, carbon non-woven fabric, carbon woven fabric, paper-like paper body, felt and the like.

このように構成されるMEA10のアノードガス拡散層12には、アノード導電層18が積層され、カソードガス拡散層15にはカソード導電層19が積層されている。   An anode conductive layer 18 is stacked on the anode gas diffusion layer 12 of the MEA 10 configured as described above, and a cathode conductive layer 19 is stacked on the cathode gas diffusion layer 15.

アノード導電層18とカソード導電層19は、例えば、金(Au)、ニッケル(Ni)のような電気特性および化学安定性に優れた導電性金属材料からなる多孔質膜(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等で構成される。中でも、複数の開口部を有する薄膜で構成されることが好ましく、この開口部を介して、燃料分配層31の開口部31aから送られる燃料がMEA10に導かれる。なお、アノード導電層18およびカソード導電層19は、それらの周縁から燃料や酸化剤が漏れないように構成されている。また、電解質膜17とアノード導電層18との間および電解質膜17とカソード導電層19との間には、それぞれゴム製のOリング22が介在されており、これらによってMEA10からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。なお、ここでは、アノード導電層18およびカソード導電層19を備えた燃料電池1を示しているが、アノード導電層18およびカソード導電層19を設けずに、アノードガス拡散層12およびカソードガス拡散層15を導電層として機能させてもよい。   The anode conductive layer 18 and the cathode conductive layer 19 are, for example, a porous film (for example, a mesh) or a foil body made of a conductive metal material having excellent electrical characteristics and chemical stability such as gold (Au) and nickel (Ni). Or a composite material or the like in which a conductive metal material such as stainless steel (SUS) is coated with a good conductive metal such as gold. Especially, it is preferable to be comprised with the thin film which has several opening part, and the fuel sent from the opening part 31a of the fuel distribution layer 31 is guide | induced to MEA10 through this opening part. The anode conductive layer 18 and the cathode conductive layer 19 are configured so that fuel and oxidant do not leak from their peripheral edges. Further, rubber O-rings 22 are interposed between the electrolyte membrane 17 and the anode conductive layer 18 and between the electrolyte membrane 17 and the cathode conductive layer 19, respectively, and thereby fuel leakage and oxidation from the MEA 10. Agent leakage is prevented. Here, the fuel cell 1 including the anode conductive layer 18 and the cathode conductive layer 19 is shown, but the anode gas diffusion layer 12 and the cathode gas diffusion layer are not provided without the anode conductive layer 18 and the cathode conductive layer 19. 15 may function as a conductive layer.

カソード導電層19の上には、保湿層20が積層されている。保湿層20は、カソード触媒層14で生成した水の蒸散を抑制し、生成した水の一部をアノード13へ拡散させる機能を有する。また、カソードガス拡散層15に酸化剤である空気を均一に導入し、カソード触媒層14への酸化剤の均一な拡散を促進する補助拡散層としての機能も有している。保湿層20としては、例えば多孔質ポリエチレン膜などを使用することができる。この保湿層20に、前記した低温型潜熱蓄熱材料(例えば、ノルマルパラフィンをマイクロカプセル化した材料)を含有させることができる。   A moisturizing layer 20 is laminated on the cathode conductive layer 19. The moisturizing layer 20 has a function of suppressing the transpiration of water generated in the cathode catalyst layer 14 and diffusing part of the generated water to the anode 13. The cathode gas diffusion layer 15 also functions as an auxiliary diffusion layer that uniformly introduces air as an oxidant and promotes uniform diffusion of the oxidant into the cathode catalyst layer 14. As the moisture retaining layer 20, for example, a porous polyethylene film or the like can be used. The moisturizing layer 20 can contain the low-temperature latent heat storage material (for example, a material in which normal paraffin is microencapsulated).

保湿層20の上には、酸化剤である空気を取り入れるための空気導入口21aが複数個形成された表面カバー層21が配置されている。表面カバー層21は、MEA10や保湿層20を加圧し密着性を高める役割も果たしており、例えばSUS304のような金属から構成されている。保湿層20と表面カバー層21との間に、前記低温型潜熱蓄熱材料の層(塗付層など)、あるいは低温型潜熱蓄熱材料を含有する樹脂層(シート)を配置することができる。   On the moisturizing layer 20, a surface cover layer 21 having a plurality of air inlets 21a for taking in air as an oxidant is disposed. The surface cover layer 21 also plays a role of increasing the adhesion by pressurizing the MEA 10 and the moisturizing layer 20, and is made of a metal such as SUS304. Between the moisturizing layer 20 and the surface cover layer 21, a layer of the low-temperature type latent heat storage material (such as a coating layer) or a resin layer (sheet) containing the low-temperature type latent heat storage material can be disposed.

MEA10のアノード側に燃料供給機構30が配置されている。燃料供給機構30は、アノード導電層18に対向させて設けられた複数の開口部31aを有する燃料分配層31と、この燃料分配層31のMEA10側とは異なる側に配置され燃料分配層31に液体燃料Fを供給する燃料供給部本体32と、燃料収容部33と、流路34、および流路34に介挿されたポンプ35を備えている。   A fuel supply mechanism 30 is disposed on the anode side of the MEA 10. The fuel supply mechanism 30 includes a fuel distribution layer 31 having a plurality of openings 31 a provided to face the anode conductive layer 18, and a fuel distribution layer 31 disposed on a side different from the MEA 10 side of the fuel distribution layer 31. A fuel supply main body 32 that supplies the liquid fuel F, a fuel storage portion 33, a flow path 34, and a pump 35 interposed in the flow path 34 are provided.

燃料収容部33には、MEA10に対応した液体燃料Fが収容されている。液体燃料Fとしては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料Fは、必ずしもメタノール燃料に限られるものではなく、例えば、エタノール水溶液、純エタノール、プロパノール水溶液、ギ酸水溶液、ギ酸ナトリウム水溶液、酢酸水溶液、エチレングリコール水溶液、ジメチルエーテルなどの水素を含む有機系の水溶液、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化リチウム水溶液などを用いてもよい。これらの液体燃料Fの中でも、メタノール水溶液は、炭素数が1で反応の際に発生するのが二酸化炭素であり、低温での発電反応が可能であり、産業廃棄物から比較的容易に製造することができる。そのため、液体燃料Fとしてメタノール水溶液を使用するのが好ましい。   The fuel storage unit 33 stores liquid fuel F corresponding to the MEA 10. Examples of the liquid fuel F include methanol fuels such as methanol aqueous solutions having various concentrations and pure methanol. The liquid fuel F is not necessarily limited to methanol fuel. For example, an organic aqueous solution containing hydrogen such as an ethanol aqueous solution, pure ethanol, propanol aqueous solution, formic acid aqueous solution, sodium formate aqueous solution, acetic acid aqueous solution, ethylene glycol aqueous solution, dimethyl ether or the like. Alternatively, a sodium borohydride aqueous solution, a potassium borohydride aqueous solution, a lithium hydride aqueous solution, or the like may be used. Among these liquid fuels F, the aqueous methanol solution is carbon dioxide generated at the time of reaction with 1 carbon, and can generate electricity at a low temperature, and is relatively easily produced from industrial waste. be able to. Therefore, it is preferable to use a methanol aqueous solution as the liquid fuel F.

液体燃料Fは、燃料成分の濃度が100wt%から数wt%までの範囲で種々の濃度のものを用いることができるが、特にメタノール水溶液の場合は、燃料であるメタノール濃度が60wt%以上のものを使用することが望ましい。その理由は、より少ない体積の燃料で発電することができるからである。   The liquid fuel F can be used in various concentrations with a fuel component concentration ranging from 100 wt% to several wt%. Particularly in the case of an aqueous methanol solution, the fuel methanol concentration is 60 wt% or more. It is desirable to use The reason is that power can be generated with a smaller volume of fuel.

