JP2010160934A - Fuel cell system and electronic apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system which can discharge a generated gas resulting from a reaction at an anode to the outside without allowing the generated gas to be mixed with air in a cathode to achieve a higher output power and an improved output stability, and to provide an electronic apparatus having the fuel cell system. <P>SOLUTION: The fuel cell system includes a fuel cell stack and a gas concentration unit, and the anodes of unit cells in the fuel cell stack communicate with the gas concentration unit through a generated gas discharging channel formed on the fuel cell stack. The fuel cell stack includes one or more fuel cell layers each having two or more unit cells arranged on the same plane, each unit cell, preferably, being composed of a cathode, an electrolytic film, an anode, and an anode current-collecting layer that are stacked in this order. The gas concentration unit has an internal cavity and an opening communicating with the cavity. It is preferable that the cavity communicate with the anodes of all of the unit cells of at least one fuel cell layer through the generated gas discharging channel. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、出力向上および安定性向上が可能な燃料電池システムおよびこれを搭載した電子機器に関する。   The present invention relates to a fuel cell system capable of improving output and stability, and an electronic device equipped with the fuel cell system.

近年、情報化社会を支える携帯電子機器の小型電源として、単独の発電装置として高い発電効率が得られる可能性を秘めていることから、燃料電池に対する期待が高まっている。燃料電池は、アノード極で燃料(たとえば水素、メタノール、エタノール、ヒドラジン、ホルマリン、ギ酸など)を酸化し、カソード極で空気中の酸素を還元するという電気化学反応を利用し、携帯電子機器等に電子を供給する化学電池である。   In recent years, as a small power source for portable electronic devices that support the information-oriented society, there is a possibility that high power generation efficiency can be obtained as a single power generation device. A fuel cell utilizes an electrochemical reaction that oxidizes fuel (for example, hydrogen, methanol, ethanol, hydrazine, formalin, formic acid, etc.) at the anode electrode and reduces oxygen in the air at the cathode electrode. It is a chemical battery that supplies electrons.

多種ある燃料電池の中でも、電解質膜としてプロトン交換したイオン交換膜を用いる固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell;以下、「PEMFC」という。)は、100℃以下の低温動作においても高い発電効率が得られ、リン酸型燃料電池や固体酸化物型燃料電池等の高温で動作させる燃料電池に比べて外部から熱を与える必要がなく、大掛かりな補機類を必要としないことから、小型電源として実用化の可能性を秘めている。   Among various types of fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as “PEMFC”) using a proton-exchanged ion exchange membrane as an electrolyte membrane is high even at a low temperature operation of 100 ° C. or less. Because power generation efficiency is obtained, it is not necessary to apply heat from the outside compared to fuel cells that operate at high temperatures such as phosphoric acid fuel cells and solid oxide fuel cells, and large-scale auxiliary equipment is not required. It has the potential for practical use as a compact power supply.

このようなPEMFCに供給される燃料としては、高圧ガスボンベを用いた水素ガスや、有機液体燃料を改質器により分解して得られる水素ガスと二酸化炭素ガスとの混合ガス等が用いられる。   As the fuel supplied to such a PEMFC, hydrogen gas using a high-pressure gas cylinder, a mixed gas of hydrogen gas and carbon dioxide gas obtained by decomposing an organic liquid fuel with a reformer, or the like is used.

PEMFCのアノード極にメタノール水溶液を供給し、メタノール水溶液から直接プロトンと電子とを取り出すことにより発電を行なう直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell;以下、「DMFC」という。)は、改質器を必要としないことから、PEMFC以上に小型電源として実用化の可能性を秘めている。さらには、大気圧下で液体であるメタノール水溶液を燃料として用いていることから、高圧ガスボンベを用いることなく、高い体積エネルギ密度を有した燃料を簡易容器で取り扱うことができ、小型電源として安全性に優れるとともに、燃料容器を小さくすることが可能である。そのため、DMFCは、携帯電子機器の小型電源への応用、特に携帯電子機器用の2次電池代替用途という観点から注目が集まっている。   A direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as “DMFC”) that generates power by supplying a methanol aqueous solution to the anode electrode of a PEMFC and taking out protons and electrons directly from the methanol aqueous solution is a reformer. Therefore, it has the potential to be put into practical use as a compact power supply more than PEMFC. Furthermore, since methanol aqueous solution that is liquid at atmospheric pressure is used as fuel, fuel with high volumetric energy density can be handled in a simple container without using a high-pressure gas cylinder, and it is safe as a compact power source. In addition, the fuel container can be made small. Therefore, DMFC has attracted attention from the viewpoint of application to a small power source of a portable electronic device, in particular, a secondary battery replacement application for a portable electronic device.

