JP2010097928A - Fuel cell - Google Patents

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元太 大道
Yuichi Sato
雄一 佐藤
Daisuke Watanabe
大介 渡邉
Jun Monma
旬 門馬
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a direct methanol type fuel cell, which allows stabilization of output and an extended life by promoting heat release. <P>SOLUTION: The fuel cell is provided with: a membrane electrode assembly 2 having an electrolyte membrane 17, a plurality of fuel electrodes 13 which are arranged at intervals on one surface of the electrolyte membrane, and a plurality of air electrodes 16 which are arranged at intervals on the other surface of the electrolyte membrane so as to face each of the fuel electrodes; and a heat conductor 40 which is arranged on at least either of the surface of the plurality of air electrodes 16 of the membrane electrode assembly 2 on the opposite side of the fuel cell to the electrode membrane side 17 and the surface of the plurality of fuel electrodes 13 on the opposite side of the fuel cell to the electrode membrane side 17. <P>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.

高温で作動する燃料電池において、燃料電池を収納する機器の筐体が高温になることを防止する目的で、燃料電池を覆う断熱体の外表面を伝熱体で覆う技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。   In a fuel cell that operates at a high temperature, a technique is disclosed in which the outer surface of a heat insulator that covers the fuel cell is covered with a heat transfer body in order to prevent the casing of a device that houses the fuel cell from becoming high temperature ( For example, see Patent Document 1).

一方で、燃料電池セパレータなどの用途に好適な高い熱伝導性を有する熱伝導性成形体が開示されている(例えば、特許文献2参照)。特に、この熱伝導性成形体によれば、熱伝導率の異方性により電気・電子機器用の筐体、部材とした場合に、筐体の放熱設計などにおいて有用であることが開示されている。   On the other hand, a thermally conductive molded article having high thermal conductivity suitable for uses such as a fuel cell separator has been disclosed (for example, see Patent Document 2). In particular, according to this thermally conductive molded body, it is disclosed that it is useful in a heat dissipation design of a housing when it is used as a housing or member for an electric / electronic device due to anisotropy of thermal conductivity. Yes.

単位電池を複数個積層して積層体を形成してなる燃料電池において、温度分布を均一化する目的で、平面方向の熱伝導率が積層方向の熱伝導率よりも大きいガス分離板と単位電池とを交互に積層して、上下端部に冷却板を配置した構成が開示されている(例えば、特許文献3参照)。   In a fuel cell formed by laminating a plurality of unit cells to form a laminate, a gas separation plate and a unit cell whose thermal conductivity in the planar direction is larger than the thermal conductivity in the laminating direction for the purpose of uniform temperature distribution Are alternately stacked, and a cooling plate is disposed on the upper and lower ends (for example, see Patent Document 3).

特開2006−202611号公報JP 2006-202611 A 特開2006−49878号公報JP 2006-49878 A 特開平9−289026号公報JP-A-9-289026

燃料電池として、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(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。   As a fuel cell, for example, a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol as a fuel can be miniaturized and can be easily handled as a power source for portable electronic devices. Promising.

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。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(Membrane Electrode Assembly:MEA)を備えて構成されている。   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. Among these, a passive system such as an internal vaporization type is advantageous for downsizing of the DMFC. The passive DMFC includes a membrane electrode assembly (MEA) having a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode, for example.

このような膜電極接合体の面内において、意図しない温度ばらつきが生じることがある。特に、膜電極接合体の周辺部では比較的放熱が促進されるのに対して、中央部では熱が逃げにくく、周辺部と中央部とで大きな温度差が生じやすくなる。また、このような温度差に伴って飽和水蒸気圧差も生じ、膜電極接合体において発電反応に必要な物質の授受が阻害され、結果として、出力の低下や不安定化を招くおそれがある。   An unintended temperature variation may occur in the surface of such a membrane electrode assembly. In particular, heat dissipation is relatively promoted in the peripheral part of the membrane electrode assembly, whereas heat is difficult to escape in the central part, and a large temperature difference tends to occur between the peripheral part and the central part. In addition, a saturated water vapor pressure difference also occurs with such a temperature difference, and the transfer of substances necessary for the power generation reaction in the membrane electrode assembly is hindered. As a result, there is a possibility that the output is reduced or unstable.

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、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に間隔をおいて配置された複数の燃料極と、前記電解質膜の他方の面に前記燃料極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空気極と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記複数の空気極の前記電解質膜側とは反対の面側及び前記複数の燃料極の前記電解質膜側とは反対の面側の少なくとも一方に配置された熱伝導体と、
を具備することを特徴とする。
A fuel cell according to an aspect of the present invention includes:
An electrolyte membrane, a plurality of fuel electrodes arranged on one surface of the electrolyte membrane with a space, and a space on the other surface of the electrolyte membrane so as to face each of the fuel electrodes. A membrane electrode assembly having a plurality of air electrodes;
A heat conductor disposed on at least one of a surface side of the plurality of air electrodes opposite to the electrolyte membrane side of the membrane electrode assembly and a surface side of the plurality of fuel electrodes opposite to the electrolyte membrane side; ,
It is characterized by comprising.

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.

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おける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 cross section of a part of the structure of the membrane electrode assembly in 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1に示した燃料電池に適用可能な膜電極接合体及び熱伝導体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 structures of a membrane electrode assembly and a heat conductor applicable to the fuel cell shown in FIG. 図5は、図1に示した燃料電池に適用可能な膜電極接合体及び熱伝導体の他の構造を概略的に示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing another structure of the membrane electrode assembly and the heat conductor applicable to the fuel cell shown in FIG. 図6は、図1に示した燃料電池に適用可能な膜電極接合体及び熱伝導体の他の構造を概略的に示す断面図である。6 is a cross-sectional view schematically showing another structure of the membrane electrode assembly and the heat conductor applicable to the fuel cell shown in FIG. 図7は、図1に示した燃料電池に適用可能な膜電極接合体及び熱伝導体の他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 another structure of the membrane electrode assembly and the heat conductor applicable to the fuel cell shown in FIG. 図8は、膜電極接合体における面内の温度分布の一例を説明するための図である。FIG. 8 is a diagram for explaining an example of the in-plane temperature distribution in the membrane electrode assembly. 図9は、熱伝導体の熱伝導率比に対する膜電極接合体の面内の温度分布を測定した結果を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the results of measuring the in-plane temperature distribution of the membrane electrode assembly relative to the thermal conductivity ratio of the thermal conductor. 図10は、熱伝導体の厚みに対する膜電極接合体の面内の温度分布を測定した結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the results of measuring the in-plane temperature distribution of the membrane electrode assembly relative to the thickness of the heat conductor. 図11は、実施例5に係る燃料電池の構成を概略的に示す図である。FIG. 11 is a diagram schematically illustrating the configuration of the fuel cell according to the fifth embodiment. 図12は、実施例1乃至5及び比較例1における性能評価の測定結果(平均出力及び平均温度)を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing measurement results (average output and average temperature) of performance evaluation in Examples 1 to 5 and Comparative Example 1. 図13は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。FIG. 13 is a diagram for explaining variations of the heat conductors combined with the membrane electrode assembly in the fuel cell of the present embodiment. 図14は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。FIG. 14 is a view for explaining variations of the heat conductors combined with the membrane electrode assembly in the fuel cell of the present embodiment. 図15は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。FIG. 15 is a view for explaining a variation of the heat conductor combined with the membrane electrode assembly in the fuel cell of the present embodiment. 図16は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。FIG. 16 is a diagram for explaining a variation of the heat conductor combined with the membrane electrode assembly in the fuel cell of the present embodiment. 図17は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。FIG. 17 is a diagram for explaining a variation of the heat conductor combined with the membrane electrode assembly in the fuel cell of the present embodiment. 図18は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。FIG. 18 is a diagram for explaining a variation of the heat conductor combined with the membrane electrode assembly in the fuel cell of the present embodiment. 図19は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。FIG. 19 is a diagram for explaining a variation of the heat conductor combined with the membrane electrode assembly in the fuel cell of the present embodiment. 図20は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。FIG. 20 is a diagram for explaining variations of the heat conductors combined with the membrane electrode assembly in the fuel cell of the present embodiment. 図21は、膜電極接合体の形状と熱伝導体の熱伝導性との関係を説明するための図である。FIG. 21 is a diagram for explaining the relationship between the shape of the membrane electrode assembly and the thermal conductivity of the thermal conductor. 図22は、実施例6乃至8及び比較例2における性能評価の測定結果(出力密度及び温度差)を示す図である。FIG. 22 is a diagram showing measurement results (power density and temperature difference) of performance evaluation in Examples 6 to 8 and Comparative Example 2.

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.

このような膜電極接合体2は、集電体18によって挟持されている。すなわち、集電体18は、膜電極接合体2のアノード13の側に配置されたアノード集電体18A及び膜電極接合体2のカソード16の側に配置されたカソード集電体18Cを有している。アノード集電体18Aは、アノードガス拡散層12に重なっている。カソード集電体18Cは、カソードガス拡散層15に重なっている。これらのアノード集電体18A及びカソード集電体18Cは、図示しない開口を有している。   Such a membrane electrode assembly 2 is sandwiched between current collectors 18. That is, the current collector 18 has an anode current collector 18A disposed on the anode 13 side of the membrane electrode assembly 2 and a cathode current collector 18C disposed on the cathode 16 side of the membrane electrode assembly 2. ing. The anode current collector 18A overlaps the anode gas diffusion layer 12. The cathode current collector 18C overlaps the cathode gas diffusion layer 15. The anode current collector 18A and the cathode current collector 18C have an opening (not shown).

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、さらには、グラファイト(黒鉛)等の炭素質材料などをそれぞれ使用することができる。   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 stainless steel (SUS) or the like is used. A composite material in which a conductive metal material is coated with a good conductive metal such as gold, and a carbonaceous material such as graphite (graphite) can be used.

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いる。すなわち、シール部材19は、電解質膜17とアノード集電体18Aとの間、及び、電解質膜17とカソード集電体18Cとの間にそれぞれ配置されており、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。なお、膜電極接合体2において、電解質膜17のうち、アノード触媒層11及びカソード触媒層14にともに接しておらず、かつシール部材19によって囲まれた内側に相当する位置に、1個乃至複数個のガス排出孔(図示せず)を設けても良い。   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. That is, the seal member 19 is disposed between the electrolyte membrane 17 and the anode current collector 18A and between the electrolyte membrane 17 and the cathode current collector 18C. Fuel leakage and oxidant leakage are prevented. In the membrane electrode assembly 2, one or more electrolyte membranes 17 are not in contact with the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 and at positions corresponding to the inside surrounded by the seal member 19. Individual gas discharge holes (not shown) may be provided.

膜電極接合体2のカソード16の側において、集電体18とカバープレート21との間には、通気性を有する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、カソード集電体18Cの上に配置され、カソード触媒層14で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制するとともに、カソード触媒層14への空気の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。   On the cathode 16 side of the membrane electrode assembly 2, a plate-like body 20 made of a breathable insulating material is disposed between the current collector 18 and the cover plate 21. This plate-like body 20 mainly functions as a moisture retaining layer. That is, the plate-like body 20 is disposed on the cathode current collector 18C, impregnated with a part of the water generated in the cathode catalyst layer 14 to suppress water evaporation, and to the cathode catalyst layer 14 It adjusts the amount of air taken in and promotes uniform air diffusion. 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、板状体20の上に配置されている。このカバープレート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 is disposed on the plate-like body 20. 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.

カソード集電体18Cと板状体20との間には、後述する熱伝導体40が配置されている。また、図1に示したように、熱伝導体40とカソード集電体18Cとの間には、絶縁体50が配置されることが望ましい。   Between the cathode current collector 18C and the plate-like body 20, a heat conductor 40 described later is disposed. Further, as shown in FIG. 1, it is desirable that an insulator 50 be disposed between the heat conductor 40 and the cathode current collector 18C.

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、複数、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 </ b> A of the container 30. As a result, the fuel inlet 32 of the fuel distribution plate 31 </ b> A is connected to the fuel storage portion 4 via the flow path 5. There are a plurality of, for example, 128 fuel discharge ports 33, which discharge liquid fuel or vaporized components thereof.

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.

このような燃料分配板31Aは、液体燃料の気化成分や液体燃料を透過させない材料で形成され、具体的には、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂、ポリエチレンナフタレート(PEN)樹脂、ポリイミド系樹脂等で形成される。また、燃料分配板31Aは、例えば、液体燃料の気化成分と液体燃料とを分離し、その気化成分を膜電極接合体2の側へ透過させる気液分離膜で構成されてもよい。気液分離膜には、例えば、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン(LDPE)薄膜、ポリ塩化ビニル(PVC)薄膜、ポリエチレンテレフタレート(PET)薄膜、フッ素樹脂(たとえばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)など)微多孔膜などが適用可能である。   Such a fuel distribution plate 31A is formed of a material that does not allow vaporized components of liquid fuel or liquid fuel to permeate. Specifically, for example, polyethylene terephthalate (PET) resin, polyethylene naphthalate (PEN) resin, polyimide resin Etc. are formed. In addition, the fuel distribution plate 31A may be configured by, for example, a gas-liquid separation membrane that separates the vaporized component of the liquid fuel from the liquid fuel and transmits the vaporized component to the membrane electrode assembly 2 side. Examples of the gas-liquid separation membrane include silicone rubber, low density polyethylene (LDPE) thin film, polyvinyl chloride (PVC) thin film, polyethylene terephthalate (PET) thin film, fluororesin (for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene). -Perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA) etc.) A microporous film etc. are applicable.

