JP2010103014A - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of stabilizing output as well as elongating service life. <P>SOLUTION: The fuel cell is provided with a membrane electrode assembly 2 having an electrolyte membrane 17 pinched by an anode 13 and a cathode 16, and a fuel supply mechanism 3 for supplying fuel to the anode 13 of the membrane electrode assembly 2. The fuel supply mechanism 3 is provided with a fuel distribution plate 31 having a fuel exhaust port 33 opposed to the anode 13 of the membrane electrode assembly 2 and a surface 31S of the fuel distribution plate 31A opposed to the anode 13 has lyophilic property to liquid fuel. <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.

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。DMFCにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。   For example, a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol as a fuel can be reduced in size and can be easily handled, and thus is regarded as a promising power source for portable electronic devices. Yes. As the liquid fuel supply method in the DMFC, there are known an active method such as a gas supply type and a liquid supply type, and a passive method such as an internal vaporization type in which the liquid fuel in the fuel container is vaporized inside the cell and supplied to the fuel electrode. It has been.

これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はDMFCの小型化に対して有利である。パッシブ型DMFCにおいては、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)を、箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、DMFCの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続することも検討されている(例えば、特許文献2及び3参照)。
国際公開第2005/112172号パンフレット 特表2005−518646号公報 特開2006−085952号公報
Among these, a passive system such as an internal vaporization type is advantageous for downsizing of the DMFC. In the passive type DMFC, for example, a structure in which a membrane electrode assembly (MEA) having a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode is arranged on a fuel storage portion formed of a box-like container has been proposed (for example, , See Patent Document 1). In addition, it has been studied to connect a fuel cell of a DMFC and a fuel storage unit via a flow path (see, for example, Patent Documents 2 and 3).
International Publication No. 2005/112172 Pamphlet JP 2005-518646 A JP 2006-089552 A

燃料電池においては、膜電極接合体に対してその面内において燃料を均一に供給することが重要である。すなわち、膜電極接合体においては、燃料の供給状態に応じて、出力が変化する。例えば、供給される燃料量が過剰であってもまた不足しても、効率の良い発電反応を生起できない。また、燃料の供給割合が高い部分と、供給割合が低い部分とでは、劣化の度合いに差が生じてしまうことがある。膜電極接合体の局所的な劣化は、寿命の低下を招く。   In the fuel cell, it is important to uniformly supply the fuel to the membrane electrode assembly in the plane thereof. That is, in the membrane electrode assembly, the output changes according to the fuel supply state. For example, an efficient power generation reaction cannot occur even if the amount of fuel supplied is excessive or insufficient. In addition, there may be a difference in the degree of deterioration between the portion where the fuel supply ratio is high and the portion where the fuel supply ratio is low. The local deterioration of the membrane / electrode assembly leads to a decrease in life.

この発明の目的は、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にある。   An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of stably obtaining a high output and extending its life.

この発明の態様による燃料電池は、
アノードとカソードとに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、を備え、
前記燃料供給機構は、前記膜電極接合体の前記アノードに対向する燃料排出口を有する燃料分配板を備え、
前記燃料分配板の前記アノードと対向する表面は、液状の燃料に対する親液性を有することを特徴とする。
A fuel cell according to an aspect of the present invention includes:
A membrane electrode assembly having an electrolyte membrane sandwiched between an anode and a cathode;
A fuel supply mechanism for supplying fuel to the anode of the membrane electrode assembly,
The fuel supply mechanism includes a fuel distribution plate having a fuel discharge port facing the anode of the membrane electrode assembly,
The surface of the fuel distribution plate facing the anode is lyophilic with respect to liquid fuel.

この発明によれば、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る。   According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell capable of stably obtaining a high output and extending its life.

すなわち、この発明の燃料電池によれば、燃料供給機構を構成する燃料分配板は、膜電極接合体のアノードと対向する表面が液状の燃料に対する親液性を有している。このため、燃料分配板の燃料排出口からアノードに向かって排出された燃料が液体であっても、燃料分配板の表面において短時間で燃料を拡散させることが可能となる。このため、膜電極接合体の面内全体に均一に燃料を供給することが可能となる。   That is, according to the fuel cell of the present invention, the surface of the fuel distribution plate constituting the fuel supply mechanism that faces the anode of the membrane electrode assembly is lyophilic with respect to the liquid fuel. For this reason, even if the fuel discharged from the fuel discharge port of the fuel distribution plate toward the anode is liquid, the fuel can be diffused in a short time on the surface of the fuel distribution plate. For this reason, it becomes possible to supply a fuel uniformly to the whole surface of a membrane electrode assembly.