DMFCでは、アノード極およびカソード極でそれぞれ以下のような反応が起きる。
アノード極:CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
カソード極:O2+4H++4e-→2H2
このように、DMFCにおいては、アノード極側で二酸化炭素が気体として生成し、カソード極側では水が生成する。
In DMFC, the following reactions occur at the anode and cathode, respectively.
Anode electrode: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e
Cathode: O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O
Thus, in the DMFC, carbon dioxide is generated as a gas on the anode side, and water is generated on the cathode side.

従来、DMFCにおいては、反応で生成した二酸化炭素ガスを、燃料であるアノード極側のメタノール水溶液の流れに乗せて排出させ、排出される二酸化炭素ガスとメタノール水溶液との混合物を分離するために、別途、気液分離装置などを設けて、分離されたメタノール水溶液を再度燃料として活用することが行なわれてきた。しかし、この場合、燃料電池システムが大型化、重量化してしまうという問題点がある。   Conventionally, in DMFC, carbon dioxide gas generated by the reaction is discharged on a flow of methanol aqueous solution on the anode electrode side as fuel, and a mixture of the discharged carbon dioxide gas and aqueous methanol solution is separated. Separately, a gas-liquid separator or the like has been provided, and the separated methanol aqueous solution has been used again as fuel. However, in this case, there is a problem that the fuel cell system is increased in size and weight.

この課題に対して、特許文献1は、膜電極アセンブリの燃料極チャンバに設けられた気体透過性層を備える、システム外部に受動的に二酸化炭素を排出可能なDMFCが開示されている。気体透過性層を設けることにより、気液分離装置が不要となり、また、反応で生成した二酸化炭素を燃料極区画から取り除くことができるため、燃料極での反応を妨害し得る二酸化炭素の蓄積を避けることができる。   In response to this problem, Patent Document 1 discloses a DMFC that includes a gas-permeable layer provided in a fuel electrode chamber of a membrane electrode assembly and can passively discharge carbon dioxide outside the system. By providing a gas permeable layer, a gas-liquid separation device is not required, and carbon dioxide generated by the reaction can be removed from the anode compartment, so that accumulation of carbon dioxide that can interfere with the reaction at the anode is prevented. Can be avoided.

特表2005−518646号公報JP 2005-518646 A

しかしながら、上記特許文献1に記載の膜電極アセンブリにおいて、気体透過性層を介して取り除かれた二酸化炭素は、燃料極区画からは除去されるが、燃料電池システム外部へどのようにして二酸化炭素を排出するかについては記載されていない。燃料電池システム内に二酸化炭素が滞留すると、特に、カソード極(空気極)で反応に使用される空気を供給する方法として、電力消費を抑えるために極力補機を使用せずに受動的な空気供給を行なうパッシブ型燃料電池においては、燃料極区画から除去した二酸化炭素がカソード極(空気極)の空気と混合することにより出力が低下することが課題となる。   However, in the membrane electrode assembly described in Patent Document 1, the carbon dioxide removed through the gas permeable layer is removed from the anode compartment, but how is the carbon dioxide removed outside the fuel cell system? There is no description about whether to discharge. When carbon dioxide accumulates in the fuel cell system, passive air can be used without using auxiliary equipment as much as possible to reduce power consumption, especially as a method of supplying air used for the reaction at the cathode (air electrode). In the passive type fuel cell that performs supply, the problem is that the output decreases when carbon dioxide removed from the fuel electrode compartment is mixed with the air of the cathode electrode (air electrode).