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、ネジ止め、リベット継手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, screwing, or rivet joint while 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> 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.

燃料収容部4に収容された液体燃料は、重力を利用して流路5を介して燃料供給部31で落下させて送液することができる。また、流路5に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料収容部4に収容された液体燃料を燃料供給部31まで送液してもよい。   The liquid fuel accommodated in the fuel accommodating part 4 can be dropped and fed by the fuel supply part 31 via the flow path 5 using gravity. Alternatively, the flow path 5 may be filled with a porous body or the like, and the liquid fuel stored in the fuel storage unit 4 may be fed to the fuel supply unit 31 by capillary action.

流路5は、配管などで構成されているが、燃料供給部31や燃料収容部4と独立した配管に限られるものではない。例えば、流路5は、燃料供給部31や燃料収容部4を積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の燃料流路であってもよい。すなわち、燃料供給部31は、種々の形態の燃料流路等を介して燃料収容部4と連通されていればよい。   The flow path 5 is configured by a pipe or the like, but is not limited to a pipe independent of the fuel supply unit 31 and the fuel storage unit 4. For example, when the fuel supply unit 31 and the fuel storage unit 4 are stacked and integrated, the channel 5 may be a liquid fuel fuel channel that connects them. That is, the fuel supply unit 31 only needs to communicate with the fuel storage unit 4 via various types of fuel flow paths and the like.

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.

上述した燃料電池1においては、燃料収容部4から流路5を介して燃料供給部31に導入された液体燃料は、液体燃料のまま、もしくは液体燃料と液体燃料が気化した気化成分とが混在する状態で、燃料供給部31の燃料排出口33から集電体18のアノード集電体18Aを介して膜電極接合体2のアノード13に供給される。   In the fuel cell 1 described above, the liquid fuel introduced into the fuel supply unit 31 from the fuel storage unit 4 via the flow path 5 remains as a liquid fuel or a mixture of vaporized components obtained by vaporizing the liquid fuel and the liquid fuel. In this state, the fuel is supplied from the fuel discharge port 33 of the fuel supply unit 31 to the anode 13 of the membrane electrode assembly 2 through the anode current collector 18A of the current collector 18.

アノード13に供給された燃料は、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。   The fuel supplied to the anode 13 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), or 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18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18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)
The electrons (e ) generated by this reaction are guided to the outside via the current collector 18, and after operating a portable electronic device or the like as so-called electricity, the electrons (e ) are passed to the cathode 16 via the current collector 18. Led. 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、図2及び図3に示すように、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。   By the way, in this embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, the membrane electrode assembly 2 includes a plurality of anodes 13 arranged at intervals on one surface 17 </ b> A of a single electrolyte membrane 17. And a plurality of cathodes 16 arranged at intervals so as to face each of the anodes 13 on the other surface 17C of the electrolyte membrane 17. Here, a case where there are four anodes 13 and four cathodes 16 is shown.

これらのアノード13とカソード16との各組み合わせは、それぞれ電解質膜17を挟持し、単セルCをなしている。複数の単セルCは、略同等のサイズであるとともに略同一の形状である。つまり、単セルCを構成するアノード13の各々も略同等のサイズであるとともに略同一の形状であり、しかも、単セルCを構成するカソード16の各々も略同等のサイズであるとともに略同一の形状である。ここでは、単セルCの各々は、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、ここに示した例に限らず他の構造であっても良い。   Each combination of the anode 13 and the cathode 16 sandwiches the electrolyte membrane 17 to form a single cell C. The plurality of single cells C have substantially the same size and substantially the same shape. That is, each of the anodes 13 constituting the single cell C is also substantially the same size and substantially the same shape, and each of the cathodes 16 constituting the single cell C is also substantially the same size and substantially the same. Shape. Here, the single cells C are arranged side by side in the direction perpendicular to the longitudinal direction on the same plane. The structure of the membrane electrode assembly 2 is not limited to the example shown here, and may be another structure.

ここで示した各単セルCは、第1方向Xに平行な長辺を有するとともに第1方向Xに直交する第2方向Yに平行な短辺を有する略長方形状に形成されている。つまり、単セルCの長手方向は、第1方向Xに相当する。また、各単セルCを構成するアノード13及びカソード16についても、第1方向Xに平行な長辺を有するとともに第2方向Yに平行な短辺を有する略長方形状に形成されている。   Each single cell C shown here is formed in a substantially rectangular shape having a long side parallel to the first direction X and a short side parallel to the second direction Y orthogonal to the first direction X. That is, the longitudinal direction of the single cell C corresponds to the first direction X. Further, the anode 13 and the cathode 16 constituting each single cell C are also formed in a substantially rectangular shape having a long side parallel to the first direction X and a short side parallel to the second direction Y.

複数の単セルCの並び方向は、それぞれの単セルCの長手方向すなわち第1方向Xに直交する第2方向Yと平行である。つまり、複数のアノード13の並び方向は第2方向Yであり、また、複数のカソード16の並び方向は第2方向Yである。   The arrangement direction of the plurality of unit cells C is parallel to the longitudinal direction of each unit cell C, that is, the second direction Y orthogonal to the first direction X. That is, the arrangement direction of the plurality of anodes 13 is the second direction Y, and the arrangement direction of the plurality of cathodes 16 is the second direction Y.

膜電極接合体2の外形については、略長方形状に形成されていても良いし、略正方形状に形成されていても良い。   About the external shape of the membrane electrode assembly 2, it may be formed in the substantially rectangular shape, and may be formed in the substantially square shape.

図2及び図3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、図示しない集電体によって電気的に直列に接続されている。すなわち、図2などに示した膜電極接合体2に対応するために、集電体は、それぞれ4個のアノード集電体及びカソード集電体を有している。アノード集電体のそれぞれは、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。   In the membrane electrode assembly 2 having a plurality of single cells C as shown in FIGS. 2 and 3, each single cell C is electrically connected in series by a current collector (not shown). That is, in order to correspond to the membrane electrode assembly 2 shown in FIG. 2 and the like, each current collector has four anode current collectors and cathode current collectors. Each of the anode current collectors is stacked on the anode gas diffusion layer 12 in each single cell C. Each of the cathode current collectors is stacked on the cathode gas diffusion layer 15 in each single cell C.

次に、熱伝導体40についてより詳細に説明する。   Next, the heat conductor 40 will be described in more detail.

図4は、膜電極接合体2及び熱伝導体40の構造を概略的に示す断面図である。なお、図4においては、説明に必要な主要部のみを模式的に図示しており、熱伝導体40とカソード集電体18Cとの間の絶縁体50は省略している。   FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing structures of the membrane electrode assembly 2 and the heat conductor 40. In FIG. 4, only the main part necessary for the description is schematically shown, and the insulator 50 between the heat conductor 40 and the cathode current collector 18C is omitted.

より具体的には、熱伝導体40は、膜電極接合体2のサイズ(例えば、電解質膜17の外形寸法に対応)と同等に形成され、各単セルCのカソード16と対向するように配置されている。つまり、単一の熱伝導体40は、各カソード16と対向するとともに隣り合うカソード16の間の空間部SPの直上にも位置している。換言すると、熱伝導体40は、隣り合う複数のカソード16に跨って配置されている。   More specifically, the heat conductor 40 is formed to be equivalent to the size of the membrane electrode assembly 2 (for example, corresponding to the outer dimensions of the electrolyte membrane 17), and is disposed so as to face the cathode 16 of each single cell C. Has been. That is, the single heat conductor 40 is located directly above the space SP between the adjacent cathodes 16 while facing the respective cathodes 16. In other words, the heat conductor 40 is disposed across a plurality of adjacent cathodes 16.

このような熱伝導体40と膜電極接合体2との間、より具体的には、熱伝導体40とカソード16のカソードガス拡散層15との間には、カソード集電体18Cが配置されている。換言すると、ここに示した熱伝導体40は、カソード集電体18Cと図示しないカバープレート21との間に配置されている。   A cathode current collector 18C is disposed between the heat conductor 40 and the membrane electrode assembly 2, more specifically, between the heat conductor 40 and the cathode gas diffusion layer 15 of the cathode 16. ing. In other words, the heat conductor 40 shown here is disposed between the cathode current collector 18C and the cover plate 21 (not shown).

このような熱伝導体40やカソード集電体18Cは、膜電極接合体2に対してカソード側に配置されるが、これらが通気性を有しているため、発電反応に必要な各カソード16への空気あるいは酸素の導入、さらには、各カソード16から外部への水蒸気などの気体の排出を阻害することはない。   Such a heat conductor 40 and cathode current collector 18C are arranged on the cathode side with respect to the membrane electrode assembly 2, but since these have air permeability, each cathode 16 necessary for the power generation reaction. It does not hinder the introduction of air or oxygen into the gas, and the discharge of gas such as water vapor from each cathode 16 to the outside.

このような構成の熱伝導体40は、熱移動を可能とするバイパスとして機能する。このため、熱伝導体40は、膜電極接合体2のカソード16の側において高温部から低温部への熱の移動を促進することが可能となる。すなわち、ある一つの単セルCを構成するカソード16の高温部の熱は、熱伝導体40を介して、同一の単セルCにおけるカソード16における低温部へと移動可能となるとともに、隣り合う他の単セルCを構成する比較的低温のカソード16へと移動可能となる。当然のことながら、比較的高温の空間部SPの熱も熱伝導体40を介して低温部へと移動可能となる。   The heat conductor 40 having such a configuration functions as a bypass that enables heat transfer. For this reason, the heat conductor 40 can promote the movement of heat from the high temperature portion to the low temperature portion on the cathode 16 side of the membrane electrode assembly 2. That is, the heat of the high temperature part of the cathode 16 constituting one single cell C can be transferred to the low temperature part of the cathode 16 in the same single cell C via the heat conductor 40 and the other adjacent ones. It becomes possible to move to the relatively low temperature cathode 16 constituting the single cell C. As a matter of course, the heat of the space part SP having a relatively high temperature can be transferred to the low temperature part via the heat conductor 40.

したがって、膜電極接合体2の面内における温度差を低減することができ、温度分布の均一化を図ることが可能となる。また、間隔をおいて並列配置された単セルCの間(より具体的には、隣り合うカソード16の間)が空気などによって電気的に絶縁されるとともに熱的にも断熱されたとしても、複数の単セルCに跨って配置された熱伝導体40による熱移動の促進作用により、膜電極接合体2の面内における温度差を低減することができる。   Therefore, the temperature difference in the surface of the membrane electrode assembly 2 can be reduced, and the temperature distribution can be made uniform. Moreover, even if the space between the single cells C arranged in parallel at intervals (more specifically, between the adjacent cathodes 16) is electrically insulated by air or the like and thermally insulated, The temperature difference in the surface of the membrane electrode assembly 2 can be reduced by the heat transfer promoting action by the heat conductor 40 disposed across the plurality of single cells C.

図1及び図4に示した例では、熱伝導体40が膜電極接合体2のカソード16の側に配置された場合について説明したが、熱伝導体40が膜電極接合体2のアノード13の側に配置されても良い。   In the example shown in FIGS. 1 and 4, the case where the thermal conductor 40 is disposed on the cathode 16 side of the membrane electrode assembly 2 has been described. However, the thermal conductor 40 is not the anode 13 of the membrane electrode assembly 2. It may be arranged on the side.

図5は、膜電極接合体及び熱伝導体の他の構造を概略的に示す断面図である。なお、図5においては、説明に必要な主要部のみを模式的に図示しており、熱伝導体40とアノード集電体18Aとの間の絶縁体50は省略している。   FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing another structure of the membrane electrode assembly and the heat conductor. In FIG. 5, only the main part necessary for the description is schematically shown, and the insulator 50 between the heat conductor 40 and the anode current collector 18A is omitted.

より具体的には、熱伝導体40は、膜電極接合体2のサイズ(例えば、電解質膜17の外形寸法に対応)と同等に形成され、各単セルCのアノード13と対向するように配置されている。つまり、単一の熱伝導体40は、各アノード13と対向するとともに隣り合うアノード13の間の空間部SPの直上にも位置している。換言すると、熱伝導体40は、隣り合う複数のアノード13に跨って配置されている。   More specifically, the heat conductor 40 is formed to be equivalent to the size of the membrane electrode assembly 2 (for example, corresponding to the outer dimensions of the electrolyte membrane 17), and is disposed so as to face the anode 13 of each single cell C. Has been. That is, the single heat conductor 40 is located directly above the space SP between the adjacent anodes 13 while facing the respective anodes 13. In other words, the heat conductor 40 is disposed across a plurality of adjacent anodes 13.

