JP2010108636A

JP2010108636A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2010108636A
Application number: JP2008276887A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Yoshida; 勇一吉田; Jun Monma; 旬門馬; Yasutada Nakagawa; 泰忠中川; Asako Sato; 麻子佐藤; Toru Yajima; 亨矢嶋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2010-05-13

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of improving an output by promoting introduction of materials necessary for power generation reaction. SOLUTION: The fuel cell includes a membrane electrode assembly 2 having an anode 13, a cathode 16 and an electrolyte membrane 17 interposed between the anode and the cathode, a seal member 19 surrounding the anode and the cathode, respectively, and arranged so as to form a space at least on one of the anode or cathode, a fuel supply mechanism 3 supplying fuel to the anode of the membrane electrode assembly. An opening OA or OC for introducing a necessary material into a space for power generation reaction in the membrane electrode assembly is formed. COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

この発明は、液体燃料を用いた燃料電池の技術に関する。 The present invention relates to a technology of a fuel cell using a liquid fuel.

近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。 In recent years, attempts have been made to use a fuel cell as a power source for portable electronic devices such as notebook computers and mobile phones so that they can be used for a long time without being charged. A fuel cell is characterized in that it can generate electric power simply by supplying fuel and air, and can generate electric power continuously for a long time if fuel is replenished. For this reason, if the fuel cell can be reduced in size, it can be said that the system is extremely advantageous as a power source for portable electronic devices.

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

このような燃料電池においては、発電反応に必要な物質、例えば燃料や酸化剤（空気中の酸素）を効率良く導入することが求められている。 In such a fuel cell, it is required to efficiently introduce a substance necessary for a power generation reaction, for example, a fuel or an oxidant (oxygen in the air).

例えば、特許文献１によれば、複数の電極・電解質一体化物（ＭＥＡ）の正極側及び負極側のそれぞれに酸素導入孔及び燃料導入孔を有する集電プレート、絶縁プレート、及び、パネルプレートを順次配置し、これらの孔によってパネルプレートからＭＥＡまで到達する開口部が形成された構造の燃料電池が開示されている。このような構造によれば、開口部から拡散層に向けて燃料や酸素が供給可能となる。 For example, according to Patent Document 1, a current collecting plate, an insulating plate, and a panel plate having an oxygen introduction hole and a fuel introduction hole on each of a positive electrode side and a negative electrode side of a plurality of electrode / electrolyte integrated products (MEA) are sequentially provided. There is disclosed a fuel cell having a structure in which openings are formed to reach the MEA from the panel plate by these holes. According to such a structure, fuel and oxygen can be supplied from the opening toward the diffusion layer.

また、特許文献２によれば、発電部の空気極に積層された金属シートに空気が通る孔が形成され、しかも空気取り入れ口に設けられた開閉可能な扉を備えた燃料電池が開示されている。
特開２００８−０６６１７３号公報特開２００５−２２８６８７号公報 Further, according to Patent Document 2, a fuel cell is disclosed in which a hole through which air passes is formed in a metal sheet laminated on an air electrode of a power generation unit, and an openable / closable door provided in an air intake port is disclosed. Yes.
JP 2008-066173 A JP 2005-228687A

この発明の目的は、発電反応に必要な物質の導入を促進し、出力を向上す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 promoting the introduction of a substance necessary for a power generation reaction and improving the output.

この発明の態様による燃料電池は、
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記アノード及び前記カソードをそれぞれ囲むとともに、前記アノードとの間、及び、前記カソードとの間の少なくとも一方に空間を形成するように配置されたシール部材と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、を備え、
前記膜電極接合体における発電反応に必要な物質を前記空間に導入する開口部が形成されたことを特徴とする。 A fuel cell according to an aspect of the present invention includes:
A membrane electrode assembly having an anode, a cathode, and an electrolyte membrane sandwiched between the anode and the cathode;
A seal member that surrounds each of the anode and the cathode and is disposed so as to form a space between the anode and at least one of the cathode;
A fuel supply mechanism for supplying fuel to the anode of the membrane electrode assembly,
An opening for introducing a substance necessary for a power generation reaction in the membrane electrode assembly into the space is formed.

この発明によれば、発電反応に必要な物質の導入を促進し、出力を向上す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, it is possible to provide a fuel cell capable of promoting the introduction of a substance necessary for a power generation reaction and improving the output.

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、主として、起電部を構成する膜電極接合体（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ：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、を備えて構成されている。 The fuel cell 1 mainly includes a membrane electrode assembly (MEA) 2 that constitutes an electromotive unit, and a fuel supply mechanism 3 that supplies fuel to the membrane electrode assembly 2. .