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、アノード極(燃料極)での反応により発生した二酸化炭素等の生成ガスを、カソード極(空気極)の空気と混合されることなく、燃料電池システム外部へ排出することができ、もって、高出力化および出力安定性向上が実現された燃料電池システムおよび当該燃料電池システムを備える電子機器(燃料電池搭載電子機器)を提供することである。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to mix a produced gas such as carbon dioxide generated by a reaction at an anode electrode (fuel electrode) with air at a cathode electrode (air electrode). The fuel cell system can be discharged to the outside of the fuel cell system, and thus a high output and improved output stability are realized, and an electronic device (fuel cell mounted electronic device) including the fuel cell system is provided. Is to provide.

本発明は、燃料電池スタックとガス集約部とを備え、燃料電池スタックが有する単位電池のアノード極とガス集約部とは、燃料電池スタックに設けられる生成ガス排出用流路によって連通している燃料電池システムを提供する。本発明において燃料電池スタックは、少なくとも1つの単位電池を含む。本発明の燃料電池スタックにおいて、燃料電池スタックは、好ましくは、カソード極、電解質膜、アノード極およびアノード集電層をこの順で備える2以上の単位電池を同一平面上に配置してなる燃料電池層を1以上含み、ガス集約部は、好ましくは、内部に空洞部を有する中空体であって、該空洞部と連通する開口部を備える。ガス集約部は、単位電池の発電により発生する生成ガスを集約するためのものであり、その開口部は、ガス集約部に集約された生成ガスを、燃料電池システム外部へ排出するためのものである。ここで、本発明の燃料電池システムにおいて、ガス集約部が有する空洞部と、燃料電池層のうち、少なくとも1つの燃料電池層が有するすべての単位電池のアノード極とは、燃料電池スタックに設けられる生成ガス排出用流路によって連通していることが好ましい。   The present invention includes a fuel cell stack and a gas concentration part, and an anode electrode of the unit cell included in the fuel cell stack and a gas concentration part communicate with each other through a product gas discharge channel provided in the fuel cell stack. A battery system is provided. In the present invention, the fuel cell stack includes at least one unit cell. In the fuel cell stack of the present invention, the fuel cell stack is preferably a fuel cell in which two or more unit cells each having a cathode electrode, an electrolyte membrane, an anode electrode, and an anode current collecting layer in this order are arranged on the same plane. The gas concentration part includes one or more layers, and the gas concentration part is preferably a hollow body having a hollow part therein, and includes an opening communicating with the hollow part. The gas concentrator is for concentrating the generated gas generated by the power generation of the unit cell, and the opening is for discharging the generated gas collected in the gas concentrator to the outside of the fuel cell system. is there. Here, in the fuel cell system of the present invention, the cavity portion included in the gas collecting portion and the anode electrodes of all unit cells included in at least one fuel cell layer among the fuel cell layers are provided in the fuel cell stack. It is preferable to communicate with the product gas discharge channel.

本発明において、燃料電池スタックは、2以上の単位電池を同一平面上に配置してなる燃料電池層と、1以上のスペーサからなるスペーサ層とを、該単位電池のアノード集電層が該スペーサに接するように積層してなる燃料電池を1以上含み、ガス集約部が有する空洞部と、少なくとも1つの燃料電池層が有するすべての単位電池のアノード極とは、該燃料電池の内部に設けられる生成ガス排出用流路によって連通していることが好ましい。   In the present invention, the fuel cell stack includes a fuel cell layer in which two or more unit cells are arranged on the same plane and a spacer layer composed of one or more spacers, and the anode current collecting layer of the unit cell is the spacer. Including one or more fuel cells laminated so as to be in contact with each other, and a cavity portion included in the gas concentration portion and anode electrodes of all unit cells included in at least one fuel cell layer are provided inside the fuel cell. It is preferable to communicate with the product gas discharge channel.