このような熱伝導体40と膜電極接合体2との間、より具体的には、熱伝導体40とアノード13のアノードガス拡散層12との間には、アノード集電体18Aが配置されている。換言すると、ここに示した熱伝導体40は、アノード集電体18Aと図示しない燃料供給機構3との間に配置されている。このような熱伝導体40やアノード集電体18Aは、膜電極接合体2に対してアノード側に配置されるが、これらが通気性を有しているため、発電反応に必要な各アノード13への燃料ガスの導入を阻害することはない。   An anode current collector 18A is disposed between the heat conductor 40 and the membrane electrode assembly 2, more specifically, between the heat conductor 40 and the anode gas diffusion layer 12 of the anode 13. ing. In other words, the heat conductor 40 shown here is disposed between the anode current collector 18A and the fuel supply mechanism 3 (not shown). Such a heat conductor 40 and anode current collector 18A are arranged on the anode side with respect to the membrane electrode assembly 2, but since these have air permeability, each anode 13 necessary for the power generation reaction is provided. There is no hindrance to the introduction of fuel gas.

このような構成の熱伝導体40は、熱移動を可能とするバイパスとして機能する。このため、熱伝導体40は、膜電極接合体2のアノード13の側において高温部から低温部への熱の移動を促進することが可能となる。すなわち、ある一つの単セルCを構成するアノード13の高温部の熱は、熱伝導体40を介して、同一の単セルCにおけるアノード13における低温部へと移動可能となるとともに、隣り合う他の単セルCを構成する比較的低温のアノード13へと移動可能となる。当然のことながら、比較的高温の空間部SPの熱も熱伝導体40を介して低温部へと移動可能となる。   The heat conductor 40 having such a configuration functions as a bypass that enables heat transfer. For this reason, the heat conductor 40 can promote the movement of heat from the high temperature portion to the low temperature portion on the anode 13 side of the membrane electrode assembly 2. That is, the heat of the high temperature portion of the anode 13 constituting one single cell C can be transferred to the low temperature portion of the anode 13 in the same single cell C via the heat conductor 40 and the other adjacent ones. It becomes possible to move to the relatively low temperature anode 13 constituting the single cell C. As a matter of course, the heat of the space part SP having a relatively high temperature can be transferred to the low temperature part via the heat conductor 40.

したがって、膜電極接合体2の面内における温度差を低減することができ、温度分布の均一化を図ることが可能となる。また、間隔をおいて並列配置された単セルCの間(より具体的には、隣り合うアノード13の間)が空気などによって電気的に絶縁されるとともに熱的にも断熱されたとしても、複数の単セルCに跨って配置された熱伝導体40による熱移動の促進作用により、膜電極接合体2の面内における温度差を低減することができる。   Therefore, the temperature difference in the surface of the membrane electrode assembly 2 can be reduced, and the temperature distribution can be made uniform. Further, even if the space between the single cells C arranged in parallel at intervals (more specifically, between the adjacent anodes 13) is electrically insulated by air or the like and thermally insulated, The temperature difference in the surface of the membrane electrode assembly 2 can be reduced by the heat transfer promoting action by the heat conductor 40 disposed across the plurality of single cells C.

上述した例では、熱伝導体40が膜電極接合体2のカソード16の側のみに配置された場合、及び、熱伝導体40が膜電極接合体2のアノード13の側のみに配置された場合について説明したが、熱伝導体40は、膜電極接合体2のアノード13の側及びカソード16の側の両方に配置されても良い。   In the example described above, the thermal conductor 40 is disposed only on the cathode 16 side of the membrane electrode assembly 2 and the thermal conductor 40 is disposed only on the anode 13 side of the membrane electrode assembly 2. However, the heat conductor 40 may be disposed on both the anode 13 side and the cathode 16 side of the membrane electrode assembly 2.

図6は、膜電極接合体及び熱伝導体の他の構造を概略的に示す断面図である。なお、図6においては、説明に必要な主要部のみを模式的に図示しており、熱伝導体40とアノード集電体18Aとの間の絶縁体50、及び、熱伝導体40とカソード集電体18Cとの間の絶縁体50は省略している。   FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing another structure of the membrane electrode assembly and the heat conductor. In FIG. 6, only the main part necessary for the explanation is schematically shown, and the insulator 50 between the heat conductor 40 and the anode current collector 18A, and the heat conductor 40 and the cathode current collector are shown. The insulator 50 between the electric body 18C is omitted.

より具体的には、熱伝導体40は、膜電極接合体2のサイズ(例えば、電解質膜17の外形寸法に対応)と同等に形成され、各単セルCのアノード13及びカソード16とそれぞれ対向するように配置されている。つまり、単一の熱伝導体40は、各アノード13と対向するとともに隣り合うアノード13の間の空間部SPの直上にも位置している。また、単一の熱伝導体40は、各カソード16と対向するとともに隣り合うカソード16の間の空間部SPの直上にも位置している。   More specifically, the heat conductor 40 is formed to be equivalent to the size of the membrane electrode assembly 2 (for example, corresponding to the outer dimensions of the electrolyte membrane 17), and faces the anode 13 and the cathode 16 of each single cell C, respectively. Are arranged to be. That is, the single heat conductor 40 is located directly above the space SP between the adjacent anodes 13 while facing the respective anodes 13. In addition, the single heat conductor 40 is located directly above the space SP between the cathodes 16 facing each cathode 16 and adjacent to each other.

このような構成においては、図4に示した例及び図5に示した例の両方の効果が同時に得られる。   In such a configuration, the effects of both the example shown in FIG. 4 and the example shown in FIG. 5 can be obtained simultaneously.

このように、熱伝導体40は、膜電極接合体2の複数のカソード16の電解質膜17側とは反対の面側及び複数のアノード13の電解質膜17側とは反対の面側の少なくとも一方に配置されていれば良い。   Thus, the heat conductor 40 is at least one of the surface of the membrane electrode assembly 2 opposite to the electrolyte membrane 17 side of the plurality of cathodes 16 and the surface of the plurality of anodes 13 opposite to the electrolyte membrane 17 side. It only has to be arranged in.

なお、熱伝導体40は、必ずしも全てのアノード13またはカソード16と対向していなくてもよい。例えば、図7に示すように、熱伝導体40は、膜電極接合体2のサイズよりも小さく形成され、複数のアノード13及び複数のカソード16のうち、一部を露出していてもよい。つまり、両端の単セルCを構成するアノード13及びカソード16の一部は、熱伝導体40と対向することなく、熱伝導体40から露出している。   The heat conductor 40 does not necessarily have to face all the anodes 13 or the cathodes 16. For example, as shown in FIG. 7, the heat conductor 40 may be formed smaller than the size of the membrane electrode assembly 2, and a part of the plurality of anodes 13 and the plurality of cathodes 16 may be exposed. That is, a part of the anode 13 and the cathode 16 constituting the single cell C at both ends is exposed from the heat conductor 40 without facing the heat conductor 40.

このような場合であっても、膜電極接合体2に形成された全ての単セルCを含む発電部(つまり、図示しないシール部材によって囲まれた全ての単セルCが占める領域及び隣接する単セルCの間の間隔を含めた領域)の外形寸法Dの80%以上の面積が熱伝導体40によって覆われていれば、熱伝導体40を介した十分な熱移動が可能となり、膜電極接合体2の面内における温度分布の均一化を図ることが可能である。   Even in such a case, the power generation unit including all the single cells C formed in the membrane electrode assembly 2 (that is, the region occupied by all the single cells C surrounded by a seal member (not shown) and adjacent single cells C). If an area of 80% or more of the outer dimension D of the region including the space between the cells C is covered by the heat conductor 40, sufficient heat transfer through the heat conductor 40 becomes possible, and the membrane electrode It is possible to make the temperature distribution in the plane of the joined body 2 uniform.

図7に示した例では、アノード13に対向する熱伝導体40及びカソード16に対向する熱伝導体40の両方の外形寸法がそれぞれ発電部の外形寸法Dの80%の面積を有している。なお、図4に示した例のように、熱伝導体40がカソード16のみに対向する場合や、図5に示した例のように、熱伝導体40がアノード13のみに対向する場合であっても、それぞれの熱伝導体40の外形寸法が膜電極接合体2における発電部の外形寸法Dの80%以上の面積を有していれば、温度分布の均一化の効果は得られる。   In the example shown in FIG. 7, the outer dimensions of both the heat conductor 40 facing the anode 13 and the heat conductor 40 facing the cathode 16 have an area of 80% of the outer dimension D of the power generation section. . It is to be noted that the heat conductor 40 faces only the cathode 16 as in the example shown in FIG. 4 or the heat conductor 40 faces only the anode 13 as in the example shown in FIG. However, if the outer dimensions of the respective heat conductors 40 have an area of 80% or more of the outer dimension D of the power generation section in the membrane electrode assembly 2, the effect of uniforming the temperature distribution can be obtained.

上述した例のように複数の単セルCを備えた膜電極接合体2の面内においては、図8に示すように、中央部2Cは比較的放熱されにくく高温となりやすく、逆に、周辺部2Pは中央部と比較して低温となりやすい。この場合、熱伝導体40を配置したことにより、膜電極接合体2の中央部2Cから周辺部2Pへの熱移動が促進され、膜電極接合体2の中央部2Cと周辺部2Pとでの温度差を低減することが可能となる。つまり、膜電極接合体2の面内における温度分布を均一化することが可能となる。   In the surface of the membrane electrode assembly 2 having a plurality of single cells C as in the above-described example, as shown in FIG. 8, the central portion 2C is relatively difficult to dissipate heat and easily becomes high temperature. 2P tends to be low in temperature compared to the central portion. In this case, by disposing the heat conductor 40, heat transfer from the central part 2C of the membrane electrode assembly 2 to the peripheral part 2P is promoted, and the central part 2C and the peripheral part 2P of the membrane electrode assembly 2 are promoted. It becomes possible to reduce the temperature difference. That is, the temperature distribution in the surface of the membrane electrode assembly 2 can be made uniform.

このため、温度差に起因した飽和水蒸気圧差も低減され、膜電極接合体2の面内において、中央部2C及び周辺部2Pのいずれにおいても、発電反応に必要な物質の授受を促進することが可能となる。例えば、周辺部2Pが極端に低温となることなく、適度に高温部からの熱により加温されることにより、発電反応で生成した水の凝集を抑制して空気の取り込み不足を解消できるとともに、アノード側での液体燃料の気化が促進され、安定して高い発電効率を維持することが可能となる。一方で、中央部2Cが極端に高温となることがなくなり、適度に放熱することにより、発電反応に必要な水が蒸散するのを抑制して、安定して高い発電効率を維持することが可能となる。   For this reason, the saturated water vapor pressure difference due to the temperature difference is also reduced, and in the plane of the membrane electrode assembly 2, it is possible to promote the exchange of substances necessary for the power generation reaction in both the central portion 2C and the peripheral portion 2P. It becomes possible. For example, the peripheral part 2P is moderately heated by heat from the high temperature part without becoming extremely low temperature, thereby suppressing the aggregation of water generated by the power generation reaction and eliminating the shortage of air intake, The vaporization of the liquid fuel on the anode side is promoted, and it is possible to stably maintain high power generation efficiency. On the other hand, the central part 2C does not become extremely high temperature, and by appropriately dissipating heat, it is possible to suppress the evaporation of water necessary for the power generation reaction and stably maintain high power generation efficiency. It becomes.

これにより、安定して高い出力を得ることが可能となる。   As a result, a high output can be stably obtained.

上述した熱伝導体40としては、液体燃料や水、酸素等によって溶解や腐食、酸化等を生じることがなく、かつ熱伝導率の高い材料によって形成されることが望ましい。また、熱伝導体40は、通気性を確保する必要があり、多孔質性あるいは貫通孔を有している。このうち、多孔質性の熱伝導体40としては、炭素繊維素材が好適であり、例えば、東レ社製のカーボンペーパー(TGP−Hシリーズ)や、SGLカーボンジャパン社製のカーボンペーパー(GDLシリーズ)などが適用可能である。また、貫通孔を有する熱伝導体40としては、黒鉛(グラファイト)などの炭素質の材料をシート状に加工したグラファイトシート(例えば、グラフテック社製のグラファイトシート(eGrafシリーズ)に貫通孔を形成したものなどが適用可能である。さらに、熱伝導体40としては、熱伝導性に優れた金、アルミニウム、銅、タングステン、モリブデン等の金属、または、ステンレスなどのこれらの金属の合金に貫通孔を形成したものなどが適用可能である。   The above-described heat conductor 40 is desirably formed of a material that does not dissolve, corrode, oxidize, or the like due to liquid fuel, water, oxygen, or the like and that has high thermal conductivity. Moreover, the heat conductor 40 needs to ensure air permeability, and has a porous property or a through hole. Among these, as the porous heat conductor 40, a carbon fiber material is suitable. For example, carbon paper (TGP-H series) manufactured by Toray Industries, Inc. or carbon paper (GDL series) manufactured by SGL Carbon Japan Co., Ltd. Etc. are applicable. Moreover, as the heat conductor 40 having a through hole, a through hole was formed in a graphite sheet (for example, a graphite sheet (eGraf series) manufactured by Graphtec Co., Ltd.) obtained by processing a carbonaceous material such as graphite into a sheet shape. In addition, as the heat conductor 40, a through hole is formed in a metal such as gold, aluminum, copper, tungsten, and molybdenum having excellent heat conductivity, or an alloy of these metals such as stainless steel. The formed one is applicable.