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

アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、パラジウム（Ｐｄ）等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１には、メタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４には、ＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒は、これらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。また、触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。 Examples of the catalyst contained in the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 include platinum such as platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), iridium (Ir), osmium (Os), and palladium (Pd). Examples thereof include a group element simple substance and an alloy containing a platinum group element. For the anode catalyst layer 11, it is preferable to use Pt—Ru, Pt—Mo, or the like that has strong resistance to methanol, carbon monoxide, or the like. It is preferable to use Pt, Pt—Ni or the like for the cathode catalyst layer 14. However, the catalyst is not limited to these, and various substances having catalytic activity can be used. The catalyst may be either a supported catalyst using a conductive carrier such as a carbon material or an unsupported catalyst.

電解質膜１７を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜１７は、これらに限られるものではない。 Examples of the proton conductive material constituting the electrolyte membrane 17 include fluorine-based resins (Nafion (trade name, manufactured by DuPont) and Flemion (trade name, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) such as a perfluorosulfonic acid polymer having a sulfonic acid group. Etc.), organic materials such as hydrocarbon resins having sulfonic acid groups, or inorganic materials such as tungstic acid and phosphotungstic acid. However, the proton conductive electrolyte membrane 17 is not limited to these.

アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層１１の集電機能を有するものである。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層１４の集電機能を有するものである。アノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は、例えばカーボンペーパーなどの導電性を有する多孔質基材によって構成されている。 The anode gas diffusion layer 12 laminated on the anode catalyst layer 11 serves to uniformly supply fuel to the anode catalyst layer 11 and has a current collecting function of the anode catalyst layer 11. The cathode gas diffusion layer 15 laminated on the cathode catalyst layer 14 serves to uniformly supply the oxidant to the cathode catalyst layer 14 and has a current collecting function of the cathode catalyst layer 14. The anode gas diffusion layer 12 and the cathode gas diffusion layer 15 are made of a porous substrate having conductivity, such as carbon paper.

膜電極接合体２は、電解質膜１７のアノード側及びカソード側にそれぞれ配置されたゴム製のＯリング等のシール部材１９Ａ及び１９Ｃ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。すなわち、シール部材１９Ａは、アノード１３を囲むように配置されている。シール部材１９Ｃは、カソード１６を囲むように配置されている。 The membrane electrode assembly 2 is sealed by seal members 19A and 19C such as rubber O-rings disposed on the anode side and the cathode side of the electrolyte membrane 17, respectively, so that fuel from the membrane electrode assembly 2 can be obtained. Leakage and oxidant leakage are prevented. That is, the seal member 19 A is disposed so as to surround the anode 13. The seal member 19 C is disposed so as to surround the cathode 16.

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

上述した膜電極接合体２は、燃料供給機構３とカバープレート２１との間に配置されている。すなわち、カバープレート２１は、膜電極接合体２のカソード側に配置されている。このカバープレート２１は、カソード１６と重なる（ここでは、カソード１６とカバープレート２１との間に板状体２０など複数の部材が介在する場合を含む）領域に、酸化剤である空気を取入れるための複数の空気導入孔２１Ａを有している。つまり、カバープレート２１において、空気導入孔２１Ａは、カソード１６の直上に位置している。 The membrane electrode assembly 2 described above is disposed between the fuel supply mechanism 3 and the cover plate 21. That is, the cover plate 21 is disposed on the cathode side of the membrane electrode assembly 2. The cover plate 21 takes in air as an oxidant into a region overlapping with the cathode 16 (including a case where a plurality of members such as the plate-like body 20 are interposed between the cathode 16 and the cover plate 21 here). A plurality of air introduction holes 21A. That is, in the cover plate 21, the air introduction hole 21 A is located immediately above the cathode 16.

このようなカバープレート２１は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。この場合、空気導入孔２１Ａは、カバープレート２１の表裏を貫通する貫通孔である。また、カバープレート２１は、例えば多孔体によって形成されても良い。この場合、空気導入孔２１Ａは、複数の連通した気孔によって構成されている。 Such a cover plate 21 is made of, for example, stainless steel (SUS). In this case, the air introduction hole 21 A is a through hole that penetrates the front and back of the cover plate 21. Further, the cover plate 21 may be formed of a porous body, for example. In this case, the air introduction hole 21A is configured by a plurality of communicating pores.

燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード側に配置され、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。以下に、燃料供給機構３の一例について説明する。なお、燃料供給機構３は、特定の構成に限定されるものではない。 The fuel supply mechanism 3 is arranged on the anode side of the membrane electrode assembly 2 and is configured to supply fuel to the anode 13 of the membrane electrode assembly 2. Hereinafter, an example of the fuel supply mechanism 3 will be described. The fuel supply mechanism 3 is not limited to a specific configuration.