燃料供給部本体32は、供給された液体燃料Fを燃料分配層31に対して均一に供給するために、凹部からなる燃料供給部36を備えている。この燃料供給部36は、配管等で構成される流路34を介して燃料収容部33と接続されている。燃料供給部36には、燃料収容部33から流路34を介して液体燃料Fが導入され、導入された液体燃料Fおよび/またはこの液体燃料Fが気化した気化成分は、燃料分配層31およびアノード導電層18を介してMEA10に供給される。燃料供給部本体32の外周に、前記低温型潜熱蓄熱材料を含有する樹脂層(シート)を配置することができる。   The fuel supply unit main body 32 includes a fuel supply unit 36 formed of a recess in order to uniformly supply the supplied liquid fuel F to the fuel distribution layer 31. The fuel supply unit 36 is connected to the fuel storage unit 33 via a flow path 34 formed of piping or the like. Liquid fuel F is introduced into the fuel supply unit 36 from the fuel storage unit 33 via the flow path 34, and the introduced liquid fuel F and / or the vaporized component of the liquid fuel F vaporized are the fuel distribution layer 31 and It is supplied to the MEA 10 through the anode conductive layer 18. A resin layer (sheet) containing the low-temperature latent heat storage material can be disposed on the outer periphery of the fuel supply unit main body 32.

流路34は、燃料供給部36や燃料収容部33と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給部36や燃料収容部33を積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料Fの流路であってもよい。すなわち、燃料供給部36は、流路34等を介して燃料収容部33と連通されていればよい。   The flow path 34 is not limited to piping independent of the fuel supply unit 36 and the fuel storage unit 33. For example, when the fuel supply unit 36 and the fuel storage unit 33 are stacked and integrated, a flow path of the liquid fuel F that connects them may be used. In other words, the fuel supply unit 36 only needs to communicate with the fuel storage unit 33 via the flow path 34 or the like.

流路34の一部にはポンプ35が介挿されており、燃料収容部33に収容された液体燃料Fは燃料供給部36まで強制的に送液される。流路34にポンプ35を介在させず、燃料収容部33に収容された液体燃料Fを重力を利用して燃料供給部36まで落下させて送液してもよい。また、流路34に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料収容部33に収容された液体燃料Fを燃料供給部36まで送液してもよい。   A pump 35 is inserted in a part of the flow path 34, and the liquid fuel F stored in the fuel storage unit 33 is forcibly sent to the fuel supply unit 36. Instead of interposing the pump 35 in the flow path 34, the liquid fuel F stored in the fuel storage unit 33 may be dropped to the fuel supply unit 36 using gravity and fed. Alternatively, the flow path 34 may be filled with a porous body or the like, and the liquid fuel F stored in the fuel storage unit 33 may be fed to the fuel supply unit 36 by capillary action.

このポンプ35は、燃料収容部33から燃料供給部36に液体燃料Fを単に送液する供給ポンプとして機能するものであり、MEA10に供給された過剰な液体燃料Fを循環する循環ポンプとしての機能を備えるものではない。このようなポンプ35を備えた燃料電池1は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは構成が異なる。また、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも構成が異なり、いわゆるセミパッシブ型と呼ばれる方式に該当する。なお、燃料供給手段として機能するポンプ35の種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料Fを制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリベーンポンプは、モータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは、電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは、電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは、柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。このポンプ35は、制御手段(図示しない)と電気的に接続されており、この制御手段によって、燃料供給部36に供給される液体燃料Fの供給量が制御される。   The pump 35 functions as a supply pump that simply sends the liquid fuel F from the fuel storage unit 33 to the fuel supply unit 36, and functions as a circulation pump that circulates excess liquid fuel F supplied to the MEA 10. It does not have. Since the fuel cell 1 including such a pump 35 does not circulate the fuel, the configuration is different from that of the conventional active method. Also, the configuration is different from a pure passive method such as a conventional internal vaporization type, which corresponds to a so-called semi-passive type. The type of the pump 35 that functions as the fuel supply means is not particularly limited, but from the viewpoint that a small amount of liquid fuel F can be fed with good controllability, and that further reduction in size and weight is possible. It is preferable to use a vane pump, an electroosmotic flow pump, a diaphragm pump, a squeezing pump, or the like. The rotary vane pump feeds liquid by rotating wings with a motor. The electroosmotic flow pump uses a sintered porous body such as silica that causes an electroosmotic flow phenomenon. A diaphragm pump drives a diaphragm with an electromagnet or piezoelectric ceramics to send liquid. The squeezing pump presses a part of a flexible fuel flow path and squeezes the fuel. Among these, it is more preferable to use an electroosmotic pump or a diaphragm pump having piezoelectric ceramics from the viewpoint of driving power, size, and the like. The pump 35 is electrically connected to control means (not shown), and the supply amount of the liquid fuel F supplied to the fuel supply unit 36 is controlled by the control means.

ここで、ポンプ35の送液量は、燃料電池1の主たる対象物が小型電子機器であることから、10μL/分〜1mL/分の範囲とすることが好ましい。送液量が1mL/分を超えると一度に送液される液体燃料Fの量が多くなりすぎて、全運転期間に占めるポンプ35の停止時間が長くなる。そのため、MEA10への燃料の供給量の変動が大きくなり、その結果として出力の変動が大きくなる。これを防止するためのリザーバをポンプ35の下流側に設けてもよいが、そのような構成を適用しても燃料供給量の変動を十分に抑制することはできず、さらに装置サイズの大型化等を招いてしまう。   Here, since the main target object of the fuel cell 1 is a small electronic device, it is preferable that the liquid feeding amount of the pump 35 be in the range of 10 μL / min to 1 mL / min. When the amount of liquid delivery exceeds 1 mL / min, the amount of liquid fuel F that is fed at a time becomes too large, and the stop time of the pump 35 that occupies the entire operation period becomes long. Therefore, the fluctuation in the amount of fuel supplied to the MEA 10 increases, and as a result, the fluctuation in output increases. A reservoir for preventing this may be provided on the downstream side of the pump 35. However, even if such a configuration is applied, fluctuations in the fuel supply amount cannot be sufficiently suppressed, and further the size of the apparatus is increased. Etc. will be invited.

一方、ポンプ35の送液量が10μL/分未満であると、運転立ち上げ時のように燃料の消費量が増える際に供給能力不足を招くおそれがある。これによって、燃料電池1の起動特性等が低下する。このような点から、10μL/分〜1mL/分の範囲の送液能力を有するポンプ35を使用することが好ましい。ポンプ35の送液量は10μL/分〜200μL/分の範囲とすることがより好ましい。このような送液量を安定して実現する上でも、ポンプ35には電気浸透流ポンプやダイアフラムポンプを適用することが好ましい。   On the other hand, if the amount of liquid fed by the pump 35 is less than 10 μL / min, there may be a shortage of supply capacity when the amount of fuel consumption increases as at the start of operation. As a result, the starting characteristics of the fuel cell 1 are deteriorated. From such a point, it is preferable to use the pump 35 having a liquid feeding capacity in the range of 10 μL / min to 1 mL / min. It is more preferable that the liquid feeding amount of the pump 35 be in the range of 10 μL / min to 200 μL / min. In order to stably realize such a liquid feeding amount, it is preferable to apply an electroosmotic flow pump or a diaphragm pump to the pump 35.