熱伝導体40として金属材料を用いた場合、カソード16で生成した水や、大気中に含まれる酸素や水蒸気等によって酸化、腐食を生じる可能性がある。それを防ぐために、熱伝導体40としては、ステンレス等の腐食しにくい材料を用いるか、または、熱伝導体40の表面に、金などの酸化しにくい金属をメッキしたり、炭素質の物質や、樹脂もしくはゴムでコーティングを施したり、液体燃料の蒸気に溶解しない塗料で塗装する等しても良い。   When a metal material is used as the heat conductor 40, oxidation or corrosion may occur due to water generated at the cathode 16, oxygen, water vapor, or the like contained in the atmosphere. In order to prevent this, the heat conductor 40 is made of a material that does not easily corrode such as stainless steel, or the surface of the heat conductor 40 is plated with a metal that is not easily oxidized such as gold, or a carbonaceous material or Alternatively, it may be coated with resin or rubber, or may be applied with a paint that does not dissolve in the liquid fuel vapor.

上記のようにコーティングを施すための樹脂もしくはゴムとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、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)、ポリ塩化ビニル、ポリイミド、シリコーン樹脂等の樹脂、エチレン・プロピレンゴム(EPDM)、フッ素ゴム等のゴムが使用可能である。これら樹脂やゴムは金属に比べて熱伝導率が低いため、コーティングを施す場合には、コーティングする樹脂もしくはゴムはできるだけ薄くするのが望ましい。   The resin or rubber for coating as described above is polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyethylene terephthalate, nylon, polyether ether ketone (PEEK), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether. Resins such as copolymer (PFA), polyvinyl chloride, polyimide, and silicone resin, and rubbers such as ethylene / propylene rubber (EPDM) and fluororubber can be used. Since these resins and rubbers have lower thermal conductivity than metals, it is desirable to make the resin or rubber to be coated as thin as possible.

上述した熱伝導体40とカソード集電体18Cとの間、及び、熱伝導体40とアノード集電体18Aとの間には、必要に応じて、熱伝導体40と集電体18との間を電気的に絶縁するために、絶縁体50が配置される。また、導電性を有する材料で形成された熱伝導体40が複数の単セルCに対して共通に配置される場合には、隣り合う単セルCの間を絶縁するためにも、熱伝導体40と集電体18との間には、絶縁体50を配置することが望ましい。   Between the heat conductor 40 and the cathode current collector 18C described above, and between the heat conductor 40 and the anode current collector 18A, the heat conductor 40 and the current collector 18 are connected as necessary. An insulator 50 is disposed to electrically insulate the gap. Further, when the heat conductor 40 formed of a conductive material is disposed in common with respect to the plurality of single cells C, the heat conductor is also used to insulate between the adjacent single cells C. It is desirable to place an insulator 50 between 40 and the current collector 18.

また、絶縁体50は、熱伝導体40と同様に通気性を確保する必要があり、多孔質性あるいは貫通孔を有している。このため、絶縁体50が膜電極接合体2のカソード16の側に配置された場合に、各カソード16への発電反応に必要な空気あるいは酸素の導入、さらには、各カソード16から外部への水蒸気などの気体の排出を阻害することはない。同様に、絶縁体50が膜電極接合体2のアノード13の側に配置された場合にも、各アノード13への発電反応に必要な燃料ガスの導入を阻害することはない。   Moreover, the insulator 50 needs to ensure air permeability like the heat conductor 40, and has a porous property or a through hole. For this reason, when the insulator 50 is disposed on the cathode 16 side of the membrane electrode assembly 2, introduction of air or oxygen necessary for the power generation reaction to each cathode 16, and further from each cathode 16 to the outside It does not hinder the discharge of gas such as water vapor. Similarly, even when the insulator 50 is disposed on the anode 13 side of the membrane electrode assembly 2, introduction of fuel gas necessary for power generation reaction to each anode 13 is not hindered.

この絶縁体50は、フィルム状あるいは板状に形成されており、その厚みとしては、絶縁性を確保できれば特に制限はないが、モジュールの薄型化の要求に対応するためには100μm以下であることが望ましく、ここではたとえば20μmである。   The insulator 50 is formed in a film shape or a plate shape, and the thickness thereof is not particularly limited as long as the insulating property can be ensured, but is 100 μm or less in order to meet the demand for thinning the module. Is desirable, for example, 20 μm.

このような絶縁体50を構成する材料としては、上述したのと同様の樹脂やゴム等の材料が使用可能であり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などが好適である。また、熱伝導体40の腐食を防止するための上記したコーティングや塗装が、絶縁体50を兼ねていても良い。   As a material constituting the insulator 50, the same materials as those described above, such as resin and rubber, can be used. For example, polytetrafluoroethylene (PTFE) is preferable. Further, the above-described coating or painting for preventing corrosion of the heat conductor 40 may also serve as the insulator 50.

上述した熱伝導体40は、その平面方向の熱伝導率λplが厚み方向の熱伝導率λtよりも大きい熱伝導異方性を有していることが望ましい。つまり、熱伝導体40に求められる特性は、面内の熱分布の均一化であり、厚み方向の熱伝導率λtの方が大きい場合には厚み方向への熱の移動が促進され、面内つまり膜電極接合体の高温部から低温部への熱の移動が阻害されてしまうおそれがある。   The thermal conductor 40 described above desirably has a thermal conductivity anisotropy in which the thermal conductivity λpl in the planar direction is larger than the thermal conductivity λt in the thickness direction. That is, the characteristic required for the heat conductor 40 is to make the in-plane heat distribution uniform. When the thermal conductivity λt in the thickness direction is larger, the movement of heat in the thickness direction is promoted and the in-plane heat distribution is increased. That is, there is a possibility that the transfer of heat from the high temperature portion to the low temperature portion of the membrane electrode assembly is hindered.

このような熱伝導体40において、平面方向の熱伝導率λplと厚み方向の熱伝導率λtとの比λ=λpl/λtは、10以上であることが望ましく、20以上であることがより望ましい。なお、ここで説明した熱伝導率λpl及びλtは、レーザーフラッシュ法によって測定したものである。   In such a thermal conductor 40, the ratio λ = λpl / λt between the thermal conductivity λpl in the plane direction and the thermal conductivity λt in the thickness direction is preferably 10 or more, and more preferably 20 or more. . The thermal conductivities λpl and λt described here are measured by a laser flash method.

ここで、熱伝導率比λによって変化する膜電極接合体2の面内の温度分布を測定した。このとき、温度(すなわち、膜電極接合体の表面温度)は、各単セルCにおけるカソードガス拡散層15と絶縁体50との間に挟み込んだ熱電対によって測定した。なお、熱電対は、各単セルCの長手方向の中心部において複数個所設置した。測定結果を図9に示す。この図9においては、面内の最高温度に対する温度差ΔT(℃)を縦軸とした。   Here, the in-plane temperature distribution of the membrane electrode assembly 2 that varies depending on the thermal conductivity ratio λ was measured. At this time, the temperature (that is, the surface temperature of the membrane electrode assembly) was measured by a thermocouple sandwiched between the cathode gas diffusion layer 15 and the insulator 50 in each single cell C. A plurality of thermocouples were installed at the center in the longitudinal direction of each single cell C. The measurement results are shown in FIG. In FIG. 9, the vertical axis represents the temperature difference ΔT (° C.) with respect to the in-plane maximum temperature.

図9に示したように、比λ=1の場合には、熱伝導体40を配置しなかった場合と大差はなかった。これに対して、熱伝導異方性を有する(つまり、λpl>λt)熱伝導体40を適用した場合には、膜電極接合体2の中央部2Cと周辺部2Pとでの温度差が低減される傾向が確認された。   As shown in FIG. 9, when the ratio λ = 1, there was no significant difference from the case where the heat conductor 40 was not arranged. On the other hand, when the thermal conductor 40 having thermal conductivity anisotropy (that is, λpl> λt) is applied, the temperature difference between the central portion 2C and the peripheral portion 2P of the membrane electrode assembly 2 is reduced. The tendency to be confirmed was confirmed.

比λが10以上の熱伝導体40を適用した場合には、全ての単セルCの中心部での温度差を3℃程度に緩和することができた。   When the heat conductor 40 with the ratio λ of 10 or more was applied, the temperature difference at the center of all the single cells C could be relaxed to about 3 ° C.

さらに、比λが20以上の熱伝導体40を適用した場合には、膜電極接合体2の全域にわたって温度差を3℃以内に緩和することができた。このとき、カソードガス拡散層15における面内の飽和水蒸気圧差が±10%以下となることが確認された。   Furthermore, when the thermal conductor 40 having a ratio λ of 20 or more was applied, the temperature difference could be relaxed within 3 ° C. over the entire area of the membrane electrode assembly 2. At this time, it was confirmed that the in-plane saturated water vapor pressure difference in the cathode gas diffusion layer 15 was ± 10% or less.

上述した熱伝導体40は、膜電極接合体2の面内の温度分布の均一化を図る上で十分な厚みであることが望ましく、その厚みは100μm以上であることが望ましいが、モジュールの薄型化の要求に対応するためにはより薄いほうが望ましい。   The above-described heat conductor 40 is desirably thick enough to make the temperature distribution in the surface of the membrane electrode assembly 2 uniform, and the thickness is desirably 100 μm or more. A thinner one is desirable to meet the demands of making it easier.

ここで、熱伝導体40の厚みtによって変化する膜電極接合体2の面内の温度分布を測定した。このときの温度測定条件は上記の通りである。測定結果を図10に示す。この図10においては、面内の最高温度に対する温度差ΔT(℃)を縦軸とした。   Here, the in-plane temperature distribution of the membrane electrode assembly 2 that varies depending on the thickness t of the heat conductor 40 was measured. The temperature measurement conditions at this time are as described above. The measurement results are shown in FIG. In FIG. 10, the vertical axis represents the temperature difference ΔT (° C.) with respect to the in-plane maximum temperature.

図10に示したように、熱伝導体40の厚みtが厚いほど、膜電極接合体2の中央部2Cと周辺部2Pとでの温度差が低減される傾向が確認された。厚みtが100μm以上の熱伝導体40を適用した場合には、全ての単セルCの中心部での温度差を3℃程度に緩和することができた。さらに、厚みtが250μm以上の熱伝導体40を適用した場合には、膜電極接合体2の全域にわたって温度差を3℃以内に緩和することができた。   As shown in FIG. 10, it was confirmed that as the thickness t of the thermal conductor 40 is thicker, the temperature difference between the central portion 2C and the peripheral portion 2P of the membrane electrode assembly 2 is reduced. When the heat conductor 40 having a thickness t of 100 μm or more was applied, the temperature difference at the center of all the single cells C could be relaxed to about 3 ° C. Furthermore, when the thermal conductor 40 having a thickness t of 250 μm or more was applied, the temperature difference could be relaxed within 3 ° C. over the entire area of the membrane / electrode assembly 2.

ここで、この熱伝導体40の厚みtについては、例えばその熱伝導体の熱伝導率λとの関係から、λ×tが1000以上であることが好ましい。   Here, for the thickness t of the thermal conductor 40, it is preferable that λ × t is 1000 or more, for example, in relation to the thermal conductivity λ of the thermal conductor.

熱伝導体40の気孔率は、板状体20の気孔率より高く設定することが望ましい。すなわち、膜電極接合体2のカソード側に配置される熱伝導体40及び板状体20は、ともにカソード16への空気の導入を阻害しないように通気性を有している。一方で、板状体20は保湿層としての機能を有することから、十分な保湿力を確保するためには板状体20の気孔率は25%程度である。これに対して、熱伝導体40は、板状体20よりもカソード側に位置しており、カソード16への空気の導入を阻害しないように、板状体20よりも高い気孔率に設定されている。   It is desirable that the porosity of the heat conductor 40 be set higher than the porosity of the plate-like body 20. That is, both the heat conductor 40 and the plate-like body 20 disposed on the cathode side of the membrane electrode assembly 2 have air permeability so as not to inhibit the introduction of air into the cathode 16. On the other hand, since the plate-like body 20 has a function as a moisture-retaining layer, the porosity of the plate-like body 20 is about 25% in order to ensure a sufficient moisturizing power. On the other hand, the heat conductor 40 is located on the cathode side of the plate-like body 20 and is set to have a higher porosity than the plate-like body 20 so as not to inhibit the introduction of air into the cathode 16. ing.