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、アノード１３と重なる（ここでは、アノード１３と燃料分配板３１Ａとの間に他の部材が介在する場合を含む）領域に形成され、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。このような燃料排出口３３は、細管３４まで貫通した貫通孔である。 A fuel injection port 32 is provided at one end (starting end) of the thin tube 34. The narrow tube 34 is branched into a plurality of parts along the way, and a fuel discharge port 33 is provided at each terminal portion of the branched narrow tube 34. The fuel inlet 32 communicates with the fuel inlet 30 A of the container 30. As a result, the fuel inlet 32 of the fuel distribution plate 31 A is connected to the fuel storage portion 4 via the flow path 5. The fuel discharge port 33 is formed in a region overlapping with the anode 13 (in this case, including a case where another member is interposed between the anode 13 and the fuel distribution plate 31A). Vaporizing components are discharged. Such a fuel discharge port 33 is a through-hole penetrating to the narrow tube 34.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ところで、この実施の形態においては、シール部材１９Ａとアノード１３との間、及び、シール部材１９Ｃとカソード１６との間の少なくとも一方に空間が形成されている。このような空間は、膜電極接合体２における発電反応に必要な物質（例えば燃料や酸素）が不足しないように、物質を一時的に貯留するバッファとしての機能を有する。 By the way, in this embodiment, a space is formed between at least one of the seal member 19A and the anode 13 and between the seal member 19C and the cathode 16. Such a space has a function as a buffer for temporarily storing a substance so that a substance (for example, fuel or oxygen) necessary for a power generation reaction in the membrane electrode assembly 2 is not insufficient.

図１に示した例では、膜電極接合体２のアノード側に空間ＳＡが形成されているとともに、膜電極接合体２のカソード側に空間ＳＣが形成されている。 In the example shown in FIG. 1, a space SA is formed on the anode side of the membrane electrode assembly 2, and a space SC is formed on the cathode side of the membrane electrode assembly 2.

すなわち、シール部材１９Ａは、アノード１３から離間し、電解質膜１７と燃料供給部３１（あるいは燃料分配板３１Ａ）との間において、アノード１３との間に空間ＳＡを形成するように配置されている。このような空間ＳＡは、アノード１３を取り巻くように形成されている。 That is, the seal member 19A is separated from the anode 13 and is disposed so as to form a space SA between the electrolyte membrane 17 and the fuel supply part 31 (or fuel distribution plate 31A) and the anode 13. . Such a space SA is formed so as to surround the anode 13.

シール部材１９Ｃは、カソード１６から離間し、電解質膜１７とカバープレート２１との間において、カソード１６との間に空間ＳＣを形成するように配置されている。このような空間ＳＣは、カソード１６を取り巻くように形成されている。 The seal member 19 C is spaced from the cathode 16 and is disposed between the electrolyte membrane 17 and the cover plate 21 so as to form a space SC between the cathode 16. Such a space SC is formed so as to surround the cathode 16.

つまり、空間ＳＡ及びＳＣは、実質的にシール部材１９Ａ及び１９Ｃで囲まれた内側の有効部Ｓ_ＥＦＦのうち、膜電極接合体２が配置された領域Ｓ_ＭＥＡの外周部に形成されている。 In other words, the space SA and SC, of the substantially sealing member 19A and inside the effective portion S _EFF surrounded by 19C, the membrane electrode assembly 2 is formed on the outer peripheral portion of the arrangement region S _MEA.

特に、この実施の形態においては、このような空間Ｓに発電反応に必要な物質を導入するための開口部が形成されている。 In particular, in this embodiment, an opening for introducing a substance necessary for a power generation reaction is formed in such a space S.

図１に示した例では、燃料供給機構３の燃料供給部３１（あるいは燃料分配板３１Ａ）には、空間ＳＡに燃料を導入するために、空間ＳＡに連通した開口部ＯＡが形成されている。つまり、燃料供給部３１は、アノード１３と重なる領域に形成された燃料排出口３３に加え、アノード１３と重ならない領域であって空間ＳＡと重なる領域に形成された開口部ＯＡを有している。このような開口部ＯＡは、細管３４に接続されている。これにより、空間ＳＡには、発電反応に必要な燃料が導入可能となる。このため、膜電極接合体２に対して、十分な燃料を供給することが可能となる。 In the example shown in FIG. 1, the fuel supply part 31 (or fuel distribution plate 31A) of the fuel supply mechanism 3 is formed with an opening OA communicating with the space SA in order to introduce fuel into the space SA. . That is, the fuel supply unit 31 has an opening OA formed in a region that does not overlap the anode 13 and overlaps the space SA, in addition to the fuel discharge port 33 formed in the region overlapping the anode 13. . Such an opening OA is connected to the thin tube 34. Thereby, the fuel necessary for the power generation reaction can be introduced into the space SA. For this reason, it becomes possible to supply sufficient fuel to the membrane electrode assembly 2.