これにより、膜電極接合体全体において効率的に発電反応を生起させ、安定して高い出力を得ることが可能である。また、膜電極接合体の局所的な劣化が抑制され、長寿命化が可能となる。   Thereby, it is possible to efficiently generate a power generation reaction in the entire membrane electrode assembly and stably obtain a high output. In addition, local deterioration of the membrane electrode assembly is suppressed, and the life can be extended.

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で構成されている。   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 conductive porous substrate such as carbon paper.

なお、図2及び図3に示した例においては、膜電極接合体2は、膜電極接合体2は、単一の電解質膜17の一方の面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の他方の面においてアノード13のそれぞれと対向するように間隔をおいて配置された複数のカソード16と、を備えている。ここでは、アノード13及びカソード16がそれぞれ4個である場合を示している。   In the example shown in FIGS. 2 and 3, the membrane electrode assembly 2 is composed of a plurality of anodes 13 arranged at intervals on one surface of a single electrolyte membrane 17. And a plurality of cathodes 16 arranged at intervals on the other surface of the electrolyte membrane 17 so as to face each of the anodes 13. 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。ここでは、単セルCのそれぞれは、同一平面上において、その長手方向と直交する方向に間隔をおいて並んで配置されている。なお、膜電極接合体2の構造は、この例に限らず他の構造であっても良い。   Each combination of the anode 13 and the cathode 16 sandwiches the electrolyte membrane 17 to form a single cell C. Here, each of the single cells C are arranged side by side in the direction orthogonal to the longitudinal direction on the same plane. The structure of the membrane electrode assembly 2 is not limited to this example, and may be another structure.

上述したような複数の単セルCを有する膜電極接合体2においては、各単セルCは、集電体18によって電気的に直列に接続されている。   In the membrane electrode assembly 2 having the plurality of single cells C as described above, the single cells C are electrically connected in series by the current collector 18.

このような集電体18は、アノード集電体18A及びカソード集電体18Cを有している。図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18は、それぞれ4個のアノード集電体18A及びカソード集電体18Cを有している。   Such a current collector 18 includes an anode current collector 18A and a cathode current collector 18C. In order to correspond to the membrane electrode assembly 2 shown in FIG. 2 and the like, the current collector 18 has four anode current collectors 18A and cathode current collectors 18C, respectively.

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

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

膜電極接合体2のカソード16側には、絶縁材料によって形成された板状体20が配置されている。図1に示した例では、板状体20は、カソード集電体18Cの上に配置されている。   A plate-like body 20 made of an insulating material is disposed on the cathode 16 side of the membrane electrode assembly 2. In the example shown in FIG. 1, the plate-like body 20 is disposed on the cathode current collector 18C.

この板状体20は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体20は、カソード触媒層14で生成された水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。   This plate-like body 20 mainly functions as a moisture retaining layer. That is, the plate-like body 20 is impregnated with a part of the water generated in the cathode catalyst layer 14 to suppress the transpiration of water, adjusts the amount of air taken into the cathode catalyst layer 14 and makes the air uniform. Promotes 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、外観が略矩形状のものであり、例えばステンレス鋼(SUS)によって形成されている。また、カバープレート21は、酸化剤である空気を取入れるための複数の開口部(空気導入孔)21Aを有している。   The membrane electrode assembly 2 described above is disposed between the fuel supply mechanism 3 and the cover plate 21. The cover plate 21 has a substantially rectangular appearance, and is made of, for example, stainless steel (SUS). The cover plate 21 has a plurality of openings (air introduction holes) 21A for taking in air as an oxidant.

燃料供給機構3は、膜電極接合体2のアノード13に対して燃料を供給するように構成されており、以下に、その構成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, and an example of the configuration will be described below.

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。この実施の形態においては、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。   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. In this embodiment, a configuration in which the fuel supply unit 31 includes a fuel distribution plate 31A will be described.

すなわち、図4及び図5に示すように、燃料分配板31Aは、少なくとも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。この燃料通路は、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, as shown in FIGS. 4 and 5, the fuel distribution plate 31 </ b> A has at least one fuel injection port 32 and a plurality of fuel discharge ports 33, via a fuel passage such as a narrow tube 34. The fuel injection port 32 and the fuel discharge port 33 are connected. This 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.

図4及び図5に示した例では、燃料注入口32は、1箇所にあり、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、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。   In the example shown in FIGS. 4 and 5, the fuel inlet 32 is in one place and 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 128 fuel discharge ports 33 for discharging liquid fuel or vaporized components thereof.

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。細管34は、例えば内径が0.05〜5mmの貫通孔であることが好ましい。   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 thin tube 34 is preferably a through hole having an inner diameter of 0.05 to 5 mm, for example.