また、熱伝導体40の気孔率は、その熱伝導率をコントロールするファクターの1つである。すなわち、気孔率が高いほど熱伝導体40の内部が気体成分で満たされ、放熱性能の低下を招く。つまり、気孔率が高いほど熱伝導率は低下する。このように、熱伝導体40には、熱伝導性を確保しつつ、通気性を確保することが要求され、両者を考慮すると、熱伝導体40の気孔率は50%以上であることが望ましい。   The porosity of the heat conductor 40 is one of the factors that control the heat conductivity. That is, the higher the porosity, the more the inside of the heat conductor 40 is filled with the gas component, leading to a decrease in heat dissipation performance. That is, the higher the porosity, the lower the thermal conductivity. As described above, the thermal conductor 40 is required to ensure air permeability while ensuring thermal conductivity, and considering both, it is desirable that the porosity of the thermal conductor 40 be 50% or more. .

なお、膜電極接合体2の面内の温度分布は、中央部2Cで高く、周辺部2Pで低い場合が多い。これに対応するため、熱伝導体40においては、その中央部での気孔率が周辺部より小さいことが望ましい。つまり、熱伝導体40において、膜電極接合体2の中央部2Cに対向する部分では比較的熱伝導率が高く、熱の移動を促進するとともに、周辺部2Pに対向する部分では比較的熱伝導率が低い半面、通気性が高く発電反応を促進することが可能となる。   In many cases, the in-plane temperature distribution of the membrane electrode assembly 2 is high in the central portion 2C and low in the peripheral portion 2P. In order to cope with this, in the heat conductor 40, it is desirable that the porosity at the central portion is smaller than the peripheral portion. That is, in the heat conductor 40, the portion that faces the central portion 2C of the membrane electrode assembly 2 has a relatively high thermal conductivity, promotes heat transfer, and the portion that faces the peripheral portion 2P has a relatively high heat conductivity. On the other hand, the rate is low, but the air permeability is high and the power generation reaction can be promoted.

このとき、熱伝導体40は、その気孔率が中央部から周辺部に向かって連続的に大きくなるように構成しても良い。この場合、熱伝導体40の面内での熱伝導率が一定ではなく、中央部から周辺部にかけて連続的に大きくなる。   At this time, you may comprise the heat conductor 40 so that the porosity may become large continuously toward a peripheral part from a center part. In this case, the thermal conductivity in the plane of the heat conductor 40 is not constant, and continuously increases from the central portion to the peripheral portion.

≪第1実施例≫
以下に説明する各実施例及び比較例に係る燃料電池の膜電極接合体2は、図2などに示したように、4つの単セルCを備えた構成であり、各単セルCが集電体18によって電気的に直列に接続されている。
<< First Example >>
As shown in FIG. 2 and the like, the membrane electrode assembly 2 of the fuel cell according to each example and comparative example described below has a configuration including four single cells C, and each single cell C is a current collector. They are electrically connected in series by the body 18.

(実施例1)
図4などに示したように、実施例1に係る燃料電池においては、熱伝導体40は、膜電極接合体2のカソード16側のみに配置されている。この熱伝導体40としては、カーボンペーパーを適用した。すなわち、膜電極接合体2の各単セルCのカソード16には、集電体18のカソード集電体18Cが重なる。カソード集電体18Cの上には、絶縁体50を介して熱伝導体40が配置されている。熱伝導体40の上には、板状体20を介してカバープレート21が配置されている。このため、カソード16で発生した熱は、カソード集電体18Cを介して熱伝導体40に伝わり、面内に拡散する。
Example 1
As shown in FIG. 4 and the like, in the fuel cell according to Example 1, the heat conductor 40 is disposed only on the cathode 16 side of the membrane electrode assembly 2. Carbon paper was applied as the heat conductor 40. That is, the cathode current collector 18 </ b> C of the current collector 18 overlaps the cathode 16 of each single cell C of the membrane electrode assembly 2. A heat conductor 40 is disposed on the cathode current collector 18C via an insulator 50. A cover plate 21 is disposed on the heat conductor 40 via the plate-like body 20. For this reason, the heat generated at the cathode 16 is transferred to the heat conductor 40 via the cathode current collector 18C and diffused in the plane.

(実施例2)
図5などに示したように、実施例2に係る燃料電池においては、熱伝導体40は、膜電極接合体2のアノード13側のみに配置されている。この熱伝導体40としては、カーボンペーパーを適用した。すなわち、膜電極接合体2の各単セルCのアノード13には、集電体18のアノード集電体18Aが重なる。アノード集電体18Aの上には、絶縁体50を介して熱伝導体40が配置されている。このため、アノード13で発生した熱は、アノード集電体18Aを介して熱伝導体40に伝わり、面内に拡散する。
(Example 2)
As shown in FIG. 5 and the like, in the fuel cell according to Example 2, the heat conductor 40 is disposed only on the anode 13 side of the membrane electrode assembly 2. Carbon paper was applied as the heat conductor 40. That is, the anode current collector 18 </ b> A of the current collector 18 overlaps the anode 13 of each single cell C of the membrane electrode assembly 2. A heat conductor 40 is disposed on the anode current collector 18 </ b> A via an insulator 50. For this reason, the heat generated in the anode 13 is transmitted to the heat conductor 40 via the anode current collector 18A and diffused in the plane.

(実施例3)
図6などに示したように、実施例3に係る燃料電池においては、熱伝導体40は、膜電極接合体2のアノード13側及びカソード16側の両方に配置されている。この熱伝導体40としては、カーボンペーパーを適用した。アノード13側およびカソード16側のそれぞれの構成は実施例1及び実施例2と同様である。
(Example 3)
As shown in FIG. 6 and the like, in the fuel cell according to Example 3, the heat conductor 40 is disposed on both the anode 13 side and the cathode 16 side of the membrane electrode assembly 2. Carbon paper was applied as the heat conductor 40. The respective configurations on the anode 13 side and the cathode 16 side are the same as those in the first and second embodiments.

(実施例4)
図7などに示したように、実施例4に係る燃料電池においては、熱伝導体40は、実施例3と同様に、膜電極接合体2のアノード13側及びカソード16側の両方に配置されている。この熱伝導体40としては、カーボンペーパーを適用した。なお、実施例1乃至3では、熱伝導体40は、全てのアノード13あるいは全てのカソード16の全面に対向するように配置されたが、実施例4では、熱伝導体40は、外形寸法Dの80%に相当する面積を有しており、一部のアノード13及び一部のカソードには対向していない。
Example 4
As shown in FIG. 7 and the like, in the fuel cell according to Example 4, the heat conductor 40 is arranged on both the anode 13 side and the cathode 16 side of the membrane electrode assembly 2 in the same manner as in Example 3. ing. Carbon paper was applied as the heat conductor 40. In the first to third embodiments, the heat conductor 40 is disposed so as to face the entire surface of all the anodes 13 or all the cathodes 16. However, in the fourth embodiment, the heat conductor 40 has an outer dimension D. And part of the anodes 13 and part of the cathodes are not opposed to each other.

(実施例5)
実施例5に係る燃料電池においては、熱伝導体40は、実施例3と同様に、膜電極接合体2のアノード13側及びカソード16側の両方に配置されている。特に、この実施例5においては、熱伝導体40は、カーボンペーパーに代えて、金(Au)によって形成されている。
(Example 5)
In the fuel cell according to Example 5, the heat conductor 40 is disposed on both the anode 13 side and the cathode 16 side of the membrane electrode assembly 2 in the same manner as in Example 3. In particular, in the fifth embodiment, the heat conductor 40 is made of gold (Au) instead of carbon paper.

より具体的には、図11に示すように、膜電極接合体2の各単セルCのカソード16には、集電体18のカソード集電体18Cが重なる。この場合、カソード集電体18Cは、格子状に形成され、カソード16の周縁部などと接触している。カソード集電体18Cの上には、図示しないPTFEによって形成された絶縁体を介して熱伝導体40が配置されている。この熱伝導体40は、カソード集電体18Cと同様の形状を有しており、貫通孔40Aが形成されている。熱伝導体40の上には、図示しない板状体を介してカバープレート21が配置されている。   More specifically, as shown in FIG. 11, the cathode current collector 18 </ b> C of the current collector 18 overlaps the cathode 16 of each single cell C of the membrane electrode assembly 2. In this case, the cathode current collector 18 </ b> C is formed in a lattice shape and is in contact with the peripheral portion of the cathode 16. A heat conductor 40 is disposed on the cathode current collector 18C via an insulator formed of PTFE (not shown). The heat conductor 40 has the same shape as the cathode current collector 18C, and has a through hole 40A. On the heat conductor 40, the cover plate 21 is arrange | positioned through the plate-shaped body which is not shown in figure.

このような構成により、開口部21Aから導入された空気は、熱伝導体40の貫通孔40Aを通り、カソード集電体18Cを介してカソード16に取り込まれ、発電反応に利用される。   With such a configuration, air introduced from the opening 21A passes through the through hole 40A of the heat conductor 40, is taken into the cathode 16 via the cathode current collector 18C, and is used for a power generation reaction.

一方で、膜電極接合体2の各単セルCのアノード13には、集電体18のアノード集電体18Aが重なる。この場合、アノード集電体18Aは、カソード集電体18Cと同様の格子状に形成され、アノード13の周縁部などと接触している。アノード集電体18Aの上には、図示しないPTFEによって形成された絶縁体を介して熱伝導体40が配置されている。この熱伝導体40にも、図11に示した例と同様に、貫通孔40Aが形成されている。   On the other hand, the anode current collector 18 </ b> A of the current collector 18 overlaps the anode 13 of each single cell C of the membrane electrode assembly 2. In this case, the anode current collector 18A is formed in a lattice shape similar to the cathode current collector 18C, and is in contact with the peripheral edge of the anode 13 and the like. A heat conductor 40 is disposed on the anode current collector 18A via an insulator formed of PTFE (not shown). The thermal conductor 40 is also formed with a through hole 40A as in the example shown in FIG.

このような構成により、燃料供給機構3から供給された燃料ガスは、熱伝導体40の貫通孔40Aを通り、アノード集電体18Aを介してアノード13に取り込まれ、発電反応に利用される。   With such a configuration, the fuel gas supplied from the fuel supply mechanism 3 passes through the through hole 40A of the heat conductor 40, is taken into the anode 13 via the anode current collector 18A, and is used for the power generation reaction.

(比較例1)
比較例に係る燃料電池は、熱伝導体を備えていない。
(Comparative Example 1)
The fuel cell according to the comparative example does not include a heat conductor.

《性能評価》
上述した燃料電池について、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側の表面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、表面温度については、図11に示したように、中央部、中間部、及び、端部の3箇所でそれぞれ測定し、10時間での平均温度を算出した。
<Performance evaluation>
Performance evaluation was performed about the fuel cell mentioned above. 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 surface temperature on the cathode side during power generation were measured. For output, the average output over 10 hours was calculated. Moreover, about surface temperature, as shown in FIG. 11, it measured at three places, respectively a center part, an intermediate part, and an edge part, and computed the average temperature in 10 hours.

結果を図12に示す。すなわち、比較例1の平均出力を100としたとき、いずれの実施例においても、比較例1よりも高い出力が得られることが確認された。また、比較例1の中央部における平均温度を100としたとき、比較例1においては、中央部から端部にかけて大きな温度差(15%)が生じているのに対して、いずれの実施例においても中央部と端部とでの温度差は10%以下であり、比較例1よりも面内の温度分布が均一化できていることが確認された。   The results are shown in FIG. That is, when the average output of Comparative Example 1 was set to 100, it was confirmed that in any Example, an output higher than that of Comparative Example 1 was obtained. Further, when the average temperature in the central part of Comparative Example 1 is 100, in Comparative Example 1, a large temperature difference (15%) occurs from the central part to the end part, whereas in any Example, Also, the temperature difference between the central portion and the end portion was 10% or less, and it was confirmed that the in-plane temperature distribution was more uniform than in Comparative Example 1.

次に、膜電極接合体2に組み合わせられる熱伝導体40のバリエーションについて説明する。   Next, the variation of the heat conductor 40 combined with the membrane electrode assembly 2 is demonstrated.

図13に示すように、膜電極接合体2は、略長方形状に形成され、第1方向Xに平行な長辺2Lを有するとともに第2方向Yに平行な短辺2Sを有している。この膜電極接合体2は、4つの単セルCを備えている。各単セルCは、略長方形状に形成され、第1方向Xに平行な長辺CLを有するとともに第2方向Yに平行な短辺CSを有している。   As shown in FIG. 13, the membrane electrode assembly 2 is formed in a substantially rectangular shape, has a long side 2 </ b> L parallel to the first direction X, and a short side 2 </ b> S parallel to the second direction Y. The membrane electrode assembly 2 includes four single cells C. Each single cell C is formed in a substantially rectangular shape, has a long side CL parallel to the first direction X, and a short side CS parallel to the second direction Y.