また、カバープレート２１には、空間ＳＣに空気（あるいは酸素）を導入するために、空間ＳＣに連通した開口部ＯＣが形成されている。つまり、カバープレート２１は、カソード１６と重なる領域に形成された空気導入孔２１Ａに加え、カソード１６と重ならない領域であって空間ＳＣと重なる領域に形成された開口部ＯＣを有している。これにより、空間ＳＣには、発電反応に必要な空気（あるいは酸素）が導入可能となる。このため、膜電極接合体２に対して、十分な空気（あるいは酸素）を供給することが可能となる。 The cover plate 21 has an opening OC that communicates with the space SC in order to introduce air (or oxygen) into the space SC. That is, the cover plate 21 has an opening OC formed in a region that does not overlap the cathode 16 but overlaps the space SC, in addition to the air introduction hole 21A formed in the region overlapping the cathode 16. Thereby, air (or oxygen) necessary for the power generation reaction can be introduced into the space SC. For this reason, it becomes possible to supply sufficient air (or oxygen) to the membrane electrode assembly 2.

このような構成によれば、発電反応に必要な物質の導入を促進することが可能となり、出力を向上することが可能となる。なお、上述した例では、膜電極接合体２のアノード側及びカソード側にそれぞれ空間ＳＡ及びＳＣを形成し、それぞれの空間に物質の導入を可能とする開口部ＯＡ及びＯＣを形成したが、少なくとも一方の空間ＳＡまたはＳＣに対して物質の導入を可能とする開口部ＯＡまたはＯＣを形成することにより、発電反応が促進され、出力向上の効果が得られることは言うまでもない。 According to such a configuration, introduction of a substance necessary for a power generation reaction can be promoted, and output can be improved. In the above-described example, the spaces SA and SC are formed on the anode side and the cathode side of the membrane electrode assembly 2, respectively, and the openings OA and OC that allow introduction of substances are formed in the respective spaces. Needless to say, by forming the opening OA or OC that allows the introduction of a substance into one of the spaces SA or SC, the power generation reaction is promoted and the effect of improving the output is obtained.

図２及び図３に示した例では、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７の一方の面１７Ａに配置された単一のアノード１３と、電解質膜１７の他方の面１７Ｃにアノード１３と対向するように配置された単一のカソード１６と、を備えている。アノード１３とカソード１６との組み合わせは、電解質膜１７を挟持し、単セルＣをなしている。 In the example shown in FIGS. 2 and 3, the membrane electrode assembly 2 includes a single anode 13 disposed on one surface 17 A of the single electrolyte membrane 17 and an anode on the other surface 17 C of the electrolyte membrane 17. 13 and a single cathode 16 arranged so as to face 13. The combination of the anode 13 and the cathode 16 sandwiches the electrolyte membrane 17 to form a single cell C.

シール部材１９Ａは、電解質膜１７の面１７Ａにおいて、アノード１３に接することなくアノード１３を囲むようにループ状に配置されている。空間ＳＡは、平面的にみて、シール部材１９Ａとアノード１３との間に形成されている。 The seal member 19 A is arranged in a loop shape on the surface 17 A of the electrolyte membrane 17 so as to surround the anode 13 without contacting the anode 13. The space SA is formed between the seal member 19A and the anode 13 in plan view.

シール部材１９Ｃは、電解質膜１７の面１７Ｃにおいて、カソード１６に接することなくカソード１６を囲むようにループ状に配置されている。空間ＳＣは、平面的にみて、シール部材１９Ｃとカソード１６との間に形成されている。 The sealing member 19 C is arranged in a loop shape on the surface 17 C of the electrolyte membrane 17 so as to surround the cathode 16 without contacting the cathode 16. The space SC is formed between the seal member 19C and the cathode 16 in plan view.

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

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

図４などに示したような複数の単セルＣを有する膜電極接合体２においては、各単セルＣは、集電体１８によって電気的に直列に接続されている。すなわち、この集電体１８は、図１に示したように、アノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃを有している。図４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。 In the membrane electrode assembly 2 having a plurality of single cells C as shown in FIG. 4 and the like, each single cell C is electrically connected in series by a current collector 18. That is, the current collector 18 has an anode current collector 18A and a cathode current collector 18C as shown in FIG. In order to correspond to the membrane electrode assembly 2 shown in FIG. 4 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.

シール部材１９Ａは、電解質膜１７の面１７Ａにおいて、４つのアノード１３に接することなくこれらのアノード１３を囲むように電解質膜１７の周縁に沿ってループ状に配置されている。空間ＳＡは、平面的にみて、シール部材１９Ａと各アノード１３との間に形成されている。 The seal member 19 A is arranged in a loop along the periphery of the electrolyte membrane 17 so as to surround the anodes 13 without contacting the four anodes 13 on the surface 17 A of the electrolyte membrane 17. The space SA is formed between the seal member 19A and each anode 13 in plan view.

シール部材１９Ｃは、電解質膜１７の面１７Ｃにおいて、４つのカソード１６に接することなくこれらのカソード１６を囲むように電解質膜１７の周縁に沿ってループ状に配置されている。空間ＳＣは、平面的にみて、シール部材１９Ｃと各カソード１６との間に形成されている。 The sealing member 19 C is arranged in a loop shape along the periphery of the electrolyte membrane 17 so as to surround the cathodes 16 without contacting the four cathodes 16 on the surface 17 C of the electrolyte membrane 17. The space SC is formed between the seal member 19C and each cathode 16 in plan view.