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

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

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

燃料供給部31は、燃料分配板31Aと膜電極接合体2との間に燃料拡散室31Bとして機能する空間を形成するような構成であることが望ましい。この燃料拡散室31Bは、燃料排出口33から液体燃料が排出されたとしても気化を促進するとともに、面方向への拡散を促進する機能を有している。   The fuel supply unit 31 is preferably configured to form a space functioning as a fuel diffusion chamber 31B between the fuel distribution plate 31A and the membrane electrode assembly 2. The fuel diffusion chamber 31 </ b> 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。特に、図1に示したような構成においては、支持部材を適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、膜電極接合体2と燃料供給部31との間に支持部材を配置したことにより、燃料排出口33から膜電極接合体2までの距離を確保することができる。このため、燃料排出口33から供給された液体燃料の気化を促進するのに十分な容量を確保することができ、気体の状態の燃料を広範囲にわたって拡散させることが可能である。   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. In particular, in the configuration as shown in FIG. 1, the following effects can be obtained by applying the support member. That is, by disposing the support member between the membrane electrode assembly 2 and the fuel supply unit 31, the distance from the fuel discharge port 33 to the membrane electrode assembly 2 can be secured. For this reason, it is possible to secure a sufficient capacity to promote the vaporization of the liquid fuel supplied from the fuel discharge port 33, and it is possible to diffuse the fuel in a gaseous state over a wide range.

これにより、アノード13の面内における燃料の分布を平準化することが可能となり、膜電極接合体2での発電反応に必要とされる燃料を全体的に過不足なく供給することができる。したがって、燃料電池1の大型化や複雑化等を招くことなく、膜電極接合体2で効率的に発電反応を生起させることができる。これによって、燃料電池1の出力を向上させることが可能となる。言い換えると、燃料を循環させない燃料電池1の利点を損なうことなく、出力やその安定性を高めることができる。   As a result, the fuel distribution in the plane of the anode 13 can be leveled, and the fuel required for the power generation reaction in the membrane electrode assembly 2 can be supplied as a whole without excess or deficiency. Therefore, it is possible to efficiently generate a power generation reaction in the membrane electrode assembly 2 without causing an increase in size or complexity of the fuel cell 1. As a result, the output of the fuel cell 1 can be improved. In other words, the output and its stability can be improved without impairing the advantages of the fuel cell 1 that does not circulate the fuel.

また、支持部材により膜電極接合体2を支持するとともに、支持部材とカバープレート21との間で膜電極接合体2を保持するため、膜電極接合体2の撓みなどの変形を抑制することができ、膜電極接合体2と集電体との密着性を高めて出力の低下を抑制することが可能となる。   In addition, the membrane electrode assembly 2 is supported by the support member and the membrane electrode assembly 2 is held between the support member and the cover plate 21, so that deformation such as bending of the membrane electrode assembly 2 can be suppressed. It is possible to improve the adhesion between the membrane electrode assembly 2 and the current collector and suppress the decrease in output.

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。多孔体の構成材料としては、各種樹脂が使用され、多孔質状態の樹脂フィルム等が多孔体として用いられる。このような多孔体は、複数の多孔膜を積層して配置してもよい。すなわち、主にある一方向への拡散性が高い多孔体と、これに交差する(あるいは直交する)方向への拡散性が高い多孔体とを組み合わせて適用しても良い。   At least one porous body may be disposed between the membrane electrode assembly 2 and the fuel supply unit 31. As a constituent material of the porous body, various resins are used, and a porous resin film or the like is used as the porous body. Such a porous body may be arranged by laminating a plurality of porous films. That is, a porous body mainly having high diffusibility in one direction and a porous body having high diffusivity in a direction intersecting (or orthogonal to) the main body may be applied in combination.

特に、図1に示したような構成においては、多孔体を適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、多孔体を配置することによって、アノード13に対する燃料供給量をより一層平均化することができる。すなわち、燃料供給部31の燃料排出口33から供給された液体燃料は一旦多孔体に吸収され、多孔体の内部で面内方向に拡散する。この後、多孔体からアノード13に燃料が供給されるため、燃料供給量をより一層平均化することが可能となる。   In particular, in the configuration shown in FIG. 1, the following effects can be obtained by applying a porous body. That is, the fuel supply amount to the anode 13 can be further averaged by disposing the porous body. That is, the liquid fuel supplied from the fuel discharge port 33 of the fuel supply unit 31 is once absorbed by the porous body and diffuses in the in-plane direction inside the porous body. Thereafter, the fuel is supplied from the porous body to the anode 13, so that the fuel supply amount can be further averaged.

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。   Liquid fuel corresponding to the membrane electrode assembly 2 is stored in the fuel storage portion 4.