熱伝導体40は、膜電極接合体2のアノード13の側及びカソード16の側の少なくとも一方に配置されている。図13では、膜電極接合体2の上に熱伝導体40が重なった状態を図示している。すなわち、熱伝導体40は、単一の平板状に形成され、4つの開口部41を有している。各開口部41は、各単セルCの一部を露出するように形成されている。つまり、各開口部41は、単セルCの外形寸法よりも小さい略長方形状に形成され、単セルCの長辺CLと平行でありながら単セルCの長辺CLよりも短い長辺41Lを有するとともに、単セルCの短辺CSと平行でありながら単セルCの短辺CSよりも短い短辺41Sを有している。   The heat conductor 40 is disposed on at least one of the anode 13 side and the cathode 16 side of the membrane electrode assembly 2. In FIG. 13, a state in which the heat conductor 40 overlaps the membrane electrode assembly 2 is illustrated. That is, the heat conductor 40 is formed in a single flat plate shape and has four openings 41. Each opening 41 is formed so as to expose a part of each single cell C. That is, each opening 41 is formed in a substantially rectangular shape smaller than the outer dimension of the single cell C, and has a long side 41L shorter than the long side CL of the single cell C while being parallel to the long side CL of the single cell C. And a short side 41S shorter than the short side CS of the single cell C while being parallel to the short side CS of the single cell C.

このような熱伝導体40は、各単セルCの周縁に沿った額縁状に形成されている。つまり、熱伝導体40は、単セルCを構成するアノード13の各々の周縁及びカソード16の各々の周縁の少なくとも一方に沿った額縁状に形成されている。   Such a heat conductor 40 is formed in a frame shape along the periphery of each single cell C. That is, the heat conductor 40 is formed in a frame shape along at least one of the peripheral edge of each of the anodes 13 and the peripheral edge of each of the cathodes 16 constituting the single cell C.

また、この熱伝導体40においては、隣り合う単セルCの間の直上にスリット42が形成されている。つまり、熱伝導体40において、隣り合うアノード13の間及び隣り合うカソード16の間の少なくとも一方の直上には、スリット42が形成されている。このため、熱伝導体40は、複数の単セルCに跨ることがなく、各単セルCに独立に配置されている。但し、熱伝導体40の周縁では繋がっており、単一の熱伝導体40を構成している。   In the thermal conductor 40, a slit 42 is formed immediately above the adjacent single cells C. That is, in the heat conductor 40, the slit 42 is formed immediately above at least one of the adjacent anodes 13 and the adjacent cathodes 16. For this reason, the heat conductor 40 does not straddle the plurality of single cells C, and is disposed independently in each single cell C. However, they are connected at the periphery of the heat conductor 40 and constitute a single heat conductor 40.

図14に示した例の熱伝導体40は、図13に示した熱伝導体40と比較して、さらに、各単セルCの長辺CLに平行な第1方向Xに沿って直線状に形成された1本の第1延出部43が追加された点で相違している。この第1延出部43は、各単セルCの上に配置されている。換言すると、各単セルCの上の開口部41は、1本の第1延出部43により分割された2個のセグメントからなる。なお、第1延出部43が各単セルCの上に2本以上配置されても良い。   The thermal conductor 40 in the example shown in FIG. 14 is further linear in the first direction X parallel to the long side CL of each unit cell C, compared to the thermal conductor 40 shown in FIG. The difference is that one formed first extending portion 43 is added. The first extending portion 43 is disposed on each single cell C. In other words, the opening 41 on each single cell C is composed of two segments divided by one first extending portion 43. Two or more first extending portions 43 may be arranged on each single cell C.

図15に示した例の熱伝導体40は、図14に示した熱伝導体40と比較して、さらに、各単セルCの短辺CSに平行な第2方向Yに沿って直線状に形成された3本の第2延出部44が追加された点で相違している。これらの第2延出部44は、各単セルCの上に略等間隔に配置されている。換言すると、各単セルCの上の開口部41は、1本の第1延出部43及び3本の第2延出部44により分割された8個のセグメントからなる。つまり、熱伝導体40は、各単セルCの上において第1方向Xと第2方向Yとに交差する格子状に形成されている。なお、第2延出部44が各単セルCの上に1乃至2本配置されても良いし、4本以上配置されても良い。   The thermal conductor 40 of the example shown in FIG. 15 is further linear in the second direction Y parallel to the short side CS of each unit cell C, as compared with the thermal conductor 40 shown in FIG. The difference is that three formed second extending portions 44 are added. These second extending portions 44 are arranged on each unit cell C at substantially equal intervals. In other words, the opening 41 on each unit cell C includes eight segments divided by one first extending portion 43 and three second extending portions 44. That is, the heat conductor 40 is formed in a lattice shape intersecting the first direction X and the second direction Y on each unit cell C. One or two second extending portions 44 may be disposed on each single cell C, or four or more second extending portions 44 may be disposed.

図16に示した例の熱伝導体40は、図15に示した熱伝導体40と比較して、さらにより多くの第2延出部44が追加された点で相違している。ここでは、15本の第2延出部44が各単セルCの上に略等間隔に配置されている。換言すると、各単セルCの上の開口部41は、1本の第1延出部43及び15本の第2延出部44により分割された略正方形状の32個のセグメントからなる。つまり、熱伝導体40は、各単セルCの上において第1方向Xと第2方向Yとに交差する格子状に形成されている。   The heat conductor 40 in the example shown in FIG. 16 is different from the heat conductor 40 shown in FIG. 15 in that more second extending portions 44 are added. Here, fifteen second extending portions 44 are arranged on each unit cell C at substantially equal intervals. In other words, the opening 41 on each unit cell C is composed of 32 segments each having a substantially square shape divided by one first extending portion 43 and 15 second extending portions 44. That is, the heat conductor 40 is formed in a lattice shape intersecting the first direction X and the second direction Y on each unit cell C.

図17に示す例の膜電極接合体2は、略正方形状に形成され、第1方向X及び第2方向Yに平行な各辺の長さが略等しい。この膜電極接合体2は、4つの単セルCを備えている。これらの4つの単セルCは、第1方向X及び第2方向Yにそれぞれ2個ずつ並べた2×2のマトリクス状に配置されている。つまり、単セルCを構成するアノード13及びカソード16は、2×2のマトリクス状に配置されている。   The membrane electrode assembly 2 of the example shown in FIG. 17 is formed in a substantially square shape, and the length of each side parallel to the first direction X and the second direction Y is substantially equal. The membrane electrode assembly 2 includes four single cells C. These four single cells C are arranged in a 2 × 2 matrix in which two each are arranged in the first direction X and the second direction Y. That is, the anode 13 and the cathode 16 constituting the single cell C are arranged in a 2 × 2 matrix.

このような膜電極接合体2に適用される熱伝導体40は、略正方形状に形成され、膜電極接合体2のアノード13の側及びカソード16の側の少なくとも一方に配置されている。図17では、膜電極接合体2の上に熱伝導体40が重なった状態を図示している。すなわち、熱伝導体40は、単一の平板状に形成され、各単セルCの一部を露出する開口部41を有している。各単セルCの上の開口部41は、略正方形状の複数のセグメントからなる。つまり、熱伝導体40は、各単セルCの上において格子状に形成されている。   The heat conductor 40 applied to such a membrane electrode assembly 2 is formed in a substantially square shape, and is disposed on at least one of the anode 13 side and the cathode 16 side of the membrane electrode assembly 2. FIG. 17 illustrates a state in which the heat conductor 40 overlaps the membrane electrode assembly 2. That is, the heat conductor 40 is formed in a single flat plate shape and has an opening 41 that exposes a part of each single cell C. The opening 41 on each single cell C is composed of a plurality of substantially square segments. That is, the heat conductor 40 is formed in a lattice shape on each single cell C.

なお、図16や図17に示したような熱伝導体40は、m及びnを1以上の整数としたときm×nのマトリクス状に配置された単セルCを備えた膜電極接合体2に対して適用可能である。   Note that the heat conductor 40 as shown in FIGS. 16 and 17 is a membrane electrode assembly 2 including single cells C arranged in a matrix of m × n where m and n are integers of 1 or more. Is applicable.

図18に示した例の熱伝導体40は、図17に示した熱伝導体40と比較して、中央部から周辺部に向かって放射状に形成された点で相違している。すなわち、熱伝導体40は、各単セルCの一部を露出するとともに放射状に形成された開口部41を有している。   The heat conductor 40 in the example shown in FIG. 18 is different from the heat conductor 40 shown in FIG. 17 in that the heat conductor 40 is formed radially from the central portion toward the peripheral portion. That is, the heat conductor 40 has openings 41 that are radially formed while exposing a part of each unit cell C.

なお、図18に示したような熱伝導体40は、m及びnを1以上の整数としたときm×nのマトリクス状に配置された単セルCを備えた膜電極接合体2に対して適用可能である。   In addition, the heat conductor 40 as shown in FIG. 18 is compared with the membrane electrode assembly 2 including the single cells C arranged in a matrix of m × n where m and n are integers of 1 or more. Applicable.

図19に示す例の膜電極接合体2は、略円形状に形成されている。この膜電極接合体2は、4つの単セルCを備えている。これらの4個の単セルCは、膜電極接合体2の中心から円周に向かって放射状に配置されている。つまり、各単セルC、あるいは、単セルCを構成するアノード13及びカソード16は、扇形状に形成されている。   The membrane electrode assembly 2 in the example shown in FIG. 19 is formed in a substantially circular shape. The membrane electrode assembly 2 includes four single cells C. These four single cells C are arranged radially from the center of the membrane electrode assembly 2 toward the circumference. That is, each single cell C or the anode 13 and the cathode 16 constituting the single cell C are formed in a fan shape.

このような膜電極接合体2に適用される熱伝導体40は、略円形状に形成され、膜電極接合体2のアノード13の側及びカソード16の側の少なくとも一方に配置されている。図19では、膜電極接合体2の上に熱伝導体40が重なった状態を図示している。すなわち、熱伝導体40は、単一の平板状に形成され、各単セルCの一部を露出する開口部41を有している。各単セルCの上の開口部41は、放射状に形成されている。つまり、熱伝導体40は、各単セルCの上において放射状に形成されている。   The heat conductor 40 applied to such a membrane electrode assembly 2 is formed in a substantially circular shape, and is disposed on at least one of the anode 13 side and the cathode 16 side of the membrane electrode assembly 2. FIG. 19 illustrates a state in which the heat conductor 40 overlaps the membrane electrode assembly 2. That is, the heat conductor 40 is formed in a single flat plate shape and has an opening 41 that exposes a part of each single cell C. The opening 41 on each single cell C is formed radially. That is, the heat conductor 40 is formed radially on each single cell C.

なお、図19に示したような熱伝導体40は、3個以下の単セルCを備えた膜電極接合体2や、5個以上の単セルCを備えた膜電極接合体2などに対して適用可能である。   Note that the heat conductor 40 as shown in FIG. 19 is different from the membrane electrode assembly 2 including three or less single cells C, the membrane electrode assembly 2 including five or more single cells C, and the like. It is applicable.

図20に示す例の膜電極接合体2は、略六角形状に形成されている。この膜電極接合体2は、6つの単セルCを備えている。これらの6個の単セルCは、膜電極接合体2の中央部から周辺部に向かって放射状に配置されている。つまり、各単セルC、あるいは、単セルCを構成するアノード13及びカソード16は、三角形状に形成されている。   The membrane electrode assembly 2 of the example shown in FIG. 20 is formed in a substantially hexagonal shape. The membrane electrode assembly 2 includes six single cells C. These six single cells C are arranged radially from the central part to the peripheral part of the membrane electrode assembly 2. That is, each single cell C or the anode 13 and the cathode 16 constituting the single cell C are formed in a triangular shape.

このような膜電極接合体2に適用される熱伝導体40は、略六角形状に形成され、膜電極接合体2のアノード13の側及びカソード16の側の少なくとも一方に配置されている。図20では、膜電極接合体2の上に熱伝導体40が重なった状態を図示している。すなわち、熱伝導体40は、単一の平板状に形成され、各単セルCの一部を露出する開口部41を有している。各単セルCの上の開口部41は、放射状に形成されている。つまり、熱伝導体40は、各単セルCの上において放射状に形成されている。   The heat conductor 40 applied to such a membrane electrode assembly 2 is formed in a substantially hexagonal shape, and is disposed on at least one of the anode 13 side and the cathode 16 side of the membrane electrode assembly 2. FIG. 20 illustrates a state in which the heat conductor 40 overlaps the membrane electrode assembly 2. That is, the heat conductor 40 is formed in a single flat plate shape and has an opening 41 that exposes a part of each single cell C. The opening 41 on each single cell C is formed radially. That is, the heat conductor 40 is formed radially on each single cell C.