このようにして形成された空間ＳＡに対しては燃料の導入を可能とする開口部ＯＡが連通し、また、空間ＳＣに対しては空気の導入を可能とする開口部ＯＣが連通している。これにより、空間ＳＡに導入された燃料をアノード１３に速やかに且つ十分に供給することができ、膜電極接合体２における燃料の不足を解消できる。また、空間ＳＣに導入された酸素をカソード１６に速やかに且つ十分に供給することができ、膜電極接合体２における酸素の不足を解消できる。このため、出力の向上を図ることが可能となる。 An opening OA that allows the introduction of fuel communicates with the space SA formed in this way, and an opening OC that allows the introduction of air communicates with the space SC. . Thereby, the fuel introduced into the space SA can be quickly and sufficiently supplied to the anode 13, and the shortage of fuel in the membrane electrode assembly 2 can be solved. Further, the oxygen introduced into the space SC can be quickly and sufficiently supplied to the cathode 16, and the shortage of oxygen in the membrane electrode assembly 2 can be solved. For this reason, it is possible to improve the output.

なお、上述した開口部ＯＡ及びＯＣは、貫通孔であっても良いし、複数の連通した気孔によって構成されても良い。 Note that the openings OA and OC described above may be through holes or may be constituted by a plurality of communicating pores.

次に、開口部ＯＡまたはＯＣの最適な開口率について検討する。ここで、開口率とは、空間ＳＡの底面積に対する開口部ＯＡの面積の占める割合、あるいは、空間ＳＣの底面積に対する開口部ＯＣの面積の占める割合に相当する。空間ＳＡあるいはＳＣの底面積は、有効部Ｓ_ＥＦＦの面積と領域Ｓ_ＭＥＡの面積との差分に相当する。 Next, the optimum aperture ratio of the opening OA or OC will be examined. Here, the aperture ratio corresponds to the ratio of the area of the opening OA to the bottom area of the space SA, or the ratio of the area of the opening OC to the bottom area of the space SC. The bottom area of the space SA or SC corresponds to the difference between the area of the effective part S _{EFF and} the area of the region _SMEA .

本実施形態においては、開口率は、３０％以上であることが望ましく、また、５０％以上であることがより望ましい。このような最適な開口率の範囲は、発明者によってなされた検証結果に基づくものである。 In the present embodiment, the aperture ratio is desirably 30% or more, and more desirably 50% or more. Such an optimal aperture ratio range is based on the verification result made by the inventors.

すなわち、図６乃至図９に示すように、有効部Ｓ_ＥＦＦの面積が１２ｃｍ^２（３０ｍｍ×４０ｍｍ）であって、その中央部分に実質的な膜電極接合体２の領域（ここでは図２などに示した例のように、単一のアノード１３及び単一のカソード１６が対向している領域）Ｓ_ＭＥＡの面積が６ｃｍ^２（２０ｍｍ×３０ｍｍ）の燃料電池１を用意する。つまり、空間ＳＡあるいはＳＣは、膜電極接合体２の領域Ｓ_ＭＥＡの外周にリング状に形成され、その底面積は、６ｃｍ^２である。 That is, as shown in FIGS. 6 to 9, the area of the effective portion S _EFF is 12 cm ² (30 mm × 40 mm), and a substantial region of the membrane electrode assembly 2 (here, FIG. As shown in the example, the fuel cell 1 is prepared in which the area of the single anode 13 and the single cathode 16) _{SMEA has} an area of 6 cm ² (20 mm × 30 mm). That is, the space SA or SC is formed in a ring shape on the outer periphery of the region _SMEA of the membrane electrode assembly 2 and its bottom area is 6 cm ² .

なお、図６乃至図９では、燃料電池１をカソード側、つまりカバープレート２１側から見た平面図を図示しており、領域Ｓ_ＭＥＡには、空気導入孔２１Ａが設けられている。 6 to 9 show plan views of the fuel cell 1 as viewed from the cathode side, that is, the cover plate 21 side, and an air introduction hole 21A is provided in the region _SMEA .

図６に示した例は、開口率がゼロ％の場合に相当する。つまり、カバープレート２１には、空気導入孔２１Ａが設けられている一方で、空間ＳＣに連通した開口部は設けられていない。なお、アノード側においても空間ＳＡに連通した開口部は設けられていない。 The example shown in FIG. 6 corresponds to a case where the aperture ratio is zero%. That is, the cover plate 21 is provided with the air introduction hole 21A, but is not provided with an opening communicating with the space SC. In addition, the opening part connected to space SA is not provided also on the anode side.