燃料分配層31は、液体燃料Fやその気化成分を透過させない材料で構成され、複数の開口部31aが形成された平板で構成される。燃料分配層31は、具体的にはポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂、ポリエチレンナフタレート(PEN)樹脂、ポリイミド系樹脂等で構成され、アノード導電層18と燃料供給部本体32との間に挟持される。この燃料分配層31に、前記した低温型潜熱蓄熱材料(例えば、ノルマルパラフィンをマイクロカプセル化した材料)を含有させることができる。   The fuel distribution layer 31 is made of a material that does not allow the liquid fuel F or its vaporized component to permeate, and is made of a flat plate having a plurality of openings 31a. Specifically, the fuel distribution layer 31 is made of polyethylene terephthalate (PET) resin, polyethylene naphthalate (PEN) resin, polyimide resin, or the like, and is sandwiched between the anode conductive layer 18 and the fuel supply unit main body 32. . The fuel distribution layer 31 can contain the low-temperature latent heat storage material (for example, a material in which normal paraffin is microencapsulated).

また、燃料分配層31は、例えば、液体燃料Fの気化成分と液体燃料Fとを分離し、その気化成分をMEA10へ透過させる気液分離膜で構成されてもよい。気液分離膜には、例えば、シリコーンゴム薄膜、低密度ポリエチレン(LDPE)薄膜、ポリ塩化ビニル(PVC)薄膜、ポリエチレンテレフタレート(PET)薄膜、フッ素樹脂(例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)など)の微多孔膜などが用いられる。燃料供給部32aに導入された液体燃料Fは、燃料分配層31の複数の開口部31aからアノード13の全面に対して供給される。このように、燃料分配層31によって、アノード13に供給される燃料供給量を均一化することが可能となる。   Further, the fuel distribution layer 31 may be constituted by, for example, a gas-liquid separation membrane that separates the vaporized component of the liquid fuel F and the liquid fuel F and permeates the vaporized component to the MEA 10. Gas-liquid separation membranes include, for example, silicone rubber thin film, low density polyethylene (LDPE) thin film, polyvinyl chloride (PVC) thin film, polyethylene terephthalate (PET) thin film, fluororesin (for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetra A microporous film of fluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA) or the like is used. The liquid fuel F introduced into the fuel supply unit 32 a is supplied to the entire surface of the anode 13 from the plurality of openings 31 a of the fuel distribution layer 31. As described above, the fuel distribution layer 31 makes it possible to equalize the amount of fuel supplied to the anode 13.

次に、このように構成される実施形態において、アノード触媒層11およびカソード触媒層14に低温型潜熱蓄熱材料を含有させた構成の燃料電池1を製造する方法を、次に示す。まず、アノード触媒を、例えば以下に示すようにして製造する。   Next, in the embodiment configured as described above, a method for manufacturing the fuel cell 1 having a configuration in which the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 contain a low-temperature latent heat storage material will be described below. First, an anode catalyst is produced, for example, as shown below.

すなわち、カーボンなどの導電性担体を、白金族元素の単体や白金族元素の合金を構成する金属の化合物を含む水溶液またはスラリーと接触させ、この金属化合物またはそのイオンを導電性担体上に吸着させる。そして、スラリー等を高速で撹拌しながら、適当な固定化剤、例えば水酸化ナトリウム、アンモニア、ヒドラジン、ギ酸、クエン酸、ホルマリン、メタノール、エタノール、プロパノールなどの希釈溶液をゆっくりと滴下し、金属塩として、または一部還元された金属微粒子として導電性担持体上に担持させる。次に乾燥し、還元ガスあるいは不活性ガス雰囲気で熱処理を行うことにより、アノード触媒を製造する。   That is, a conductive carrier such as carbon is brought into contact with an aqueous solution or slurry containing a metal compound constituting a simple substance of a platinum group element or a platinum group element alloy, and the metal compound or ions thereof are adsorbed on the conductive support. . While stirring the slurry at a high speed, a suitable fixing agent such as sodium hydroxide, ammonia, hydrazine, formic acid, citric acid, formalin, methanol, ethanol, and propanol is slowly added dropwise to form a metal salt. Or as a partially reduced metal fine particle on a conductive support. Next, the anode catalyst is manufactured by drying and performing a heat treatment in a reducing gas or inert gas atmosphere.

次いで、得られたアノード触媒と、相転移温度が35℃より高くかつ燃料電池1の運転温度よりも低い(例えば40℃)低温型潜熱蓄熱材料を、プロトン伝導性の電解質の溶液と混合し、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコールおよびグリセリン、エチレングリコールなどの分散媒を加えて粘度調整を行い、アノード触媒層形成用スラリー(以下、アノード触媒スラリーと示す。)とする。   Next, the obtained anode catalyst and a low-temperature latent heat storage material having a phase transition temperature higher than 35 ° C. and lower than the operating temperature of the fuel cell 1 (for example, 40 ° C.) are mixed with a solution of a proton conductive electrolyte, The viscosity is adjusted by adding an alcohol such as methanol, ethanol or propanol and a dispersion medium such as glycerin or ethylene glycol to obtain an anode catalyst layer forming slurry (hereinafter referred to as anode catalyst slurry).

こうして得られたアノード触媒スラリーを、アノードガス拡散層12となるカーボンペーパーやカーボンクロスなどの導電性多孔質基材の上に、吸引ろ過法、スプレー法、ロールコータ法、バーコータ法などを用いて塗布し乾燥させて、アノード触媒層11とする。なお、このようにしてアノードガス拡散層12上にアノード触媒層11が形成されたものがアノード13となる。   The anode catalyst slurry thus obtained is applied to a conductive porous substrate such as carbon paper or carbon cloth serving as the anode gas diffusion layer 12 using a suction filtration method, a spray method, a roll coater method, a bar coater method, or the like. The anode catalyst layer 11 is formed by applying and drying. The anode 13 is formed by forming the anode catalyst layer 11 on the anode gas diffusion layer 12 in this way.

また、同様にしてカソード16を形成する。すなわち、前記アノード触媒と同様にしてカソード触媒を製造し、得られたカソード触媒と、相転移温度が35℃より高くかつ燃料電池1の運転温度よりも低い(例えば40℃)低温型潜熱蓄熱材料を、プロトン伝導性の電解質の溶液と混合し、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコールおよびグリセリン、エチレングリコールなどの分散媒を加えて粘度調整を行い、カソード触媒層形成用スラリー(以下、カソード触媒スラリーと示す。)とする。   Similarly, the cathode 16 is formed. That is, a cathode catalyst is produced in the same manner as the anode catalyst, and the obtained cathode catalyst and a low-temperature latent heat storage material having a phase transition temperature higher than 35 ° C. and lower than the operating temperature of the fuel cell 1 (for example, 40 ° C.) Is mixed with a proton conductive electrolyte solution, and the viscosity is adjusted by adding an alcohol such as methanol, ethanol or propanol, and a dispersion medium such as glycerin or ethylene glycol, to form a cathode catalyst layer slurry (hereinafter referred to as a cathode catalyst slurry). .)

次いで、得られたカソード触媒スラリーを、カソードガス拡散層15となるカーボンペーパーやカーボンクロスなどの導電性多孔質基材の上に、吸引ろ過法、スプレー法、ロールコータ法、バーコータ法などを用いて塗布し乾燥させて、カソード触媒層14とする。こうしてカソードガス拡散層15上にカソード触媒層14が形成されたものがカソード16となる。   Next, the obtained cathode catalyst slurry is subjected to suction filtration, spraying, roll coater, bar coater, etc. on a conductive porous substrate such as carbon paper or carbon cloth to be the cathode gas diffusion layer 15. The cathode catalyst layer 14 is formed by coating and drying. Thus, the cathode 16 is formed by forming the cathode catalyst layer 14 on the cathode gas diffusion layer 15.