なお、図20に示したような熱伝導体40は、外形が六角形状の膜電極接合体に限らず、Nを3以上の整数としたときN角形状の膜電極接合体2に対して適用可能である。   Note that the heat conductor 40 as shown in FIG. 20 is not limited to the hexagonal membrane electrode assembly, and is applicable to the N-shaped membrane electrode assembly 2 when N is an integer of 3 or more. Is possible.

ところで、本実施形態を別の観点から規定すると、以下の通りとなる。   By the way, this embodiment is defined as follows from another viewpoint.

図21には、燃料電池1を構成する膜電極接合体2及び熱伝導体40の分解図が模式的に示されている。   FIG. 21 schematically shows an exploded view of the membrane electrode assembly 2 and the heat conductor 40 constituting the fuel cell 1.

膜電極接合体2が略長方形状に形成されている場合、膜電極接合体2の長辺2Lに平行な第1方向Xの長さをLxとし、膜電極接合体2の短辺2Sに平行な第2方向Yの長さをLyとする。ここでは、単セルCの個数や配置にかかわらず、膜電極接合体2に形成された全ての単セルCを含む発電部2Xの第1方向Xに沿った長さをLxとし、発電部2Xの第2方向Yに沿った長さをLyとしている。   When the membrane / electrode assembly 2 is formed in a substantially rectangular shape, the length in the first direction X parallel to the long side 2L of the membrane / electrode assembly 2 is Lx, and parallel to the short side 2S of the membrane / electrode assembly 2. Let the length in the second direction Y be Ly. Here, regardless of the number and arrangement of the single cells C, the length along the first direction X of the power generation unit 2X including all the single cells C formed in the membrane electrode assembly 2 is Lx, and the power generation unit 2X The length along the second direction Y is Ly.

このような膜電極接合体2に適用される熱伝導体40については、第1方向Xの熱伝導体40の熱伝導率λxと第1方向Xの熱伝導体40の断面積Sxとの積(λx×Sx)を熱伝導性Λxとし、第2方向Yの熱伝導体40の熱伝導率λyと第2方向Yの熱伝導体40の断面積Syとの積(λy×Sy)を熱伝導性Λyとする。   For the thermal conductor 40 applied to such a membrane electrode assembly 2, the product of the thermal conductivity λx of the thermal conductor 40 in the first direction X and the cross-sectional area Sx of the thermal conductor 40 in the first direction X. (Λx × Sx) is the thermal conductivity Λx, and the product (λy × Sy) of the thermal conductivity λy of the thermal conductor 40 in the second direction Y and the cross-sectional area Sy of the thermal conductor 40 in the second direction Y is the heat. Conductivity Λy.

この場合、膜電極接合体2と熱伝導体40とを組み合わせた燃料電池1においては、以下の関係を満たすように構成されている。   In this case, the fuel cell 1 in which the membrane electrode assembly 2 and the heat conductor 40 are combined is configured to satisfy the following relationship.

(Λx×Lx)/(Λy×Ly)>1
この関係を満たす燃料電池1によれば、上述した本実施形態の効果が得られる。
(Λx × Lx) / (Λy × Ly)> 1
According to the fuel cell 1 that satisfies this relationship, the effects of the present embodiment described above can be obtained.

また、本実施形態をさらに別の観点から規定すると、以下の通りとなる。   Further, this embodiment is defined as follows from another viewpoint.

膜電極接合体2が略正方形状または略長方形状に形成され、この膜電極接合体2に形成された各単セルCの長手方向つまりアノード13の各々及びカソード16の各々の長手方向が第1方向Xに平行であり、複数の単セルCの並び方向つまり複数のアノード13の並び方向及び複数のカソード16の並び方向が第1方向Xに直交する第2方向Yに平行である場合、膜電極接合体2の第1方向Xの長さをLxとし、膜電極接合体2の第2方向Yの長さをLyとする。ここでも、膜電極接合体2に形成された全ての単セルCを含む発電部2Xの第1方向Xに沿った長さをLxとし、発電部2Xの第2方向Yに沿った長さをLyとしている。   The membrane electrode assembly 2 is formed in a substantially square shape or a substantially rectangular shape, and the longitudinal direction of each single cell C formed in the membrane electrode assembly 2, that is, the longitudinal direction of each of the anode 13 and the cathode 16, is the first. When the alignment direction of the plurality of single cells C, that is, the alignment direction of the plurality of anodes 13 and the alignment direction of the plurality of cathodes 16 are parallel to the second direction Y perpendicular to the first direction X, The length of the electrode assembly 2 in the first direction X is Lx, and the length of the membrane electrode assembly 2 in the second direction Y is Ly. Also here, the length along the first direction X of the power generation unit 2X including all the single cells C formed in the membrane electrode assembly 2 is Lx, and the length along the second direction Y of the power generation unit 2X is Ly.

このような膜電極接合体2に適用される熱伝導体40については、第1方向Xの熱伝導体40の熱伝導率λxと第1方向Xの熱伝導体40の断面積Sxとの積(λx×Sx)を熱伝導性Λxとし、第2方向Yの熱伝導体40の熱伝導率λyと第2方向Yの熱伝導体40の断面積Syとの積(λy×Sy)を熱伝導性Λyとする。   For the thermal conductor 40 applied to such a membrane electrode assembly 2, the product of the thermal conductivity λx of the thermal conductor 40 in the first direction X and the cross-sectional area Sx of the thermal conductor 40 in the first direction X. (Λx × Sx) is the thermal conductivity Λx, and the product (λy × Sy) of the thermal conductivity λy of the thermal conductor 40 in the second direction Y and the cross-sectional area Sy of the thermal conductor 40 in the second direction Y is the heat. Conductivity Λy.

この場合、膜電極接合体2と熱伝導体40とを組み合わせた燃料電池1においては、以下の関係を満たすように構成されている。   In this case, the fuel cell 1 in which the membrane electrode assembly 2 and the heat conductor 40 are combined is configured to satisfy the following relationship.

(Λx×Lx)/(Λy×Ly)>1
この関係を満たす燃料電池1によれば、上述した本実施形態の効果が得られる。
(Λx × Lx) / (Λy × Ly)> 1
According to the fuel cell 1 that satisfies this relationship, the effects of the present embodiment described above can be obtained.

以下に、第2実施例について説明する。   The second embodiment will be described below.

≪第2実施例≫
(実施例6)
アノード用触媒粒子(Pt:Ru=1:1)を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、アノード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをアノードガス拡散層12としての多孔質カーボンペーパー(81mm×9.7mmの長方形)に塗布することにより、厚さが100μmのアノード触媒層11を得た。
<< Second Embodiment >>
(Example 6)
To the carbon black supporting the anode catalyst particles (Pt: Ru = 1: 1), a perfluorocarbon sulfonic acid solution as a proton conductive resin and water and methoxypropanol as a dispersion medium were added to support the anode catalyst particles. A paste was prepared by dispersing carbon black. The obtained paste was applied to porous carbon paper (81 mm × 9.7 mm rectangle) as the anode gas diffusion layer 12 to obtain an anode catalyst layer 11 having a thickness of 100 μm.

カソード用触媒粒子(Pt)を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、カソード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをカソードガス拡散層15としての多孔質カーボンペーパーに塗布することにより、厚さが100μmのカソード触媒層14を得た。   To the carbon black supporting the catalyst particles for cathode (Pt), a perfluorocarbon sulfonic acid solution as a proton conductive resin and water and methoxypropanol as a dispersion medium are added to disperse the carbon black supporting the catalyst particles for cathode. A paste was prepared. The obtained paste was applied to porous carbon paper as the cathode gas diffusion layer 15 to obtain a cathode catalyst layer 14 having a thickness of 100 μm.

なお、アノードガス拡散層12及びカソードガス拡散層15は、同一形状かつ同一の大きさであり、厚さも等しく、それぞれのガス拡散層に塗布されたアノード触媒層11及びカソード触媒層14も同一形状かつ同一の大きさである。   The anode gas diffusion layer 12 and the cathode gas diffusion layer 15 have the same shape and the same size, the same thickness, and the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 applied to each gas diffusion layer have the same shape. And the same size.

上記したように作製したアノード触媒層11とカソード触媒層14との間に、電解質膜17として厚さが30μmで、含水率が10〜20重量%のパーフルオロカーボンスルホン酸膜(商品名:nafion膜、デュポン社製)を、4つのアノードガス拡散層12および4つのカソードガス拡散層15が、それぞれの長手方向が略平行で、その間隔が1.2mmとなるように並んで配置し、アノード触媒層11とカソード触媒層14とが対向するように位置を合わせた状態で、ホットプレスを施すことにより、膜電極接合体2を得た。   A perfluorocarbon sulfonic acid membrane (trade name: nafion membrane) having a thickness of 30 μm and a water content of 10 to 20% by weight as the electrolyte membrane 17 between the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 produced as described above. Four anode gas diffusion layers 12 and four cathode gas diffusion layers 15 are arranged side by side so that their longitudinal directions are substantially parallel and the distance between them is 1.2 mm. Membrane electrode assembly 2 was obtained by performing hot pressing in a state where the positions were adjusted so that layer 11 and cathode catalyst layer 14 face each other.

このように作成した膜電極接合体2は、集電体18によって挟持され、アノードガス拡散層12とアノード集電体18Aとが対向するとともに、カソードガス拡散層15とカソード集電体18Cとが対向している。すなわち、カソード集電体18Cとして、カソードガス拡散層15の上に金箔を積層した。また、アノード集電体18Aとして、アノードガス拡散層12の上に金箔を積層した。これらのアノード集電体18A及びカソード集電体18Cは、上記した4対のアノード触媒層11とカソード触媒層14とが電気的に直列に接続されるように形成されている。   The membrane electrode assembly 2 thus prepared is sandwiched by the current collector 18, the anode gas diffusion layer 12 and the anode current collector 18A are opposed to each other, and the cathode gas diffusion layer 15 and the cathode current collector 18C are connected to each other. Opposite. That is, a gold foil was laminated on the cathode gas diffusion layer 15 as the cathode current collector 18C. A gold foil was laminated on the anode gas diffusion layer 12 as the anode current collector 18A. The anode current collector 18A and the cathode current collector 18C are formed so that the four pairs of the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 are electrically connected in series.

膜電極接合体2の電解質膜17と集電体18との間には、アノード側及びカソード側の双方について、シール部材19として、それぞれ幅が2mmのゴム製のOリングを挟持してシールを施した。   Between the electrolyte membrane 17 and the current collector 18 of the membrane electrode assembly 2, a rubber O-ring having a width of 2 mm is sandwiched between the anode side and the cathode side as seal members 19, respectively. gave.

カソード集電体18Cの上には、絶縁体50として、厚さが20μmで気孔率68%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製微多孔膜を積層した。更に、この絶縁体50の上には、熱伝導体40として、厚さが50μmのグラファイトシート(グラフテック社製;型番SS400−0.05)を図13に示したような形状に切り抜き、積層した。この熱伝導体40であるグラファイトシートは、平面方向(図13に示した第1方向Xおよび第2方向Y)の熱伝導率λplが400W/mKであり、その厚み方向(図13の第1方向X及び第2方向Yに直交するZ方向)の熱伝導率λtが3.5W/mKである。   On the cathode current collector 18C, a microporous film made of polytetrafluoroethylene (PTFE) having a thickness of 20 μm and a porosity of 68% was laminated as the insulator 50. Furthermore, on this insulator 50, as a heat conductor 40, a graphite sheet having a thickness of 50 μm (manufactured by Graphtec; model number SS400-0.05) was cut into a shape as shown in FIG. 13 and laminated. . The graphite sheet as the thermal conductor 40 has a thermal conductivity λpl of 400 W / mK in the plane direction (the first direction X and the second direction Y shown in FIG. 13), and its thickness direction (the first direction in FIG. 13). The thermal conductivity λt in the direction X and the direction Z orthogonal to the second direction Y) is 3.5 W / mK.

この実施例6においては、図13に示した熱伝導体40の第1方向Xの熱伝導性Λx及び第2方向Yの熱伝導性Λyと、膜電極接合体2の第1方向Xの長さLx及び膜電極接合体2の第2方向Yの長さLyとから求められる(Λx×Lx)/(Λy×Ly)の値は、4.47である。   In Example 6, the thermal conductivity Λx in the first direction X and the thermal conductivity Λy in the second direction Y of the thermal conductor 40 shown in FIG. 13 and the length of the membrane electrode assembly 2 in the first direction X are shown. The value of (Λx × Lx) / (Λy × Ly) obtained from the thickness Lx and the length Ly in the second direction Y of the membrane electrode assembly 2 is 4.47.