図７に示した例は、開口率が３０％の場合に相当する。ここでは、カバープレート２１において、空気導入孔２１Ａに加え、膜電極接合体２の短辺に沿って空間ＳＣに連通した開口部ＯＣが設けられている。なお、アノード側においても空間ＳＡに連通した開口部ＯＡが開口率３０％となるように設けられている。 The example shown in FIG. 7 corresponds to a case where the aperture ratio is 30%. Here, the cover plate 21 is provided with an opening OC that communicates with the space SC along the short side of the membrane electrode assembly 2 in addition to the air introduction hole 21A. Note that the opening OA communicating with the space SA is also provided on the anode side so that the opening ratio is 30%.

図８に示した例は、開口率が８０％の場合に相当する。ここでは、カバープレート２１において、空気導入孔２１Ａに加え、膜電極接合体２の短辺及び長辺に沿って空間ＳＣに連通した開口部ＯＣが設けられている。なお、アノード側においても空間ＳＡに連通した開口部ＯＡが開口率８０％となるように設けられている。 The example shown in FIG. 8 corresponds to a case where the aperture ratio is 80%. Here, in the cover plate 21, in addition to the air introduction hole 21A, an opening OC communicating with the space SC along the short side and the long side of the membrane electrode assembly 2 is provided. Note that the opening OA communicating with the space SA is also provided on the anode side so that the aperture ratio is 80%.

図９に示した例は、開口率が１００％の場合に相当する。ここでは、カバープレート２１において、空気導入孔２１Ａに加え、膜電極接合体２の全周辺に沿って空間ＳＣに連通した開口部ＯＣが設けられている。なお、アノード側においても空間ＳＡに連通した開口部ＯＡが開口率１００％となるように設けられている。 The example shown in FIG. 9 corresponds to a case where the aperture ratio is 100%. Here, the cover plate 21 is provided with an opening OC communicating with the space SC along the entire periphery of the membrane electrode assembly 2 in addition to the air introduction hole 21A. Note that the opening OA communicating with the space SA is also provided on the anode side so that the opening ratio is 100%.

これらの４種類の開口率の異なる燃料電池１を作動させたところ、開口率が高いほど出力密度が向上するものの、開口率が３０％以上で出力密度がほぼ飽和状態となる傾向が確認された。 When these four types of fuel cells 1 having different aperture ratios were operated, the higher the aperture ratio, the higher the output density, but it was confirmed that the output density tends to be almost saturated when the aperture ratio is 30% or more. .

特に、高電流密度で作動させた場合には、開口率に対する出力密度（相対値）の関係は、図１０に示すような傾向であった。すなわち、開口率が１００％の場合の平均出力密度を１００％としたとき、９０％以上の平均出力密度を得るためには、開口率が３０％以上であればよいことが確認できる。また、開口率が５０％以上であれば、開口率が１００％の場合と同等の平均出力密度（ほぼ１００％の出力密度）が得られることも確認され、開口率は５０％以上とすることがより望ましい。 In particular, when operated at a high current density, the relationship of the output density (relative value) to the aperture ratio tended to be as shown in FIG. That is, when the average power density when the aperture ratio is 100% is 100%, it can be confirmed that the aperture ratio should be 30% or more to obtain an average power density of 90% or more. It is also confirmed that when the aperture ratio is 50% or more, an average output density equivalent to that when the aperture ratio is 100% (almost 100% output density) can be obtained, and the aperture ratio should be 50% or more. Is more desirable.

なお、高電流密度の場合には、開口率がゼロ％の場合には、発電反応に必要な物質が不足するため、平均出力密度は極めて低下してしまう。本実施形態においては、高電流密度とは、開口率がゼロ％の条件で電流を引いたときの平均出力密度がほぼゼロに近い値となり始めるクリティカルな電流密度に相当し、電流密度が１７９ｍＡ／ｃｍ^２以上の場合に相当する。図１０に示した例は、電流密度が１７９ｍＡ／ｃｍ^２の場合を図示している。 In the case of a high current density, if the aperture ratio is zero%, the substance necessary for the power generation reaction is insufficient, and the average power density is extremely reduced. In the present embodiment, the high current density corresponds to a critical current density at which the average output density when the current is drawn under the condition that the aperture ratio is zero% starts to be a value close to zero, and the current density is 179 mA / This corresponds to the case of cm ² or more. The example shown in FIG. 10 illustrates the case where the current density is 179 mA / cm ² .

なお、図１１には、低電流密度（１３８ｍＡ／ｃｍ^２）で作動させた場合の開口率に対する出力密度（相対値）の関係を示している。このような低電流密度で作動させた場合においても、開口率が高いほど出力密度が向上する傾向が確認された。 FIG. 11 shows the relationship of the output density (relative value) to the aperture ratio when operated at a low current density (138 mA / cm ² ). Even when operating at such a low current density, it was confirmed that the higher the aperture ratio, the higher the output density.