次に、こうして得られたアノード13(アノード触媒層11)とカソード16(カソード触媒層14)の間にプロトン伝導性の電解質膜17を挟み込んだ後、これらをロールまたはプレスによって熱圧着することにより、MEA10が得られる。さらに、このMEA10にアノード導電層18およびカソード導電層19を積層する。そして、MEA10のアノード側に燃料供給機構30を配置し、カソード側に保湿層20、表面カバー層21を順に重ね合わせて一体化することにより、燃料電池1を製造することができる。   Next, a proton conductive electrolyte membrane 17 is sandwiched between the anode 13 (anode catalyst layer 11) and the cathode 16 (cathode catalyst layer 14) thus obtained, and these are thermocompression bonded by a roll or a press. MEA10 is obtained. Further, the anode conductive layer 18 and the cathode conductive layer 19 are laminated on the MEA 10. The fuel cell 1 can be manufactured by disposing the fuel supply mechanism 30 on the anode side of the MEA 10 and integrating the moisturizing layer 20 and the surface cover layer 21 in order on the cathode side.

次に、実施形態に示した燃料電池1の作用について説明する。   Next, the operation of the fuel cell 1 shown in the embodiment will be described.

燃料収容部33から流路34を通って燃料供給部36に供給された液体燃料Fは、液体燃料のまま、もしくは液体燃料と液体燃料が気化した気化燃料が混在する状態で、燃料分配層31およびアノード導電層18を介してMEA10のアノードガス拡散層12に供給される。アノードガス拡散層12に供給された燃料は、アノードガス拡散層12で拡散してアノード触媒層11に供給される。液体燃料Fとしてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層11では、次の式(1)に示すメタノールの内部改質反応が生じる。
CHOH+HO → CO+6H+6e ……式(1)
The liquid fuel F supplied from the fuel storage unit 33 through the flow path 34 to the fuel supply unit 36 remains as a liquid fuel, or in a state where liquid fuel and vaporized fuel vaporized from the liquid fuel are mixed. And supplied to the anode gas diffusion layer 12 of the MEA 10 via the anode conductive layer 18. The fuel supplied to the anode gas diffusion layer 12 is diffused in the anode gas diffusion layer 12 and supplied to the anode catalyst layer 11. When methanol fuel is used as the liquid fuel F, an internal reforming reaction of methanol shown in the following formula (1) occurs in the anode catalyst layer 11.
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e Formula (1)

なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、メタノールは、カソード触媒層14で生成した水や電解質膜17中の水と上記した式(1)の内部改質反応によって改質されるか、または水を必要としない他の反応機構により改質される。この式(1)に示す反応によって発生した熱の一部は、アノード触媒層11、燃料分配層31などに含有された低温型潜熱蓄熱材料により吸熱(蓄熱)される。そして、この潜熱蓄熱材料の相転移が完了するまでの間は、アノード13の温度の上昇が抑えられる。また、この吸熱(蓄熱)によって、式(1)の反応に必要な水の蒸散が抑えられるため、メタノールの内部改質反応が促進されるようになる。   When pure methanol is used as the methanol fuel, is methanol reformed by water generated in the cathode catalyst layer 14 or water in the electrolyte membrane 17 and the internal reforming reaction of the above formula (1)? Or other reaction mechanisms that do not require water. Part of the heat generated by the reaction shown in the equation (1) is absorbed (heat storage) by the low-temperature latent heat storage material contained in the anode catalyst layer 11, the fuel distribution layer 31, and the like. And the rise in the temperature of the anode 13 is suppressed until the phase transition of the latent heat storage material is completed. Moreover, since this heat absorption (heat storage) suppresses the transpiration of water necessary for the reaction of the formula (1), the internal reforming reaction of methanol is promoted.

この反応で生成した電子(e)は、集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード16に導かれる。また、式(1)の内部改質反応で生成したプロトン(H)は、電解質膜17を経てカソード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で空気中の酸素と次の式(2)に示す反応を生じ、この発電反応に伴って水が生成する。
(3/2)O+6e+6H → 3HO ……式(2)
Electrons (e ) generated by this reaction are guided to the outside via a current collector, and are guided to the cathode 16 after operating a portable electronic device or the like as so-called electricity. In addition, protons (H + ) generated by the internal reforming reaction of the formula (1) are guided to the cathode 16 through the electrolyte membrane 17. Air is supplied to the cathode 16 as an oxidant. The electrons (e ) and protons (H + ) that have reached the cathode 16 cause a reaction shown in the following equation (2) with oxygen in the air in the cathode catalyst layer 14, and water is generated along with this power generation reaction. .
(3/2) O 2 + 6e + 6H + → 3H 2 O (2)

この式(2)に示す反応によって発生した熱の一部は、カソード触媒層14、保湿層20などに含有された低温型潜熱蓄熱材料により吸熱(蓄熱)される。そして、この潜熱蓄熱材料の相転移が完了するまでの間は、カソード16の温度上昇が抑えられるので、保湿層20を通っての水の蒸散が抑制され、カソード16に滞留する水の量が増大する。そして、カソード16に滞留する水量の増大により、アノード13への水の拡散量が増大し、アノード13に含有される水の量も増大する。   Part of the heat generated by the reaction shown in the formula (2) is absorbed (stored) by the low-temperature latent heat storage material contained in the cathode catalyst layer 14, the moisturizing layer 20, and the like. Until the phase transition of the latent heat storage material is completed, the temperature rise of the cathode 16 is suppressed, so that the transpiration of water through the moisturizing layer 20 is suppressed, and the amount of water staying at the cathode 16 is reduced. Increase. Then, due to the increase in the amount of water staying at the cathode 16, the diffusion amount of water to the anode 13 increases and the amount of water contained in the anode 13 also increases.

このようなカソード16およびアノード13における水の含有量の増大により、実施形態の燃料電池1では、セル抵抗(インピーダンス)が低下し、出力が向上する。また、実施形態において、燃料電池1を構成するアノード触媒層11、カソード触媒層14、保湿層20などが低温型潜熱蓄熱材料を含有するように構成された態様では、潜熱蓄熱材料を含有する部材(樹脂シートなど)を別に配置する構成に比べて、製造の際の工程追加を必要とせず、また燃料電池全体の厚さや体積を増大させることがないという利点がある。   With such an increase in the water content in the cathode 16 and the anode 13, the cell resistance (impedance) is lowered and the output is improved in the fuel cell 1 of the embodiment. In the embodiment, in the aspect in which the anode catalyst layer 11, the cathode catalyst layer 14, the moisturizing layer 20 and the like constituting the fuel cell 1 contain the low-temperature latent heat storage material, the member containing the latent heat storage material is used. Compared to a configuration in which (resin sheet or the like) is separately provided, there is an advantage that no additional process is required during manufacturing and the thickness and volume of the entire fuel cell are not increased.

上述した実施形態の燃料電池は、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。さらに、上述した実施形態は、燃料電池本体の構成として燃料の供給にポンプを使用したセミパッシブ型のものを例に挙げて説明したが、内部気化型のような純パッシブ型の燃料電池に対しても本発明を適用することができる。   The fuel cell of the above-described embodiment is effective when various liquid fuels are used, and the type and concentration of the liquid fuel are not limited. Further, the above-described embodiment has been described by taking a semi-passive type using a pump for supplying fuel as an example of the configuration of the fuel cell main body, but for a purely passive type fuel cell such as an internal vaporization type However, the present invention can be applied.