本発明の1つの好ましい形態において、ガス集約部は、少なくとも1つのスペーサ層が有するすべてのスペーサの端部と接続されており、上記生成ガス排出用流路は、単位電池のアノード集電層を厚み方向に貫通する貫通孔と、該貫通孔と連通し、かつ、ガス集約部と接続される端部まで延びる、スペーサに形成される流路と、から構成される。   In one preferred embodiment of the present invention, the gas concentrating portion is connected to the end portions of all the spacers included in at least one spacer layer, and the product gas discharge flow path includes the anode current collecting layer of the unit cell. A through-hole penetrating in the thickness direction and a flow path formed in the spacer that communicates with the through-hole and extends to an end connected to the gas collecting portion.

また、本発明の別の好ましい形態において、ガス集約部は、少なくとも1つの燃料電池層が有するすべての単位電池の端部と接続されており、上記生成ガス排出用流路は、単位電池のアノード極に接するようにアノード集電層内に形成され、ガス集約部と接続される端部まで延びる流路から構成される。このように、生成ガス排出用流路が単位電池内に設けられる場合には、燃料電池スタックは、必ずしもスペーサ層を有していなくともよい。燃料電池スタックがスペーサ層を有しない場合、燃料電池スタックは、2以上の単位電池を同一平面上に配置してなる1つの燃料電池層からなるか、またはこのような燃料電池層を2以上積層することにより構成される。   In another preferred embodiment of the present invention, the gas concentrating portion is connected to end portions of all unit cells included in at least one fuel cell layer, and the product gas discharge channel is an anode of the unit cell. It is formed in the anode current collecting layer so as to be in contact with the electrode, and is composed of a flow path extending to an end connected to the gas collecting portion. In this way, when the product gas discharge channel is provided in the unit cell, the fuel cell stack does not necessarily have a spacer layer. When the fuel cell stack does not have a spacer layer, the fuel cell stack is composed of one fuel cell layer in which two or more unit cells are arranged on the same plane, or two or more such fuel cell layers are stacked. It is constituted by doing.

本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックは、上記燃料電池を2以上積層してなり、ガス集約部は、該燃料電池スタックが有するすべてのスペーサの端部、または燃料電池スタックが有するすべての単位電池の端部と接続されており、ガス集約部が有する空洞部と、該燃料電池スタックが有するすべての単位電池のアノード極とが、各燃料電池の内部に設けられる生成ガス排出用流路によって連通していることが好ましい。また、燃料電池スタックを構成する燃料電池層は、2以上の単位電池を同一平面上に隙間を設けて配置してなることが好ましい。   In the fuel cell system of the present invention, the fuel cell stack is formed by stacking two or more of the above fuel cells, and the gas concentration part is the end of all the spacers included in the fuel cell stack or all the fuel cell stacks include. A flow path for discharging generated gas, which is connected to the end of the unit cell, and in which the hollow part of the gas collecting part and the anode poles of all the unit cells of the fuel cell stack are provided inside each fuel cell It is preferable that they communicate with each other. The fuel cell layer constituting the fuel cell stack is preferably formed by arranging two or more unit cells with a gap on the same plane.

本発明の燃料電池システムは、1または2以上のガス集約部を備えていてもよいが、ガス集約部のすべては、燃料電池スタックの1つの側面に隣接して配置されることが好ましい。   The fuel cell system of the present invention may include one or more gas collecting portions, but all of the gas collecting portions are preferably disposed adjacent to one side surface of the fuel cell stack.

ガス集約部は、上記開口部と接続される中空状の生成ガス誘導路を備えていることが好ましい。このような生成ガス誘導路は、ガス集約部に集約された生成ガスの燃料電池システムにおける排出位置を調整するのに好適である。   The gas collecting part preferably includes a hollow product gas guide path connected to the opening. Such a product gas guiding path is suitable for adjusting the discharge position in the fuel cell system of the product gas collected in the gas collecting unit.