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。   Examples of the liquid fuel include methanol fuels such as aqueous methanol solutions of various concentrations and pure methanol. The liquid fuel is not necessarily limited to methanol fuel. The liquid fuel may be, for example, an ethanol fuel such as an ethanol aqueous solution or pure ethanol, a propanol fuel such as a propanol aqueous solution or pure propanol, a glycol fuel such as a glycol aqueous solution or pure glycol, dimethyl ether, formic acid, or other liquid fuel. In any case, liquid fuel corresponding to the membrane electrode assembly 2 is stored in the fuel storage portion 4.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

CH3OH+H2O → CO2+6H++6e- …(1)
この反応で生成した電子(e-)は、集電体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.

上述したように、この実施の形態においては、燃料供給機構3を構成する燃料分配板31Aは、燃料排出口33を有しており、この燃料排出口33が膜電極接合体2のアノード13に対向するように配置されている。燃料分配板31Aのアノード13に対向する表面31Sは、燃料供給機構3によって供給される液状の燃料に対して親液性を有している。   As described above, in this embodiment, the fuel distribution plate 31A constituting the fuel supply mechanism 3 has the fuel discharge port 33, and this fuel discharge port 33 is connected to the anode 13 of the membrane electrode assembly 2. It arrange | positions so that it may oppose. The surface 31S of the fuel distribution plate 31A facing the anode 13 is lyophilic with respect to the liquid fuel supplied by the fuel supply mechanism 3.

膜電極接合体2のアノード13に対しては、燃料を全面に均一に供給することが極めて重要である。燃料分配板31Aを適用した構成によれば、燃料排出口33から気化した燃料が排出される場合には、アノード13に至る間に拡散し、燃料供給量の均一化を図ることができる。一方、燃料排出口33から液体の燃料が排出される場合には、燃料供給量の均一化を図る上で、単位面積当たりの燃料排出口33の数を多くすることが一手法として挙げられる。しかしながら、製造上の問題、機械的強度上の問題などにより、燃料排出口33の数をさらに増やすことは困難である。   For the anode 13 of the membrane electrode assembly 2, it is extremely important to supply the fuel uniformly over the entire surface. According to the configuration to which the fuel distribution plate 31A is applied, when the vaporized fuel is discharged from the fuel discharge port 33, it is diffused while reaching the anode 13, and the fuel supply amount can be made uniform. On the other hand, when liquid fuel is discharged from the fuel discharge port 33, in order to make the fuel supply amount uniform, one method is to increase the number of the fuel discharge ports 33 per unit area. However, it is difficult to further increase the number of fuel discharge ports 33 due to problems in manufacturing, mechanical strength, and the like.

そこで、この実施の形態においては、燃料分配板31Aの表面31Sが、液体の燃料に対して親液化されている。このため、燃料分配板31Aの表面31Sにおいて、X−Y面内で液体の燃料を迅速に拡散させることが可能となる。   Therefore, in this embodiment, the surface 31S of the fuel distribution plate 31A is lyophilic with respect to the liquid fuel. For this reason, it becomes possible to quickly diffuse the liquid fuel in the XY plane on the surface 31S of the fuel distribution plate 31A.

図6のモデルに示すように、表面31Sが親液性を有していない場合、Aで示したように、燃料排出口33から排出された液体の燃料は、燃料排出口33の付近で広がらず、半球状をなすように溜まる。一方、表面31Sが親液性を有している場合には、Bで示したように、燃料排出口33から排出された液体の燃料は、表面31Sを伝わって短時間で拡散する。   As shown in the model of FIG. 6, when the surface 31S does not have lyophilicity, the liquid fuel discharged from the fuel discharge port 33 spreads in the vicinity of the fuel discharge port 33 as shown by A. Instead, it accumulates in a hemispherical shape. On the other hand, when the surface 31S has lyophilicity, as shown by B, the liquid fuel discharged from the fuel discharge port 33 travels along the surface 31S and diffuses in a short time.

このため、燃料排出口33から液体の燃料が排出されても、膜電極接合体2のアノード13に向けて面内全体に均一に燃料を供給することが可能となる。また、少量の燃料であっても、面内全体に均一に燃料を配分することができ、燃料の気化を促進しつつ、アノード13に対して安定的に均一な燃料供給が可能となる。   For this reason, even if liquid fuel is discharged from the fuel discharge port 33, it becomes possible to supply the fuel uniformly to the entire surface toward the anode 13 of the membrane electrode assembly 2. Further, even with a small amount of fuel, the fuel can be uniformly distributed over the entire surface, and the fuel can be stably and uniformly supplied to the anode 13 while promoting the vaporization of the fuel.