上述したように、空間ＳＡ及びＳＣに連通する開口部ＯＡ及びＯＣの開口率を３０％以上とすることにより、十分な出力向上効果が得られ、また、開口率を５０％以上とすることにより、開口率が１００％の場合とほぼ同等の出力密度が得られる。 As described above, by setting the aperture ratios of the openings OA and OC communicating with the spaces SA and SC to 30% or more, a sufficient output improvement effect can be obtained, and by setting the aperture ratio to 50% or more. A power density almost equal to that obtained when the aperture ratio is 100% can be obtained.

換言すると、発電反応に必要な物質を膜電極接合体２に十分に供給して出力を向上するためには、開口率を１００％とする必要はない。つまり、開口率が３０％であれば、残りの７０％相当の非開口部つまり空間ＳＡ及びＳＣをカバーしている部分に、回路や補器など周辺機器を設置することができ、スペースを有効に活用することができる。このため、実装効率（あるいはスペースの利用効率）が改善され、延いてはＤＭＦＣを含めたモバイル機器を小型化することが可能となる。 In other words, in order to sufficiently supply substances necessary for the power generation reaction to the membrane electrode assembly 2 and improve the output, it is not necessary to set the aperture ratio to 100%. In other words, if the aperture ratio is 30%, peripheral devices such as circuits and auxiliary devices can be installed in the remaining non-opening equivalent to 70%, that is, the portion covering the spaces SA and SC, and the space is effective. It can be used for. For this reason, mounting efficiency (or space utilization efficiency) is improved, and as a result, mobile devices including DMFC can be downsized.

この実施の形態において、カバープレート２１は、カソード１６に重なる面積に対する空気導入孔２１Ａの面積の割合（つまり領域Ｓ_ＭＥＡでの開口率）と、空間ＳＣの底面積に対する開口部ＯＣの面積の割合（開口率）との比率が１〜２となるように構成されることが望ましい。 In this embodiment, the cover plate 21 has a ratio of the area of the air introduction hole 21A to the area overlapping the cathode 16 (that is, an opening ratio in the region _SMEA ) and a ratio of the area of the opening OC to the bottom area of the space SC. It is desirable that the ratio to (aperture ratio) be 1-2.

また、この実施の形態において、燃料供給部３１は、アノード１３に重なる面積に対する燃料排出口３３の面積の割合（つまり領域Ｓ_ＭＥＡでの開口率）と、空間ＳＡの底面積に対する開口部ＯＡの面積の割合（開口率）との比率が１〜２となるように構成されることが望ましい。 Further, in this embodiment, the fuel supply unit 31 is configured such that the ratio of the area of the fuel discharge port 33 to the area overlapping the anode 13 (that is, the opening ratio in the region _SMEA ) and the opening OA with respect to the bottom area of the space SA. It is desirable that the ratio with the area ratio (opening ratio) be 1-2.

この実施の形態においては、カソード側については、空間ＳＣの底面積は、カソード１６の面積（つまり領域Ｓ_ＭＥＡの面積）の１〜１．５倍であることが望ましい。これにより、酸化剤である空気のカソード１６への取り入れ口を広げることができ、膜電極接合体２への供給量を増大させることができる。 In this embodiment, for the cathode side, the bottom area of the space SC is desirably 1 to 1.5 times the area of the cathode 16 (i.e. the area of the region _{S MEA).} Thereby, the intake port of the air as the oxidant to the cathode 16 can be widened, and the supply amount to the membrane electrode assembly 2 can be increased.

また、この実施の形態においては、アノード側については、空間ＳＡの底面積は、アノード１３の面積（つまり領域Ｓ_ＭＥＡの面積）の１〜１．５倍であることが望ましい。これにより、燃料のアノード１３への取り入れ口を広げることができ、膜電極接合体２への供給量を増大させることができる。 Further, in this embodiment, for the anode side, the bottom area of the space SA is desirably 1 to 1.5 times the area of the anode 13 (i.e. the area of the region _{S MEA).} Thereby, the intake to the anode 13 of fuel can be expanded, and the supply amount to the membrane electrode assembly 2 can be increased.

その結果、単位触媒量あたりの出力を上げることができる。なお、カソード側及びアノード側について、空間の底面積が電極面積の１倍未満である場合には、物質の供給量を十分に増大させることができない。また、カソード側及びアノード側について、空間の底面積が電極面積の１．５倍を超える場合には、燃料電池の体積全体に対する発電部である電極の占める体積が小さくなりすぎるため、燃料供給や発熱のバランスが取りにくく、高出力を得ることが困難となる。 As a result, the output per unit catalyst amount can be increased. Note that, on the cathode side and the anode side, if the bottom area of the space is less than 1 times the electrode area, the supply amount of the substance cannot be increased sufficiently. On the cathode side and the anode side, when the bottom area of the space exceeds 1.5 times the electrode area, the volume occupied by the electrode serving as the power generation unit with respect to the entire volume of the fuel cell becomes too small. It is difficult to balance the heat generation, and it becomes difficult to obtain a high output.

以上説明したように、この実施の形態によれば、発電反応に必要な物質の導入を促進し、出力を向上することが可能な燃料電池を提供することができる。 As described above, according to this embodiment, it is possible to provide a fuel cell capable of promoting the introduction of substances necessary for the power generation reaction and improving the output.