ガス集約部は、上記生成ガス誘導路におけるガス集約部の開口部側とは反対側の開口(ガス排出口)に、有害成分除去フィルタ(排出される生成ガス中の有害成分を除去するためのフィルタ)を備えていてもよい。また、生成ガス誘導路の内壁面は、撥水処理が施されていてもよい。   The gas concentrating section has a harmful component removal filter (for removing harmful components in the exhausted generated gas) at an opening (gas exhaust port) opposite to the opening side of the gas concentrating section in the generated gas guiding path. A filter) may be provided. Further, the inner wall surface of the generated gas guiding path may be subjected to water repellent treatment.

本発明の燃料電池システムが備える燃料電池スタックにおいて、スペーサ層は、2以上のスペーサを同一平面上に隙間を設けて配置してなるものであってよい。この場合、該燃料電池スタックに含まれる燃料電池において、燃料電池層が有する2以上の単位電池と、スペーサ層が有する2以上のスペーサとは、交差するように配置されることが好ましい。   In the fuel cell stack provided in the fuel cell system of the present invention, the spacer layer may be formed by arranging two or more spacers with a gap on the same plane. In this case, in the fuel cell included in the fuel cell stack, it is preferable that two or more unit cells included in the fuel cell layer and two or more spacers included in the spacer layer are arranged so as to intersect with each other.

また、本発明は、上記の燃料電池システムを備える電子機器(燃料電池搭載電子機器)を提供する。燃料電池システムのガス集約部が上記生成ガス誘導路を備える場合において、該生成ガス誘導路は、内部に空洞部を形成した電子機器を構成するいずれかの構成部材からなっていてもよい。   Moreover, this invention provides an electronic device (electronic device mounted with a fuel cell) provided with said fuel cell system. In the case where the gas concentration part of the fuel cell system includes the generated gas guiding path, the generated gas guiding path may be composed of any component member that constitutes an electronic device in which a hollow portion is formed.

本発明の燃料電池システムを備える電子機器において、生成ガス誘導路におけるガス集約部の開口部側とは反対側の開口(ガス排出口)は、電子機器の外縁に配置されることが好ましい。また、当該開口(ガス排出口)は、電子機器の裏側(当該電子機器の使用時において、その使用者が対向する側とは反対側)に配置されることが好ましい。   In the electronic device including the fuel cell system of the present invention, it is preferable that the opening (gas discharge port) on the opposite side to the opening side of the gas collecting portion in the generated gas guiding path is disposed at the outer edge of the electronic device. Moreover, it is preferable that the said opening (gas discharge port) is arrange | positioned at the back side (the side opposite to the side which the user opposes at the time of use of the said electronic device) of the electronic device.

本発明の電子機器において、燃料電池システムは、電子機器内において、電子機器外部から、燃料電池システムが備える燃料電池スタックの外面の少なくとも一部へ、空気を供給可能な位置に配置され、燃料電池システムのガス集約部は、電子機器外部から空気が供給される燃料電池スタックの当該外面とは、異なる外面に隣接して配置されることが好ましい。本発明の電子機器は、たとえば、上記燃料電池システムまたは燃料電池スタックを収容する電池収容室を備えるものであってよい。かかる場合、当該電池収容室に上記燃料電池システムまたは燃料電池スタックを搭載することにより、本発明の電子機器(燃料電池搭載電子機器)が構築される。電池収容室は、その内部と電子機器外部とを連通する開口を有していることが好ましい。このような開口は、電池収容室内に収容された燃料電池スタックに空気を供給するための空気取り込み口となる。   In the electronic device of the present invention, the fuel cell system is disposed in a position where air can be supplied from the outside of the electronic device to at least a part of the outer surface of the fuel cell stack included in the fuel cell system. The gas concentration part of the system is preferably arranged adjacent to an outer surface different from the outer surface of the fuel cell stack to which air is supplied from the outside of the electronic device. The electronic device of the present invention may include, for example, a battery housing chamber that houses the fuel cell system or the fuel cell stack. In such a case, by mounting the fuel cell system or the fuel cell stack in the battery housing chamber, the electronic device (fuel cell mounted electronic device) of the present invention is constructed. The battery housing chamber preferably has an opening that communicates the inside with the outside of the electronic device. Such an opening serves as an air intake port for supplying air to the fuel cell stack housed in the battery housing chamber.