これにより、膜電極接合体2の全体において、適量の燃料を供給して効率的に発電反応を生起させることができ、高い出力を安定して得ることが可能となる。また、膜電極接合体2の局所的な劣化を抑制することができ、燃料電池の長寿命化が可能となる。さらに、膜電極接合体2と燃料供給部31との間に、燃料の拡散を促進するための多孔体などの燃料拡散シートが不要となり、燃料電池の薄型化が可能となる。   Thereby, in the whole membrane electrode assembly 2, an appropriate amount of fuel can be supplied to efficiently generate a power generation reaction, and a high output can be stably obtained. In addition, local deterioration of the membrane electrode assembly 2 can be suppressed, and the life of the fuel cell can be extended. Further, a fuel diffusion sheet such as a porous body for accelerating the diffusion of fuel is not required between the membrane electrode assembly 2 and the fuel supply unit 31, and the fuel cell can be made thin.

ここで、表面31Sの親液性について、より具体的に説明する。   Here, the lyophilicity of the surface 31S will be described more specifically.

表面31Sの燃料に対する接触角は、発明者による種々の検討の結果、90°以下であることが望ましい。また、別の観点から検証したところ、表面31Sの表面粗さは、中心線平均粗さ(Ra)で、0.1μm以上1.0μm以下であることが望ましい。   The contact angle of the surface 31S with respect to the fuel is desirably 90 ° or less as a result of various studies by the inventors. Further, when verified from another viewpoint, the surface roughness of the surface 31S is desirably a center line average roughness (Ra) of 0.1 μm or more and 1.0 μm or less.

このような燃料分配板31Aは、例えば、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンサルファイド(PES)、ポリフェニルサルファイド(PPS)、環状オレフィン共重合体(COC)のいずれかによって形成されている。   Such a fuel distribution plate 31A includes, for example, polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene sulfide (PES), polyphenyl sulfide (PPS), and cyclic olefin copolymer. It is formed by one of polymers (COC).

燃料分配板31Aの表面31Sには、例えば、コロナ放電処理、プラズマ重合処理、電子線処理などの方法によって表面処理(改質処理)がなされることにより、親液性が付与される。例えば、ポリエチレンによって形成された燃料分配板31Aについて、コロナ放電処理を施すことにより、ポリエチレンの表面が活性化され、極性基が生成されるため、濡れ性が向上する。このようにして表面31Sに親液性が付与される。   The surface 31S of the fuel distribution plate 31A is given lyophilicity by surface treatment (reforming treatment) by a method such as corona discharge treatment, plasma polymerization treatment, or electron beam treatment. For example, by performing corona discharge treatment on the fuel distribution plate 31A formed of polyethylene, the surface of polyethylene is activated and polar groups are generated, so that wettability is improved. In this way, lyophilicity is imparted to the surface 31S.

ここで、図9に示すように、燃料分配板31Aに対する水からなる液滴DRの接触角θは、液滴DRと燃料分配板31Aとが接触する点Pにおける液滴DRの表面カーブに対する接線と燃料分配板31Aの表面31Sとが成す角である。   Here, as shown in FIG. 9, the contact angle θ of the droplet DR made of water with respect to the fuel distribution plate 31A is tangent to the surface curve of the droplet DR at the point P where the droplet DR and the fuel distribution plate 31A contact each other. And the surface 31S of the fuel distribution plate 31A.

この接触角θは以下のように測定する。測定装置は、協和界面科学株式会社製の、接触角計(DropMaster 100)、固液界面解析装置(DropMaster 500)、測定解析統合システムソフトウェア(FAMAS:2004/7)を使用した。   This contact angle θ is measured as follows. As a measuring device, a contact angle meter (DropMaster 100), a solid-liquid interface analyzer (DropMaster 500), and a measurement / analysis integrated system software (FAMAS: 2004/7) manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd. were used.

最初に、図10に示すように、マイクロシリンジM(テフロン(登録商標)コート針 28G(φ0.1mm))で、純水の液滴DRを形成する。本実施形態に係る燃料電池の場合、液滴DRは約0.5マイクロリットルである。   First, as shown in FIG. 10, pure water droplets DR are formed with a microsyringe M (Teflon (registered trademark) coated needle 28G (φ0.1 mm)). In the case of the fuel cell according to the present embodiment, the droplet DR is about 0.5 microliter.