次に、本発明に係る燃料電池が優れた出力特性を有することを実施例1〜5および比較例1,2に基づいて説明する。   Next, it will be described based on Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 that the fuel cell according to the present invention has excellent output characteristics.

実施例1
カーボン担体であるケッチェン(Ketjen)ECP(商品名、ライオン社製)に、アノード触媒金属であるPt−Ru合金(Ru60at.%)を担持させ、ナトリウムボロハイドライドを用いて液相還元した後、500℃不活性雰囲気で1時間固溶体化処理を行い、アノード触媒を製造した。
Example 1
A carbon carrier, Ketjen ECP (trade name, manufactured by Lion Corporation) is loaded with a Pt—Ru alloy (Ru60 at.%), Which is an anode catalyst metal, and subjected to liquid phase reduction using sodium borohydride. A solid solution treatment was performed in an inert atmosphere at 1 ° C. for 1 hour to produce an anode catalyst.

次いで、このアノード触媒と、ナフィオン溶液DE2020(商品名、デュポン社製)および溶媒(1−プロパノール、2−プロパノールおよびグリセリン)を、アノード触媒の含有割合(重量割合)とナフィオンの含有割合(重量割合)との比が37:63になるように混合し、アノード触媒スラリーを調製した。得られたアノード触媒スラリーを、アノードガス拡散層となるカーボンペーパー(商品名TGP−H−120、東レ(株)製、40mm×30mmの長方形)の一方の面にバーコータを用いて塗布した後乾燥させ、アノード触媒層(厚さ200μm)を形成した。こうしてアノードを作製した。   Next, this anode catalyst, Nafion solution DE2020 (trade name, manufactured by DuPont) and solvent (1-propanol, 2-propanol and glycerin) were added to the anode catalyst content (weight percentage) and Nafion content (weight percentage). ) To prepare an anode catalyst slurry. The obtained anode catalyst slurry was applied to one surface of carbon paper (trade name TGP-H-120, manufactured by Toray Industries, Inc., 40 mm × 30 mm rectangle) serving as an anode gas diffusion layer using a bar coater and then dried. Thus, an anode catalyst layer (thickness: 200 μm) was formed. Thus, an anode was produced.

また、カーボン担体であるケッチェンECPに、カソード触媒金属であるPtを担持させ、アノード触媒と同様にしてカソード触媒を製造した。次いで、このカソード触媒と、低温型潜熱蓄熱材料であるマイクロカプセルに封入されたノルマルパラフィン(商品名HSカプセル−P、三菱製紙(株)製)(相転移温度40℃、吸熱量(蓄熱量)170ジュール/g)と、ナフィオン溶液DE2020(商品名、デュポン社製)、および溶媒(1−プロパノール、2−プロパノールおよびグリセリン)を、カソード触媒の含有割合(重量割合)とナフィオンの含有割合(重量割合)との比が74:26になるように混合し、カソード触媒スラリーを調製した。なお、低温型潜熱蓄熱材料の配合量は、最終的に形成されるカソード触媒層中に含有される潜熱蓄熱材料の吸熱量(蓄熱量)が150ジュールになるように調整した。このカソード触媒スラリーを、カソードガス拡散層となるカーボンペーパー(商品名TGP−H−090、東レ(株)製、40mm×30mmの長方形)の一方の面にバーコータを用いて塗布し乾燥させ、カソード触媒層(厚さ80μm)を形成した。こうしてカソードを作製した。   In addition, a cathode catalyst was manufactured in the same manner as the anode catalyst by supporting the cathode catalyst metal Pt on the carbon support Ketjen ECP. Next, this cathode catalyst and normal paraffin (trade name HS Capsule-P, manufactured by Mitsubishi Paper Industries Co., Ltd.) enclosed in microcapsules which are low-temperature latent heat storage materials (phase transition temperature 40 ° C., endothermic amount (heat storage amount)) 170 joules / g), Nafion solution DE2020 (trade name, manufactured by DuPont), and solvent (1-propanol, 2-propanol and glycerin), cathode catalyst content (weight percentage) and Nafion content (weight) The cathode catalyst slurry was prepared by mixing so that the ratio to the ratio was 74:26. The blending amount of the low-temperature latent heat storage material was adjusted so that the heat absorption amount (heat storage amount) of the latent heat storage material contained in the finally formed cathode catalyst layer was 150 joules. This cathode catalyst slurry was applied to one surface of carbon paper (trade name TGP-H-090, manufactured by Toray Industries, Inc., 40 mm × 30 mm rectangle) serving as a cathode gas diffusion layer using a bar coater and dried. A catalyst layer (thickness 80 μm) was formed. In this way, a cathode was produced.

次に、プロトン伝導性の電解質膜としてナフィオンNRE−212CS(商品名、デュポン社製)を使用し、この電解質膜と前記アノード(電極面積12cm)およびカソード(電極面積12cm)を、アノード触媒層とカソード触媒層がそれぞれ電解質膜側になるように重ね合わせた後、加熱温度150℃、圧力30kgf/cm、加圧時間5分間の条件でプレスし、MEAを作製した。そして、このようにして作製されたMEAを用いて、図1に示す燃料電池を作製した。なお、保湿層としては、厚さ1.0mmの多孔質ポリエチレン膜を使用した。 Next, Nafion NRE-212CS (trade name, manufactured by DuPont) is used as the proton conductive electrolyte membrane, and the electrolyte membrane, the anode (electrode area 12 cm 2 ), and the cathode (electrode area 12 cm 2 ) are used as an anode catalyst. After laminating the layer and the cathode catalyst layer so as to be on the side of the electrolyte membrane, pressing was performed under the conditions of a heating temperature of 150 ° C., a pressure of 30 kgf / cm 2 , and a pressurization time of 5 minutes to prepare an MEA. And the fuel cell shown in FIG. 1 was produced using MEA produced in this way. Note that a porous polyethylene film having a thickness of 1.0 mm was used as the moisturizing layer.

実施例2
カソード触媒スラリーの調製において、低温型潜熱蓄熱材料の配合量を、最終的に形成されるカソード触媒層中に含有される潜熱蓄熱材料の吸熱量(蓄熱量)が500ジュールになるように調整した。それ以外は実施例1と同様にして、カソードを作製した。また、実施例1と同様にして、アノードを作製した。
Example 2
In the preparation of the cathode catalyst slurry, the blending amount of the low-temperature type latent heat storage material was adjusted so that the endothermic amount (heat storage amount) of the latent heat storage material contained in the finally formed cathode catalyst layer was 500 joules. . Other than that was carried out similarly to Example 1, and produced the cathode. Further, an anode was produced in the same manner as in Example 1.

次に、こうして得られたアノードおよびカソードを用いて、実施例1と同様にして図1に示す燃料電池を作製した。   Next, using the anode and the cathode thus obtained, a fuel cell shown in FIG. 1 was produced in the same manner as in Example 1.