本発明によれば、アノード極(燃料極)での反応により発生した二酸化炭素等の生成ガスを、カソード極(空気極)の空気と混合されることなく、燃料電池システム外部へ排出することが可能であり、これにより、生成ガスの混合によりカソード極(空気極)の酸素分圧が低下することを効果的に防止し得る。したがって、本発明によれば、出力密度が高く、出力安定性が向上された燃料電池システムを提供することができる。   According to the present invention, the produced gas such as carbon dioxide generated by the reaction at the anode electrode (fuel electrode) can be discharged outside the fuel cell system without being mixed with the air at the cathode electrode (air electrode). This can effectively prevent the oxygen partial pressure of the cathode electrode (air electrode) from being reduced by mixing the product gas. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a fuel cell system with high output density and improved output stability.

このような本発明の燃料電池システムは、電子機器、とりわけ携帯電子機器の電源として好適に適用することができる。   Such a fuel cell system of the present invention can be suitably applied as a power source for electronic devices, particularly portable electronic devices.

本発明の燃料電池システムの好ましい一例を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically a preferable example of the fuel cell system of this invention. 図1に示される燃料電池システムを構成する燃料電池スタックを模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the fuel cell stack which comprises the fuel cell system shown by FIG. 図2に示される燃料電池スタックのIII−III線における断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III of the fuel cell stack shown in FIG. 2. 本発明の燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの別の好ましい一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another preferable example of the fuel cell stack which comprises the fuel cell system of this invention. 図4に示される燃料電池スタックにおいて用いられるアノード集電層の一部を模式的に示す図である。FIG. 5 is a diagram schematically showing a part of an anode current collecting layer used in the fuel cell stack shown in FIG. 4. 本発明の燃料電池システムを備える電子機器の好ましい一例を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically a preferable example of an electronic device provided with the fuel cell system of this invention. 本発明の燃料電池システムを備える電子機器の好ましい別の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically another preferable example of an electronic device provided with the fuel cell system of this invention. 図7に示される電子機器が備える燃料電池システム(生成ガス誘導路を含む)を模式的に示す図である。FIG. 8 is a diagram schematically illustrating a fuel cell system (including a generated gas guiding path) included in the electronic device illustrated in FIG. 7. 実施例1で作製したアノード集電層を示す断面図である。3 is a cross-sectional view showing an anode current collecting layer produced in Example 1. FIG. 実施例1で作製したスペーサを示す断面図である。3 is a cross-sectional view showing a spacer manufactured in Example 1. FIG. 実施例1で作製した燃料電池の単位を概略的に示す上面図である。1 is a top view schematically showing a unit of a fuel cell manufactured in Example 1. FIG.

以下、本発明の燃料電池システムおよび電子機器を実施の形態を示してより詳細に説明する。   Hereinafter, the fuel cell system and electronic device of the present invention will be described in more detail with reference to embodiments.