次に、図11に示すように、液滴DRの底を測定対象である燃料分配板31Aの表面31Sに接触させる。そして、マイクロシリンジMを燃料分配板31Aから離すと、燃料分配板31Aの表面31Sに図12に示すような液滴DRが付着する。この状態で、3000ms後に、液滴DRの高さhと、液滴DRの半径r(あるいは図9に示した液滴DRの両端間の距離もしくは液滴DRの直径2r)を測定する。   Next, as shown in FIG. 11, the bottom of the droplet DR is brought into contact with the surface 31S of the fuel distribution plate 31A that is the measurement target. When the microsyringe M is separated from the fuel distribution plate 31A, a droplet DR as shown in FIG. 12 adheres to the surface 31S of the fuel distribution plate 31A. In this state, after 3000 ms, the height h of the droplet DR and the radius r of the droplet DR (or the distance between both ends of the droplet DR shown in FIG. 9 or the diameter 2r of the droplet DR) are measured.

接触角θは、図9に示すθ1(=arctan(r/h))の2倍に等しいことから、測定された液滴DRの高さh及び半径rから、下記の式(A)を用いて接触角θの値が算出される。   Since the contact angle θ is equal to twice θ1 (= arctan (r / h)) shown in FIG. 9, the following formula (A) is used from the measured height h and radius r of the droplet DR. Thus, the value of the contact angle θ is calculated.

θ= 2 arctan(r/h) ・・・式(A)
上記のように算出された接触角θは、その値が大きいほど、測定対象の疎水性が高いことを示し、その値が小さいほど測定対象の疎水性が低いことを示している。
θ = 2 arctan (r / h) Formula (A)
The contact angle θ calculated as described above indicates that the larger the value, the higher the hydrophobicity of the measurement object, and the smaller the value, the lower the hydrophobicity of the measurement object.

図1に示した例では、燃料供給機構3は、膜電極接合体2と燃料分配板31Aとの間にギャップを有し、燃料供給部31を構成する燃料拡散室31Bを形成している。このため、燃料排出口33から液体の燃料が排出されたとしても、燃料分配板31Aの表面で拡散された後に、気化を促進するためのパスを確保することができる。   In the example shown in FIG. 1, the fuel supply mechanism 3 has a gap between the membrane electrode assembly 2 and the fuel distribution plate 31 </ b> A, and forms a fuel diffusion chamber 31 </ b> B constituting the fuel supply unit 31. For this reason, even if liquid fuel is discharged from the fuel discharge port 33, it is possible to secure a path for promoting vaporization after being diffused on the surface of the fuel distribution plate 31A.

上述した燃料電池1においては、さらに、膜電極接合体2のアノード13と燃料供給機構3の燃料分配板31Aとの間に配置された拡散板40を備えて構成しても良い。   The fuel cell 1 described above may further include a diffusion plate 40 disposed between the anode 13 of the membrane electrode assembly 2 and the fuel distribution plate 31A of the fuel supply mechanism 3.

すなわち、図7に示すように、拡散板40は、燃料分配板31Aとの間に液状の燃料または気体状の燃料が通過可能なわずかなギャップをもって重ね合わせられている。この拡散板40は、燃料分配板31Aから膜電極接合体2に至る貫通孔41を有している。これにより、燃料排出口33から排出された燃料を貫通孔41からアノード13に向けて排出される。   That is, as shown in FIG. 7, the diffusion plate 40 is overlapped with the fuel distribution plate 31A with a slight gap through which liquid fuel or gaseous fuel can pass. The diffusion plate 40 has a through hole 41 extending from the fuel distribution plate 31 </ b> A to the membrane electrode assembly 2. Thus, the fuel discharged from the fuel discharge port 33 is discharged from the through hole 41 toward the anode 13.

また、この拡散板40は、少なくともアノード13と対向する面42が液状の燃料に対する親液性を有している。このような拡散板40としては、フィルム状であってもよいし、板状であってもよい。また、拡散板40は、親液性を有する材料によって形成されても良いし、少なくとも表面42が親液性を有するように表面処理されたものであっても良い。   Further, the diffusion plate 40 has at least a surface 42 facing the anode 13 having lyophilicity with respect to the liquid fuel. Such a diffusion plate 40 may be in the form of a film or a plate. The diffusion plate 40 may be formed of a lyophilic material, or may be surface-treated so that at least the surface 42 has lyophilic properties.

このような拡散板40を適用したことにより、拡散板40の貫通孔41からアノード13に向かって排出された燃料が液体であっても、拡散板40の表面42において短時間で燃料を拡散させることが可能となる。このため、膜電極接合体2の面内全体に均一に燃料を供給することが可能となる。   By applying such a diffusion plate 40, even if the fuel discharged from the through hole 41 of the diffusion plate 40 toward the anode 13 is a liquid, the fuel is diffused in the surface 42 of the diffusion plate 40 in a short time. It becomes possible. For this reason, it becomes possible to supply fuel uniformly to the entire surface of the membrane electrode assembly 2.

また、燃料排出口33からアノード13までの間に液体燃料の気化を促進するためのパスを確保できる。   In addition, a path for promoting the vaporization of the liquid fuel can be secured between the fuel discharge port 33 and the anode 13.