実施例3
実施例1と同様にして製造されたアノード触媒と、低温型潜熱蓄熱材料であるマイクロカプセルに封入されたノルマルパラフィン(商品名HSカプセル−P)(相転移温度40℃、吸熱量(蓄熱量)170ジュール/g)と、ナフィオン溶液DE2020、および溶媒(1−プロパノール、2−プロパノールおよびグリセリン)を、アノード触媒とナフィオンの含有割合(重量割合)の比が37:63になるように混合し、アノード触媒スラリーを調製した。なお、低温型潜熱蓄熱材料の配合量は、最終的に形成されるアノード触媒層中に含有される潜熱蓄熱材料の吸熱量(蓄熱量)が150ジュールになるように調整した。得られたアノード触媒スラリーを、アノードガス拡散層となるカーボンペーパー(商品名TGP−H−120、40mm×30mmの長方形)の一方の面にバーコータを用いて塗布した後乾燥させ、アノード触媒層(厚さ200μm)を形成した。こうしてアノードを作製した。
Example 3
An anode catalyst manufactured in the same manner as in Example 1, and normal paraffin (trade name HS capsule-P) enclosed in microcapsules which are low-temperature latent heat storage materials (phase transition temperature 40 ° C., endothermic amount (heat storage amount)) 170 joules / g), Nafion solution DE2020, and solvent (1-propanol, 2-propanol and glycerin) were mixed so that the ratio of the content ratio (weight ratio) of the anode catalyst to Nafion was 37:63, An anode catalyst slurry was prepared. The blending amount of the low-temperature latent heat storage material was adjusted so that the endothermic amount (heat storage amount) of the latent heat storage material contained in the finally formed anode catalyst layer was 150 joules. The obtained anode catalyst slurry was applied to one side of a carbon paper (trade name TGP-H-120, 40 mm × 30 mm rectangle) serving as an anode gas diffusion layer using a bar coater, and then dried, and the anode catalyst layer ( A thickness of 200 μm) was formed. Thus, an anode was produced.

また、実施例1と同様にして製造されたカソード触媒と、ナフィオン溶液DE2020および溶媒(1−プロパノール、2−プロパノールおよびグリセリン)を、カソード触媒とナフィオンの含有割合(重量割合)の比が74:26になるように混合し、カソード触媒スラリーを調製した。このカソード触媒スラリーを、カソードガス拡散層となるカーボンペーパー(商品名TGP−H−090、40mm×30mmの長方形)の一方の面にバーコータを用いて塗布し乾燥させ、カソード触媒層(厚さ80μm)を形成した。こうしてカソードを作製した。   Further, the cathode catalyst manufactured in the same manner as in Example 1, the Nafion solution DE2020 and the solvent (1-propanol, 2-propanol and glycerin), and the ratio of the cathode catalyst and the content of Nafion (weight ratio) is 74: 26 to prepare a cathode catalyst slurry. This cathode catalyst slurry was applied to one surface of carbon paper (trade name TGP-H-090, 40 mm × 30 mm rectangle) serving as a cathode gas diffusion layer using a bar coater and dried, and then the cathode catalyst layer (thickness 80 μm). ) Was formed. In this way, a cathode was produced.

次に、こうして得られたアノードおよびカソードを用いて、実施例1と同様にして図1に示す燃料電池を作製した。   Next, using the anode and the cathode thus obtained, a fuel cell shown in FIG. 1 was produced in the same manner as in Example 1.

実施例4
アノード触媒スラリーの調製において、低温型潜熱蓄熱材料の配合量を、最終的に形成されるアノード触媒層中に含有される潜熱蓄熱材料の吸熱量(蓄熱量)が500ジュールになるように調整した。それ以外は実施例3と同様にして、アノードを作製した。また、実施例3と同様にして、カソードを作製した。
Example 4
In the preparation of the anode catalyst slurry, the blending amount of the low-temperature type latent heat storage material was adjusted so that the heat absorption amount (heat storage amount) of the latent heat storage material contained in the finally formed anode catalyst layer was 500 joules. . Other than that was carried out similarly to Example 3, and produced the anode. Further, a cathode was produced in the same manner as in Example 3.

次に、こうして得られたアノードおよびカソードを用いて、実施例1と同様にして図1に示す燃料電池を作製した。   Next, using the anode and the cathode thus obtained, a fuel cell shown in FIG. 1 was produced in the same manner as in Example 1.

実施例5
実施例1と同様にして製造されたアノード触媒と、低温型潜熱蓄熱材料であるマイクロカプセルに封入されたノルマルパラフィン(商品名HSカプセル−P)(相転移温度40℃、吸熱量(蓄熱量)170ジュール/g)と、ナフィオン溶液DE2020および溶媒(1−プロパノール、2−プロパノールおよびグリセリン)を、アノード触媒とナフィオンの含有割合(重量割合)の比が37:63になるように混合し、アノード触媒スラリーを調製した。なお、低温型潜熱蓄熱材料の配合量は、最終的に形成されるアノード触媒層中に含有される潜熱蓄熱材料の吸熱量(蓄熱量)が150ジュールになるように調整した。得られたアノード触媒スラリーを、アノードガス拡散層となるカーボンペーパー(商品名TGP−H−120、40mm×30mmの長方形)の一方の面にバーコータを用いて塗布した後乾燥させ、アノード触媒層(厚さ200μm)を形成した。こうしてアノードを作製した。
Example 5
An anode catalyst produced in the same manner as in Example 1, and normal paraffin (trade name HS capsule-P) enclosed in microcapsules which are low-temperature latent heat storage materials (phase transition temperature 40 ° C., endothermic amount (heat storage amount)) 170 joules / g), Nafion solution DE2020 and solvent (1-propanol, 2-propanol and glycerin) were mixed so that the ratio of the anode catalyst to Nafion content (weight ratio) was 37:63, and the anode A catalyst slurry was prepared. The blending amount of the low-temperature latent heat storage material was adjusted so that the heat absorption amount (heat storage amount) of the latent heat storage material contained in the finally formed anode catalyst layer was 150 joules. The obtained anode catalyst slurry was applied to one side of a carbon paper (trade name TGP-H-120, 40 mm × 30 mm rectangle) serving as an anode gas diffusion layer using a bar coater, and then dried, and the anode catalyst layer ( A thickness of 200 μm) was formed. Thus, an anode was produced.

また、実施例1と同様にして製造されたカソード触媒と、低温型潜熱蓄熱材料であるマイクロカプセルに封入されたノルマルパラフィン(商品名HSカプセル−P)(相転移温度40℃、吸熱量(蓄熱量)170ジュール/g)と、ナフィオン溶液DE2020および溶媒(1−プロパノール、2−プロパノールおよびグリセリン)を、カソード触媒とナフィオンの含有割合(重量割合)の比が74:26になるように混合し、カソード触媒スラリーを調製した。なお、低温型潜熱蓄熱材料の配合量は、最終的に形成されるカソード触媒層中に含有される潜熱蓄熱材料の吸熱量(蓄熱量)が150ジュールになるように調整した。このカソード触媒スラリーを、カソードガス拡散層となるカーボンペーパー(商品名TGP−H−090、40mm×30mmの長方形)の一方の面にバーコータを用いて塗布し乾燥させ、カソード触媒層(厚さ80μm)を形成した。こうしてカソードを作製した。   In addition, the cathode catalyst produced in the same manner as in Example 1 and normal paraffin (trade name HS capsule-P) enclosed in microcapsules which are low-temperature latent heat storage materials (phase transition temperature 40 ° C., endothermic amount (heat storage) Amount) 170 joules / g), Nafion solution DE2020 and solvent (1-propanol, 2-propanol and glycerin) were mixed so that the ratio of the cathode catalyst to the content ratio (weight ratio) of Nafion was 74:26. A cathode catalyst slurry was prepared. The blending amount of the low-temperature latent heat storage material was adjusted so that the heat absorption amount (heat storage amount) of the latent heat storage material contained in the finally formed cathode catalyst layer was 150 joules. This cathode catalyst slurry was applied to one surface of carbon paper (trade name TGP-H-090, 40 mm × 30 mm rectangle) serving as a cathode gas diffusion layer using a bar coater and dried, and then the cathode catalyst layer (thickness 80 μm). ) Was formed. In this way, a cathode was produced.