熱伝導体40の上には、板状体20として、厚さが0.75mmであり、透気度が3.0秒/100cm(JIS P 8117:2009に規定の測定方法による)であり、透湿度が3000g/(m・24h)(JIS L 1099:2006 A−1に規定の測定方法による)のポリエチレン製多孔質フィルムを、長さ85mm、幅46.6mmの長方形に切り、積層した。外気からカソード16に供給される空気は、この板状体20を透過することとなる。 On the heat conductor 40, the plate-like body 20 has a thickness of 0.75 mm and an air permeability of 3.0 seconds / 100 cm 3 (according to the measurement method specified in JIS P 8117: 2009). A polyethylene porous film having a moisture permeability of 3000 g / (m 2 · 24 h) (according to the measurement method defined in JIS L 1099: 2006 A-1) is cut into a rectangle having a length of 85 mm and a width of 46.6 mm, and then laminated. did. Air supplied from the outside air to the cathode 16 passes through the plate-like body 20.

この板状体20の上には、カバープレート21として、外形が90mm×48mmの長方形であり、厚さが0.3mmのステンレス板(SUS304)を積層した。このカバープレート21には、一辺の長さが3.5mmの正方形の120個の開口部21Aが形成されている。   On the plate-like body 20, a stainless plate (SUS304) having a rectangular outer shape of 90 mm × 48 mm and a thickness of 0.3 mm was laminated as the cover plate 21. The cover plate 21 has 120 square openings 21A each having a side length of 3.5 mm.

温度が25℃、相対湿度が50%の環境の下、上記したように作成した燃料電池1に、純度99.9重量%の純メタノールを供給した。また、定電圧電源を接続して、燃料電池1の出力電圧が直列に接続した4対の単セルの中の1対あたり0.35Vで一定になるように、燃料電池1に流れる電流を制御し、このとき、燃料電池1から得られる出力密度を計測した。   In an environment where the temperature was 25 ° C. and the relative humidity was 50%, pure methanol having a purity of 99.9% by weight was supplied to the fuel cell 1 produced as described above. In addition, a constant voltage power supply is connected, and the current flowing through the fuel cell 1 is controlled so that the output voltage of the fuel cell 1 is constant at 0.35 V per pair among four pairs of single cells connected in series. At this time, the output density obtained from the fuel cell 1 was measured.

ここで、燃料電池1の出力密度(mW/cm)とは、燃料電池1に流れる電流密度(発電部の面積1cm当りの電流値(mA/cm))に燃料電池1の出力電圧を乗じたものである。また、発電部の面積とは、アノード触媒層11とカソード触媒層14とが対向している部分の面積である。本実施例では、アノード触媒層11とカソード触媒層14の面積が等しく、かつ完全に対向しているので、発電部の面積はこれらの触媒層の面積に等しい。 Here, the output density (mW / cm 2 ) of the fuel cell 1 refers to the current density flowing through the fuel cell 1 (current value per 1 cm 2 area (mA / cm 2 ) of the power generation unit) and the output voltage of the fuel cell 1. Multiplied by. Further, the area of the power generation unit is the area of the portion where the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 face each other. In this embodiment, since the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 have the same area and are completely opposed to each other, the area of the power generation unit is equal to the area of these catalyst layers.

また、図11に示したように、カバープレート21の中央部と端部の表面にそれぞれ熱電対を取り付け、この2点間の温度差を測定した。   Moreover, as shown in FIG. 11, the thermocouple was attached to the surface of the center part and end part of the cover plate 21, respectively, and the temperature difference between these two points was measured.

(実施例7)
熱伝導体40の形状を図15のようにした以外は、実施例6と同様である。この実施例7では、(Λx×Lx)/(Λy×Ly)の値は6.21である。
(Example 7)
Example 6 is the same as Example 6 except that the shape of the heat conductor 40 is as shown in FIG. In Example 7, the value of (Λx × Lx) / (Λy × Ly) is 6.21.

(実施例8)
熱伝導体40の形状を図16のようにした以外は、実施例6と同様である。この実施例7では、(Λx×Lx)/(Λy×Ly)の値は1.53である。
(Example 8)
Example 6 is the same as Example 6 except that the shape of the heat conductor 40 is as shown in FIG. In Example 7, the value of (Λx × Lx) / (Λy × Ly) is 1.53.

(比較例2)
いずれの形状の熱伝導体40も設けない以外は、実施例6と同様である。
(Comparative Example 2)
Example 6 is the same as Example 6 except that the heat conductor 40 of any shape is not provided.

図22には、以上の結果をまとめて示したものである。なお、燃料電池1の出力密度を計測した結果と、カバープレート21の表面における中央部と端部との温度差を計測した結果は、それぞれ比較例2の値を100とした相対値で示してある。実施例6乃至8のいずれにおいても、比較例2より温度分布が均一化され、しかも、比較例2よりも高い出力密度が得られることが確認された。   FIG. 22 summarizes the above results. In addition, the result of measuring the output density of the fuel cell 1 and the result of measuring the temperature difference between the center part and the end part on the surface of the cover plate 21 are shown as relative values with the value of Comparative Example 2 being 100, respectively. is there. In any of Examples 6 to 8, it was confirmed that the temperature distribution was made more uniform than in Comparative Example 2, and that a higher power density than in Comparative Example 2 was obtained.

以上説明したように、この実施の形態によれば、膜電極接合体の面内での温度の分布のばらつきを緩和し、発電反応に必要な物質の授受の阻害因子を取り除き、安定して高い出力を得ることが可能であるとともに長寿命化が可能な燃料電池を提供することができ、さらには、その応用機器を提供することもできる。   As described above, according to this embodiment, variation in the temperature distribution in the surface of the membrane electrode assembly is alleviated, and obstructive factors for the exchange of substances necessary for power generation reaction are removed, and stably high. It is possible to provide a fuel cell capable of obtaining an output and prolonging the life, and further providing an application device thereof.

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.

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
20…板状体(保湿層)
21…カバープレート
40…熱伝導体
50…絶縁体
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 20 ... Plate-like body (moisturizing layer)
21 ... Cover plate 40 ... Thermal conductor 50 ... Insulator

Claims (19)

電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に間隔をおいて配置された複数の燃料極と、前記電解質膜の他方の面に前記燃料極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空気極と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記複数の空気極の前記電解質膜側とは反対の面側及び前記複数の燃料極の前記電解質膜側とは反対の面側の少なくとも一方に配置された熱伝導体と、
を具備することを特徴とする燃料電池。
An electrolyte membrane, a plurality of fuel electrodes arranged on one surface of the electrolyte membrane with a space, and a space on the other surface of the electrolyte membrane so as to face each of the fuel electrodes. A membrane electrode assembly having a plurality of air electrodes;
A heat conductor disposed on at least one of a surface side of the plurality of air electrodes opposite to the electrolyte membrane side of the membrane electrode assembly and a surface side of the plurality of fuel electrodes opposite to the electrolyte membrane side; ,
A fuel cell comprising:
さらに、前記熱伝導体と前記膜電極接合体との間に集電体を備えたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, further comprising a current collector between the thermal conductor and the membrane electrode assembly. さらに、前記熱伝導体と前記集電体との間に配置され通気性を有する絶縁体を備えたことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 2, further comprising an air-permeable insulator disposed between the heat conductor and the current collector. 前記熱伝導体は、多孔質性あるいは貫通孔を有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the heat conductor is porous or has a through hole. 前記熱伝導体は、その平面方向の熱伝導率λplが厚み方向の熱伝導率λtよりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the thermal conductor has a thermal conductivity λpl in a planar direction larger than a thermal conductivity λt in a thickness direction. 前記熱伝導体において、熱伝導率λplと熱伝導率λtとの比λpl/λtが10以上であることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池。   5. The fuel cell according to claim 4, wherein in the thermal conductor, a ratio λpl / λt of thermal conductivity λpl and thermal conductivity λt is 10 or more. 前記熱伝導体の気孔率は、50%以上であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the thermal conductor has a porosity of 50% or more. 前記熱伝導体において、その中央部での気孔率が周辺部より小さいことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the thermal conductor has a porosity at a central portion smaller than that of a peripheral portion. 前記熱伝導体は、隣り合う前記燃料極及び隣り合う前記空気極の少なくとも一方に跨って配置されたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the heat conductor is disposed across at least one of the adjacent fuel electrode and the adjacent air electrode. 前記熱伝導体において、隣り合う前記燃料極の間及び隣り合う前記空気極の間の少なくとも一方の直上にスリットが形成されたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein a slit is formed immediately above at least one of the heat conductors between the adjacent fuel electrodes and between the adjacent air electrodes. 前記熱伝導体は、前記燃料極の各々の周縁及び前記空気極の各々の周縁の少なくとも一方に沿った額縁状に形成されたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the heat conductor is formed in a frame shape along at least one of a peripheral edge of the fuel electrode and a peripheral edge of the air electrode. 前記燃料極及び前記空気極は略長方形状に形成され、
前記熱伝導体は、前記燃料極の各々の長辺に平行な方向及び前記空気極の各々の長辺に平行な方向の少なくとも一方に沿って形成されたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
The fuel electrode and the air electrode are formed in a substantially rectangular shape,
2. The heat conductor according to claim 1, wherein the heat conductor is formed along at least one of a direction parallel to a long side of each of the fuel electrodes and a direction parallel to a long side of each of the air electrodes. Fuel cell.
前記熱伝導体は、格子状に形成されたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the heat conductor is formed in a lattice shape. 前記燃料極及び前記空気極は、m及びnを1以上の整数としたときm×nのマトリクス状に配置されたことを特徴とする請求項13に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 13, wherein the fuel electrode and the air electrode are arranged in a matrix of m × n where m and n are integers of 1 or more. 前記熱伝導体は、中央部から周辺部に向かって放射状に形成されたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the heat conductor is formed radially from a central portion toward a peripheral portion. 前記燃料極及び前記空気極は、放射状、または、m及びnを1以上の整数としたときm×nのマトリクス状に配置されたことを特徴とする請求項15に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 15, wherein the fuel electrode and the air electrode are arranged in a radial shape or in an m × n matrix when m and n are integers of 1 or more. 前記膜電極接合体は略長方形状に形成され、前記膜電極接合体の長辺に平行な第1方向の長さをLx、前記膜電極接合体の短辺に平行な第2方向の長さをLy、前記第1方向の前記熱伝導体の熱伝導率λxと前記第1方向の前記熱伝導体の断面積Sxとの積(λx×Sx)を熱伝導性Λxとし、前記第2方向の前記熱伝導体の熱伝導率λyと前記第2方向の前記熱伝導体の断面積Syとの積(λy×Sy)を熱伝導性Λyとしたとき、
(Λx×Lx)/(Λy×Ly)>1
の関係を満たすことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
The membrane electrode assembly is formed in a substantially rectangular shape, the length in the first direction parallel to the long side of the membrane electrode assembly is Lx, and the length in the second direction parallel to the short side of the membrane electrode assembly Ly, and the product (λx × Sx) of the thermal conductivity λx of the thermal conductor in the first direction and the cross-sectional area Sx of the thermal conductor in the first direction is the thermal conductivity Λx, and the second direction When the product (λy × Sy) of the thermal conductivity λy of the thermal conductor and the cross-sectional area Sy of the thermal conductor in the second direction is the thermal conductivity Λy,
(Λx × Lx) / (Λy × Ly)> 1
The fuel cell according to claim 1, wherein:
前記燃料極の各々及び前記空気極の各々の長手方向が第1方向に平行であり、前記複数の燃料極の並び方向及び前記複数の空気極の並び方向が第1方向に直交する第2方向に平行である前記膜電極接合体は、略正方形状または略長方形状に形成され、
前記膜電極接合体の第1方向の長さをLx、前記膜電極接合体の第2方向の長さをLy、前記第1方向の前記熱伝導体の熱伝導率λxと前記第1方向の前記熱伝導体の断面積Sxとの積(λx×Sx)を熱伝導性Λxとし、前記第2方向の前記熱伝導体の熱伝導率λyと前記第2方向の前記熱伝導体の断面積Syとの積(λy×Sy)を熱伝導性Λyとしたとき、
(Λx×Lx)/(Λy×Ly)>1
の関係を満たすことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
A longitudinal direction of each of the fuel electrodes and each of the air electrodes is parallel to a first direction, and a second direction in which the arrangement direction of the plurality of fuel electrodes and the arrangement direction of the plurality of air electrodes are orthogonal to the first direction. The membrane electrode assembly that is parallel to is formed in a substantially square shape or a substantially rectangular shape,
The length in the first direction of the membrane electrode assembly is Lx, the length in the second direction of the membrane electrode assembly is Ly, the thermal conductivity λx of the thermal conductor in the first direction and the length in the first direction. The product (λx × Sx) of the cross-sectional area Sx of the thermal conductor is defined as thermal conductivity Λx, and the thermal conductivity λy of the thermal conductor in the second direction and the cross-sectional area of the thermal conductor in the second direction. When the product (λy × Sy) with Sy is the thermal conductivity Λy,
(Λx × Lx) / (Λy × Ly)> 1
The fuel cell according to claim 1, wherein:
前記熱伝導体は、グラファイトシートであることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the heat conductor is a graphite sheet.
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