特に、図7に示したように、拡散板40の貫通孔41は、燃料分配板31Aの燃料排出口33に重なることなく配置されることがより望ましい。つまり、燃料排出口33と貫通孔41とは同軸上に位置していない。これにより、燃料排出口33から液体燃料が排出されたとしても、液体燃料の気化を促進するためのパスをさらに長く確保できる。   In particular, as shown in FIG. 7, it is more desirable that the through hole 41 of the diffusion plate 40 is disposed without overlapping the fuel discharge port 33 of the fuel distribution plate 31A. That is, the fuel discharge port 33 and the through hole 41 are not located on the same axis. Thereby, even if the liquid fuel is discharged from the fuel discharge port 33, a longer path for promoting the vaporization of the liquid fuel can be secured.

この場合、拡散板40の燃料分配板31Aと対向する面43も、液状の燃料に対する親液性を有していることが望ましい。つまり、燃料分配板31Aと拡散板40との間のギャップが親液性を有する面によって囲まれている。このため、燃料排出口33から排出された液体の燃料をさらに迅速に拡散することが可能となる。   In this case, it is desirable that the surface 43 of the diffusion plate 40 facing the fuel distribution plate 31A also has lyophilicity for the liquid fuel. That is, the gap between the fuel distribution plate 31A and the diffusion plate 40 is surrounded by a surface having lyophilicity. For this reason, it becomes possible to diffuse the liquid fuel discharged from the fuel discharge port 33 more rapidly.

また、拡散板40に形成される貫通孔41は、燃料分配板31Aに形成される燃料排出口33よりも密に配置されることが望ましい。すなわち、図8に示すように、燃料排出口33と貫通孔41とは同軸上に位置しておらず、燃料分配板31Aに拡散板40を重ねて配置した際、1個の燃料排出口33の周辺に複数の貫通孔41が近接している。   Further, it is desirable that the through holes 41 formed in the diffusion plate 40 are arranged more densely than the fuel discharge ports 33 formed in the fuel distribution plate 31A. That is, as shown in FIG. 8, the fuel discharge port 33 and the through hole 41 are not located on the same axis, and when the diffusion plate 40 is placed on the fuel distribution plate 31A, one fuel discharge port 33 is disposed. A plurality of through holes 41 are close to each other.

つまり、1個の燃料排出口33から排出された燃料は、複数の貫通孔41を経てアノード13に向けて供給される。このため、液体燃料の拡散が促進されるとともに気化が促進され、膜電極接合体2の面内全体に均一に燃料を供給することが可能となる。   That is, the fuel discharged from one fuel discharge port 33 is supplied toward the anode 13 through the plurality of through holes 41. For this reason, the diffusion of the liquid fuel is promoted and the vaporization is promoted, and the fuel can be uniformly supplied to the entire surface of the membrane electrode assembly 2.

以上説明したように、この実施の形態によれば、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できる。   As described above, according to this embodiment, it is possible to provide a fuel cell capable of stably obtaining a high output and extending its life.

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

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

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

図1は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池の構造を概略的に示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 図2は、図1に示した燃料電池に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燃料供給機構における燃料供給部の燃料分配板の構造を概略的に示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view schematically showing the structure of the fuel distribution plate of the fuel supply unit in the fuel supply mechanism applicable to the fuel cell shown in FIG. 図5は、図4に示した燃料分配板の平面図である。FIG. 5 is a plan view of the fuel distribution plate shown in FIG. 図6は、燃料分配板の表面が液体燃料に対する親液性を有する場合の効果を説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining the effect when the surface of the fuel distribution plate has lyophilicity with respect to the liquid fuel. 図7は、図1に示した燃料電池に適用可能な燃料供給機構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 a fuel supply mechanism applicable to the fuel cell shown in FIG. 図8は、図7に示した燃料供給機構における燃料分配板の燃料排出口と拡散板の貫通孔との位置関係を説明するための図である。FIG. 8 is a view for explaining the positional relationship between the fuel discharge port of the fuel distribution plate and the through hole of the diffusion plate in the fuel supply mechanism shown in FIG. 図9は、燃料分配板の表面の接触角を測定する方法を説明するための図である。FIG. 9 is a diagram for explaining a method of measuring the contact angle of the surface of the fuel distribution plate. 図10は、燃料分配板の表面の接触角を測定するための一工程を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining one process for measuring the contact angle of the surface of the fuel distribution plate. 図11は、燃料分配板の表面の接触角を測定するための一工程を説明するための図である。FIG. 11 is a diagram for explaining one process for measuring the contact angle of the surface of the fuel distribution plate. 図12は、燃料分配板の表面の接触角を測定するための一工程を説明するための図である。FIG. 12 is a diagram for explaining one process for measuring the contact angle of the surface of the fuel distribution plate.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池 2…膜電極接合体
11…アノード触媒層 12…アノードガス拡散層 13…アノード
14…カソード触媒層 15…カソードガス拡散層 16…カソード
17…電解質膜 18…集電体 19…シール部材
20…板状体 21…カバープレート
3…燃料供給機構 4…燃料収容部 5…流路 6…ポンプ
31…燃料供給部 31A…燃料分配板 31B…燃料拡散室
31S…表面
32…燃料注入口 33…燃料排出口
40…拡散板 41…貫通孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell 2 ... Membrane electrode assembly 11 ... Anode catalyst layer 12 ... Anode gas diffusion layer 13 ... Anode 14 ... Cathode catalyst layer 15 ... Cathode gas diffusion layer 16 ... Cathode 17 ... Electrolyte membrane 18 ... Current collector 19 ... Seal Member 20 ... Plate-like body 21 ... Cover plate 3 ... Fuel supply mechanism 4 ... Fuel accommodating part 5 ... Flow path 6 ... Pump 31 ... Fuel supply part 31A ... Fuel distribution plate 31B ... Fuel diffusion chamber 31S ... Surface 32 ... Fuel inlet 33 ... Fuel outlet 40 ... Diffusion plate 41 ... Through hole