次に、こうして得られたアノードおよびカソードを用いて、実施例1と同様にして図1に示す燃料電池を作製した。   Next, using the anode and the cathode thus obtained, a fuel cell shown in FIG. 1 was produced in the same manner as in Example 1.

比較例1
カソード触媒スラリーの調製において、低温型潜熱蓄熱材料を配合せず、カソード触媒とナフィオン溶液DE2020および溶媒(1−プロパノール、2−プロパノールおよびグリセリン)を混合した。それ以外は実施例1と同様にしてカソード触媒スラリーを調製し、このカソード触媒スラリーを用いてカソード触媒層を形成し、カソードを作製した。また、実施例1と同様にして、アノードガス拡散層上にアノード触媒層を形成し、アノードを作製した。
Comparative Example 1
In preparation of the cathode catalyst slurry, the low-temperature latent heat storage material was not blended, and the cathode catalyst, the Nafion solution DE2020, and the solvent (1-propanol, 2-propanol and glycerin) were mixed. Otherwise, a cathode catalyst slurry was prepared in the same manner as in Example 1, and a cathode catalyst layer was formed using this cathode catalyst slurry to produce a cathode. Further, in the same manner as in Example 1, an anode catalyst layer was formed on the anode gas diffusion layer to produce an anode.

次に、こうして得られたアノードおよびカソードを用いて、実施例1と同様にして図1に示す燃料電池を作製した。   Next, using the anode and the cathode thus obtained, a fuel cell shown in FIG. 1 was produced in the same manner as in Example 1.

比較例2
カソード触媒スラリーの調製において、低温型潜熱蓄熱材料の代わりに、燃料電池の運転温度以上の相転移温度を有する潜熱蓄熱材料(商品名HSカプセル−P)(相転移温度60℃、吸熱量(蓄熱量)170ジュール/g)を、最終的に形成されるカソード触媒層中に含有される潜熱蓄熱材料の吸熱量(蓄熱量)が500ジュールになるように配合した。それ以外は実施例1と同様にしてカソード触媒スラリーを調製し、このカソード触媒スラリーを用いてカソード触媒層を形成し、カソードを作製した。また、実施例1と同様にして、アノードガス拡散層上にアノード触媒層を形成し、アノードを作製した。
Comparative Example 2
In the preparation of the cathode catalyst slurry, instead of the low-temperature type latent heat storage material, a latent heat storage material having a phase transition temperature equal to or higher than the operating temperature of the fuel cell (trade name HS capsule-P) (phase transition temperature 60 ° C., endothermic amount (heat storage) Amount) 170 joules / g) was blended so that the heat absorption amount (heat accumulation amount) of the latent heat storage material contained in the finally formed cathode catalyst layer was 500 joules. Otherwise, a cathode catalyst slurry was prepared in the same manner as in Example 1, and a cathode catalyst layer was formed using this cathode catalyst slurry to produce a cathode. Further, in the same manner as in Example 1, an anode catalyst layer was formed on the anode gas diffusion layer to produce an anode.

こうして得られたアノードおよびカソードを用いて、実施例1と同様にして図1に示す燃料電池を作製した。   Using the anode and cathode thus obtained, a fuel cell shown in FIG. 1 was produced in the same manner as in Example 1.

次に、実施例1〜5および比較例1,2で得られた燃料電池の燃料収容部に純度99.99%のメタノールを供給した。そして、運転温度55℃−0.35V定電位で運転させ、2時間運転後の出力密度を測定した。ここで、燃料電池の出力密度(mW/cm)とは、電流密度に出力電圧を乗じたものである。また、運転停止後に1kHzの交流インピーダンスを測定し、面積抵抗率(Ω・cm)を求めた。結果を表1に示す。 Next, methanol having a purity of 99.99% was supplied to the fuel storage portions of the fuel cells obtained in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2. And it was made to drive | operate by the operating temperature 55 degreeC-0.35V constant potential, and the output density after a 2-hour driving | operation was measured. Here, the output density (mW / cm 2 ) of the fuel cell is obtained by multiplying the current density by the output voltage. Moreover, the AC impedance of 1 kHz was measured after the operation was stopped, and the sheet resistivity (Ω · cm 2 ) was obtained. The results are shown in Table 1.

Figure 2010073608
Figure 2010073608

表1の結果から、以下のことがわかった。すなわち、アノード触媒層および/またはカソード触媒層が、35℃より高くかつ燃料電池の運転温度(55℃)よりも低い相転移温度を有する低温型潜熱蓄熱材料を含むように構成された実施例1〜5の燃料電池では、いずれの触媒層も低温型潜熱蓄熱材料を含有しない比較例1の燃料電池に比べて、面積抵抗率が低下しており、出力密度が向上していた。また、カソード触媒層に低温型潜熱蓄熱材料を含有させた実施例1,2の燃料電池の方が、アノード触媒層にのみ低温型潜熱蓄熱材料を含有させた実施例3,4の燃料電池に比べて面積抵抗率が低くなっており、出力密度がより高くなっていた。さらに、アノード触媒層とカソード触媒層の両に低温型潜熱蓄熱材料を含有させた実施例5の燃料電池において、潜熱蓄熱材料の含有量に比して出力密度の向上効果が高くなっており、アノードとカソードの両側で低温型潜熱蓄熱材料を含有させることにより、少ない含有量で効率的に出力を向上できることがわかった。   From the results in Table 1, the following was found. That is, Example 1 in which the anode catalyst layer and / or the cathode catalyst layer includes a low-temperature latent heat storage material having a phase transition temperature higher than 35 ° C. and lower than a fuel cell operating temperature (55 ° C.). In the fuel cells of -5, the area resistivity was reduced and the output density was improved as compared with the fuel cell of Comparative Example 1 in which none of the catalyst layers contained a low-temperature latent heat storage material. Further, the fuel cells of Examples 1 and 2 in which the cathode catalyst layer contains the low-temperature latent heat storage material are the fuel cells of Examples 3 and 4 in which the low-temperature latent heat storage material is contained only in the anode catalyst layer. Compared with the area resistivity, the output density was higher. Further, in the fuel cell of Example 5 in which both the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer contain the low-temperature latent heat storage material, the effect of improving the output density is higher than the content of the latent heat storage material, It was found that the output can be improved efficiently with a small content by including a low-temperature latent heat storage material on both sides of the anode and the cathode.

さらに、カソード触媒層に、燃料電池の運転温度(55℃)よりも高い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料(相転移温度60℃)を含むように構成した比較例2の燃料電池では、潜熱蓄熱材料を含有しない比較例1の燃料電池に比べて、抵抗(面積抵抗率)の低下がほとんど見られず、カソード触媒層に触媒以外の異物となる材料を含有させていることになるので、比較例1の燃料電池よりもかえって出力密度が低下した。   Furthermore, in the fuel cell of Comparative Example 2 configured so that the cathode catalyst layer includes a latent heat storage material (phase transition temperature 60 ° C.) having a phase transition temperature higher than the operating temperature (55 ° C.) of the fuel cell, the latent heat storage Compared to the fuel cell of Comparative Example 1 containing no material, the resistance (area resistivity) is hardly reduced, and the cathode catalyst layer contains a material that becomes a foreign substance other than the catalyst. Compared with the fuel cell of Example 1, the power density was lowered.