<<第1の実施形態>>
図1は、本発明の燃料電池システムの好ましい一例を模式的に示す斜視図である。図1に示される燃料電池システム100は、複数の単位電池103を含む燃料電池スタック101と、単位電池の発電により発生する生成ガス(たとえば、燃料としてメタノール水溶液を用いた場合、主として二酸化炭素)を集約するためのガス集約部102との複合体である。このようなガス集約部102を備える燃料電池システム100において、燃料電池スタック101の各単位電池103のアノード極で発生した二酸化炭素等の生成ガスは、燃料電池スタック101内に形成された生成ガス排出用流路(図1において図示せず)を通ってガス集約部102に集約される。集約された生成ガスは、ガス集約部102が有する開口部104に接続された生成ガス誘導路105の末端開口(ガス排出口106)から、燃料電池システム100の外部へ排出される。一方、各単位電池103のカソード極に供給される空気は、燃料電池スタック101の外面(上下面および側面)のうち、ガス集約部102が隣接して設置されていない、いずれか1以上の外面から燃料電池スタック101内部に取り込まれる。
<< First Embodiment >>
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a preferred example of the fuel cell system of the present invention. A fuel cell system 100 shown in FIG. 1 includes a fuel cell stack 101 including a plurality of unit cells 103, and a generated gas (for example, mainly carbon dioxide when an aqueous methanol solution is used as a fuel) generated by power generation of the unit cells. It is a complex with the gas concentrating unit 102 for consolidating. In the fuel cell system 100 including such a gas concentrating unit 102, generated gas such as carbon dioxide generated at the anode electrode of each unit cell 103 of the fuel cell stack 101 is discharged from the generated gas formed in the fuel cell stack 101. The gas is aggregated in the gas aggregating section 102 through a use channel (not shown in FIG. 1). The aggregated generated gas is discharged to the outside of the fuel cell system 100 from the end opening (gas exhaust port 106) of the generated gas guiding path 105 connected to the opening 104 of the gas aggregating section 102. On the other hand, the air supplied to the cathode electrode of each unit cell 103 is one or more outer surfaces of the outer surface (upper and lower surfaces and side surfaces) of the fuel cell stack 101 where the gas concentrating unit 102 is not installed adjacently. Is taken into the fuel cell stack 101.

ネルンストの式からも明らかなように、カソード極(空気極)側の酸素分圧が低下すると、単位電池の標準起電力が低下し、燃料電池の出力低下を招く。本実施形態の燃料電池システム100の構成によれば、各単位電池103のアノード極で発生した二酸化炭素等の生成ガスを、カソード極の空気と混合されることなく、燃料電池システム100の外部に排出することができるため、カソード極での酸素分圧の低下による出力低下を防止することが可能となる。また、分離された生成ガスに含有される、メタノール水蒸気がカソード極側へ流入することで生じる内部電流による出力低下も防止することが可能となる。以下、本実施形態の燃料電池システム100を構成する燃料電池スタック101およびガス集約部102について詳細に説明する。   As is clear from the Nernst equation, when the oxygen partial pressure on the cathode electrode (air electrode) side decreases, the standard electromotive force of the unit cell decreases and the output of the fuel cell decreases. According to the configuration of the fuel cell system 100 of the present embodiment, the generated gas such as carbon dioxide generated at the anode electrode of each unit cell 103 is not mixed with the air at the cathode electrode, and is outside the fuel cell system 100. Since it can discharge | emit, it becomes possible to prevent the output fall by the fall of the oxygen partial pressure in a cathode electrode. In addition, it is possible to prevent a decrease in output due to an internal current that occurs when methanol water vapor contained in the separated product gas flows into the cathode. Hereinafter, the fuel cell stack 101 and the gas collecting unit 102 that constitute the fuel cell system 100 of the present embodiment will be described in detail.

<燃料電池スタック>
(1)燃料電池スタックの構造
図2は、図1に示される燃料電池システム100を構成する燃料電池スタック101を模式的に示す斜視図である。図2を参照して、燃料電池スタック101は、長辺と短辺を有する3つの短冊状の単位電池103を、同一平面上に、各単位電池103の間に隙間130が形成されるように配置してなる第1の燃料電池層110と、長辺と短辺を有する4つの短冊状のスペーサ107を、同一平面上に、各スペーサ107の間に隙間140が形成されるように配置してなる第1のスペーサ層115と、第1の燃料電池層110と同じ構造を有する第2の燃料電池層120と、第1のスペーサ層115と同じ構造を有する第2のスペーサ層125と、をこの順で積層してなる。第1の燃料電池層110と第2の燃料電池層120との間に第1のスペーサ層115を介在させることにより、2つの燃料電池層は、離間して配置されることとなり、当該2つの燃料電池層の間に空間部(当該空間部は、スペーサ間に形成される隙間140を含む。)が形成される。
<Fuel cell stack>
(1) Structure of Fuel Cell Stack FIG. 2 is a perspective view schematically showing a fuel cell stack 101 constituting the fuel cell system 100 shown in FIG. Referring to FIG. 2, in fuel cell stack 101, three strip-shaped unit cells 103 having a long side and a short side are arranged on the same plane so that a gap 130 is formed between unit cells 103. The first fuel cell layer 110 and the four strip-shaped spacers 107 having a long side and a short side are arranged on the same plane so that a gap 140 is formed between the spacers 107. A first spacer layer 115, a second fuel cell layer 120 having the same structure as the first fuel cell layer 110, a second spacer layer 125 having the same structure as the first spacer layer 115, Are laminated in this order. By interposing the first spacer layer 115 between the first fuel cell layer 110 and the second fuel cell layer 120, the two fuel cell layers are arranged apart from each other. A space (the space includes a gap 140 formed between the spacers) is formed between the fuel cell layers.