Claims (10)

アノードとカソードとに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、を備え、
前記燃料供給機構は、前記膜電極接合体の前記アノードに対向する燃料排出口を有する燃料分配板を備え、
前記燃料分配板の前記アノードと対向する表面は、液状の燃料に対する親液性を有することを特徴とする燃料電池。
A membrane electrode assembly having an electrolyte membrane sandwiched between an anode and a cathode;
A fuel supply mechanism for supplying fuel to the anode of the membrane electrode assembly,
The fuel supply mechanism includes a fuel distribution plate having a fuel discharge port facing the anode of the membrane electrode assembly,
The fuel cell according to claim 1, wherein a surface of the fuel distribution plate facing the anode is lyophilic with respect to a liquid fuel.
前記燃料分配板の前記表面の燃料に対する接触角は、90°以下である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 contact angle of the surface of the fuel distribution plate with respect to the fuel is 90 ° or less. 前記燃料分配板の前記表面の表面粗さは、中心線平均粗さ(Ra)で、0.1μm以上1.0μm以下である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 surface roughness of the surface of the fuel distribution plate is a center line average roughness (Ra) of 0.1 μm or more and 1.0 μm or less. 前記燃料分配板は、燃料注入口と、複数の燃料排出口と、前記燃料注入口と前記燃料排出口とを接続する燃料通路と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 fuel distribution plate includes a fuel inlet, a plurality of fuel outlets, and a fuel passage connecting the fuel inlet and the fuel outlet. 前記燃料分配板は、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンサルファイド(PES)、ポリフェニルサルファイド(PPS)、環状オレフィン共重合体(COC)のいずれかによ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 distribution plate includes polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene sulfide (PES), polyphenyl sulfide (PPS), and cyclic olefin copolymer (COC). The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is formed of any one of the above. 前記燃料供給機構は、前記膜電極接合体と前記燃料分配板との間に燃料拡散室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, wherein the fuel supply mechanism includes a fuel diffusion chamber between the membrane electrode assembly and the fuel distribution plate. さらに、前記アノードと前記燃料分配板との間に配置され、前記燃料排出口から排出された燃料を前記アノードに向けて排出する貫通孔を有するとともに少なくとも前記アノードと対向する面が液状の燃料に対する親液性を有する拡散板を備えたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   Furthermore, it is disposed between the anode and the fuel distribution plate, and has a through hole for discharging the fuel discharged from the fuel discharge port toward the anode, and at least a surface facing the anode corresponds to the liquid fuel. 2. The fuel cell according to claim 1, further comprising a diffusive diffusion plate. 前記拡散板の前記貫通孔は、前記燃料分配板の前記燃料排出口に重なることなく配置されたことを特徴とする請求項7に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 7, wherein the through hole of the diffusion plate is disposed without overlapping the fuel discharge port of the fuel distribution plate. 前記貫通孔は、前記燃料排出口よりも密に配置されたことを特徴とする請求項7に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 7, wherein the through hole is arranged more densely than the fuel discharge port. 前記膜電極接合体に供給される燃料は、メタノール濃度が80wt%以上のメタノール水溶液または純メタノールである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 fuel supplied to the membrane electrode assembly is a methanol aqueous solution or pure methanol having a methanol concentration of 80 wt% or more.
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