なお、実施例1〜5の燃料電池において、電気抵抗(面積抵抗率)の低下および出力(出力密度)向上の効果は100時間以上継続するが、その後次第に抵抗が上昇し出力も低下した。しかし、再び燃料電池を起動し運転した時には、同様の効果が得られ、面積抵抗率が低下し出力密度が向上した。   In the fuel cells of Examples 1 to 5, the effects of lowering the electrical resistance (area resistivity) and improving the output (output density) continued for 100 hours or more, but thereafter the resistance gradually increased and the output also decreased. However, when the fuel cell was started and operated again, the same effect was obtained, and the sheet resistivity was lowered and the output density was improved.

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、燃料電池セルに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、すべてが液体燃料、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する等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。   The present invention can be applied to various fuel cells using liquid fuel. Further, the specific configuration of the fuel cell, the supply state of the fuel, etc. are not particularly limited. All of the fuel supplied to the fuel cell is liquid fuel vapor, all is liquid fuel, or part is liquid. The present invention can be applied to various forms such as liquid fuel vapor supplied in a state. In the implementation stage, the constituent elements can be modified and embodied without departing from the technical idea of the present invention. Furthermore, various modifications are possible, such as appropriately combining a plurality of components shown in the above embodiment, or deleting some components from all the components shown in the embodiment. Embodiments of the present invention can be expanded or modified within the scope of the technical idea of the present invention, and these expanded and modified embodiments are also included in the technical scope of the present invention.

本発明に係る燃料電池の一実施形態の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of one Embodiment of the fuel cell which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池、10…MEA、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…アノード導電層、19…カソード導電層、20…保湿層、21…表面カバー層、22…Oリング、30…燃料供給機構、31…燃料分配層、32…燃料供給部本体、33…燃料収容部、34…流路、35…ポンプ、36…燃料供給部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 10 ... MEA, 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 ... Anode conductive layer, 19 ... Cathode conductive layer, 20 ... Moisturizing layer, 21 ... Surface cover layer, 22 ... O-ring, 30 ... Fuel supply mechanism, 31 ... Fuel distribution layer, 32 ... Fuel supply Part main body, 33 ... fuel storage part, 34 ... flow path, 35 ... pump, 36 ... fuel supply part.

Claims (5)

燃料極(アノード)と、空気極(カソード)と、前記アノードと前記カソードとに挟持されたプロトン伝導性の電解質膜とを有する膜電極接合体と、前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構を備えた燃料電池であり、
前記アノードと該アノードより外側からなるアノード側および/または前記カソードと該カソードより外側からなるカソード側に、35℃より高くかつ運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする燃料電池。
A membrane electrode assembly having a fuel electrode (anode), an air electrode (cathode), a proton conductive electrolyte membrane sandwiched between the anode and the cathode, and a fuel supply mechanism for supplying fuel to the anode A fuel cell with
A layer containing a latent heat storage material having a phase transition temperature higher than 35 ° C. and lower than an operating temperature on the anode and the anode side outside the anode and / or the cathode and the cathode side outside the cathode. A fuel cell comprising:
燃料極(アノード)触媒層を有する燃料極(アノード)と、空気極(カソード)触媒層を有する空気極(カソード)と、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に挟持されたプロトン伝導性の電解質膜を有する膜電極接合体と、前記アノードより外側に配置され前記アノード触媒層に燃料を供給する燃料供給機構と、前記カソードより外側に配置された空気導入口を有する表面層と、前記表面層と前記カソードとの間に配置され、前記カソード触媒層で生成した水の蒸散を抑止する保湿層とを備えた燃料電池であり、
前記カソード触媒層、前記保湿層、前記表面層のうちの少なくとも一つが、35℃より高くかつ運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする燃料電池。
Proton conduction sandwiched between a fuel electrode (anode) having a fuel electrode (anode) catalyst layer, an air electrode (cathode) having an air electrode (cathode) catalyst layer, and the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer A membrane electrode assembly having a conductive electrolyte membrane, a fuel supply mechanism that is disposed outside the anode and supplies fuel to the anode catalyst layer, and a surface layer having an air inlet disposed outside the cathode, A fuel cell comprising a moisturizing layer that is disposed between the surface layer and the cathode and suppresses the transpiration of water generated in the cathode catalyst layer;
At least one of the cathode catalyst layer, the moisturizing layer, and the surface layer contains a latent heat storage material having a phase transition temperature higher than 35 ° C. and lower than an operating temperature, or contains the latent heat storage material. A fuel cell comprising a layer.
燃料極(アノード)触媒層を有する燃料極(アノード)と、空気極(カソード)触媒層を有する空気極(カソード)と、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に挟持されたプロトン伝導性の電解質膜を有する膜電極接合体と、前記アノードより外側に配置され前記アノード触媒層に燃料を供給する燃料供給機構と、前記カソードより外側に配置された空気導入口を有する表面層と、前記表面層と前記カソードとの間に配置され、前記カソード触媒層で生成した水の蒸散を抑止する保湿層とを備えた燃料電池であり、
前記アノード触媒層と前記燃料供給機構を構成する部材の少なくとも一つが、35℃より高くかつ運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする燃料電池。
Proton conduction sandwiched between a fuel electrode (anode) having a fuel electrode (anode) catalyst layer, an air electrode (cathode) having an air electrode (cathode) catalyst layer, and the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer A membrane electrode assembly having a conductive electrolyte membrane, a fuel supply mechanism that is disposed outside the anode and supplies fuel to the anode catalyst layer, and a surface layer having an air inlet disposed outside the cathode, A fuel cell comprising a moisturizing layer that is disposed between the surface layer and the cathode and suppresses the transpiration of water generated in the cathode catalyst layer;
At least one of the anode catalyst layer and the member constituting the fuel supply mechanism contains a latent heat storage material having a phase transition temperature higher than 35 ° C. and lower than an operating temperature, or a layer containing the latent heat storage material A fuel cell comprising:
燃料極(アノード)触媒層を有する燃料極(アノード)と、空気極(カソード)触媒層を有する空気極(カソード)と、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に挟持されたプロトン伝導性の電解質膜を有する膜電極接合体と、前記アノードより外側に配置され前記アノード触媒層に燃料を供給する燃料供給機構と、前記カソードより外側に配置された空気導入口を有する表面層と、前記表面層と前記カソードとの間に配置され、前記カソード触媒層で生成した水の蒸散を抑止する保湿層とを備えた燃料電池であり、
前記カソード触媒層、前記保湿層、前記表面層のうちの少なくとも一つが、35℃より高く運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有し、かつ
前記アノード触媒層と前記燃料供給機構を構成する部材の少なくとも一つが、前記相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする燃料電池。
Proton conduction sandwiched between a fuel electrode (anode) having a fuel electrode (anode) catalyst layer, an air electrode (cathode) having an air electrode (cathode) catalyst layer, and the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer A membrane electrode assembly having a conductive electrolyte membrane, a fuel supply mechanism that is disposed outside the anode and supplies fuel to the anode catalyst layer, and a surface layer having an air inlet disposed outside the cathode, A fuel cell comprising a moisturizing layer that is disposed between the surface layer and the cathode and suppresses the transpiration of water generated in the cathode catalyst layer;
At least one of the cathode catalyst layer, the moisturizing layer and the surface layer contains a latent heat storage material having a phase transition temperature higher than 35 ° C. and lower than an operating temperature, or a layer containing the latent heat storage material And at least one of the members constituting the anode catalyst layer and the fuel supply mechanism contains a latent heat storage material having the phase transition temperature, or has a layer containing the latent heat storage material. A fuel cell.
前記燃料における燃料成分の濃度が60wt%以上であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein a concentration of a fuel component in the fuel is 60 wt% or more.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023277067A1 (en) * 2021-07-01 2023-01-05 日東電工株式会社 Fuel cell, formate production method, and power generation method

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