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

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

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

図１は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池の構造を概略的に示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 図２は、図１に示した燃料電池に適用可能な膜電極接合体の構造の一部の断面を概略的に示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view schematically showing a partial cross section of the structure of the membrane electrode assembly applicable to the fuel cell shown in FIG. 図３は、図２に示した膜電極接合体の平面図である。FIG. 3 is a plan view of the membrane electrode assembly shown in FIG. 図４は、図１に示した燃料電池に適用可能な他の膜電極接合体の構造の一部の断面を概略的に示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view schematically showing a cross section of a part of the structure of another membrane electrode assembly applicable to the fuel cell shown in FIG. 図５は、図４に示した膜電極接合体の平面図である。FIG. 5 is a plan view of the membrane electrode assembly shown in FIG. 図６は、開口率がゼロ％の燃料電池をカソード側から見た平面図である。FIG. 6 is a plan view of a fuel cell having an aperture ratio of 0% as viewed from the cathode side. 図７は、開口率が３０％の燃料電池をカソード側から見た平面図である。FIG. 7 is a plan view of a fuel cell with an aperture ratio of 30% as viewed from the cathode side. 図８は、開口率が８０％の燃料電池をカソード側から見た平面図である。FIG. 8 is a plan view of a fuel cell with an aperture ratio of 80% as viewed from the cathode side. 図９は、開口率が１００％の燃料電池をカソード側から見た平面図である。FIG. 9 is a plan view of a fuel cell having an aperture ratio of 100% as viewed from the cathode side. 図１０は、高電流密度で作動させた場合の開口率に対する出力密度の関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship of the output density to the aperture ratio when operating at a high current density. 図１１は、低電流密度で作動させた場合の開口率に対する出力密度の関係を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the relationship of the output density to the aperture ratio when operating at a low current density.

Explanation of symbols

１…燃料電池２…膜電極接合体３…燃料供給機構
１１…アノード触媒層１２…アノードガス拡散層１３…アノード（燃料極）
１４…カソード触媒層１５…カソードガス拡散層１６…カソード（空気極）
１７…電解質膜
１８…集電体１８Ａ…アノード集電体１８Ｃ…カソード集電体
１９Ａ…シール部材（アノード側）１９Ｃ…シール部材（カソード側）
２０…板状体（保湿層）
２１…カバープレート
３１…燃料供給部３１Ａ…燃料分配板
ＳＡ…空間（アノード側）ＳＣ…空間（カソード側）
ＯＡ…開口部（アノード側）ＯＣ…開口部（カソード側） 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)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 17 ... Electrolyte membrane 18 ... Current collector 18A ... Anode current collector 18C ... Cathode current collector 19A ... Seal member (anode side) 19C ... Seal member (cathode side)
20 ... Plate-like body (moisturizing layer)
21 ... Cover plate 31 ... Fuel supply part 31A ... Fuel distribution plate SA ... Space (anode side) SC ... Space (cathode side)
OA ... Opening (anode side) OC ... Opening (cathode side)

Claims

A membrane electrode assembly having an anode, a cathode, and an electrolyte membrane sandwiched between the anode and the cathode;
A seal member that surrounds each of the anode and the cathode and is disposed so as to form a space between the anode and at least one of the cathode;
A fuel supply mechanism for supplying fuel to the anode of the membrane electrode assembly,
A fuel cell, wherein an opening for introducing a substance necessary for a power generation reaction in the membrane electrode assembly into the space is formed.

Further, the cover plate is disposed on the cathode side of the membrane electrode assembly, and has a cover plate having an air introduction hole in a region overlapping the cathode.
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the opening is formed in a region of the cover plate that overlaps the space formed between the cathode and the seal member.

The fuel supply mechanism includes a fuel supply unit that is disposed on the anode side of the membrane electrode assembly and has a fuel discharge port in a region overlapping the anode.
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the opening is formed in a region overlapping with the space formed between the anode and the seal member in the fuel supply unit.

The fuel cell according to claim 1, wherein the opening is configured by a through hole or a plurality of communicating pores.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein an opening ratio that is a ratio of an area of the opening to a bottom area of the space formed on the anode side or the cathode side is 30% or more.

3. The fuel according to claim 2, wherein a ratio of a ratio of an area of the air introduction hole to an area overlapping with the cathode and a ratio of an area of the opening to the bottom area of the space is 1 to 2. battery.

4. The fuel according to claim 3, wherein a ratio of a ratio of the area of the fuel discharge port to an area overlapping with the anode and a ratio of the area of the opening to the bottom area of the space is 1 to 2. battery.

The fuel cell according to claim 2, wherein a bottom area of the space is 1 to 1.5 times an area of the cathode.

The fuel cell according to claim 3, wherein a bottom area of the space is 1 to 1.5 times an area of the anode.

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.