燃料電池スタック101に用いられている単位電池103は、長辺と短辺を有する短冊形状、より具体的には直方体形状である。第1の燃料電池層110および第2の燃料電池層120において、3つの単位電池103は、同一平面内に、その長辺同士が対向するように、かつ、隣り合う単位電池間に隙間130が形成されるように、平行または略平行に離間して配置されている。同様に、燃料電池スタック101に用いられているスペーサ107は、長辺と短辺を有する短冊形状、より具体的には直方体形状である。第1のスペーサ層115および第2のスペーサ層125において、4つのスペーサ107は、同一平面内に、その長辺同士が対向するように、かつ、隣り合うスペーサ間に隙間140が形成されるように、平行または略平行に離間して配置されている。   The unit cell 103 used in the fuel cell stack 101 has a strip shape having a long side and a short side, more specifically, a rectangular parallelepiped shape. In the first fuel cell layer 110 and the second fuel cell layer 120, the three unit cells 103 have a gap 130 between adjacent unit cells so that their long sides are opposed to each other in the same plane. As formed, they are spaced apart in parallel or substantially parallel. Similarly, the spacer 107 used in the fuel cell stack 101 has a strip shape having a long side and a short side, more specifically, a rectangular parallelepiped shape. In the first spacer layer 115 and the second spacer layer 125, the four spacers 107 are arranged in the same plane so that their long sides are opposed to each other, and a gap 140 is formed between adjacent spacers. Are spaced apart in parallel or substantially in parallel.

第1の燃料電池層110とこれに隣接する第1のスペーサ層115とは、第1の燃料電池層110が有する単位電池103と、第1のスペーサ層115が有するスペーサ107とが交差するように積層され、好ましくは、直交または略直交するように積層される。これにより、スペーサ107と単位電池103とが接触する面積を小さくすることができ、単位電池103が直接、上記空間部に露出する面積を大きくすることができる。このため、単位電池103のカソード極への、空気中の酸素の供給抵抗をより低減させることができ、出力特性を良好に維持することができる。第1のスペーサ層115とこれに隣接する第2の燃料電池層120、および、第2の燃料電池層120とこれに隣接する第2のスペーサ層125についても同様である。また、本実施形態の燃料電池スタック101において、第1の燃料電池層110と第2の燃料電池層120とは、第1の燃料電池層110が有する単位電池103の直下に、第2の燃料電池層120を構成する単位電池103が配置されるように積層されている。第1のスペーサ層115と第2のスペーサ層125についても同様である。   The first fuel cell layer 110 and the first spacer layer 115 adjacent thereto intersect with each other so that the unit cell 103 included in the first fuel cell layer 110 and the spacer 107 included in the first spacer layer 115 intersect each other. Preferably, they are laminated so as to be orthogonal or substantially orthogonal. Thereby, the area which the spacer 107 and the unit battery 103 contact can be made small, and the area which the unit battery 103 is directly exposed to the said space part can be enlarged. For this reason, the supply resistance of oxygen in the air to the cathode electrode of the unit cell 103 can be further reduced, and the output characteristics can be maintained well. The same applies to the first spacer layer 115 and the second fuel cell layer 120 adjacent thereto, and the second fuel cell layer 120 and the second spacer layer 125 adjacent thereto. Further, in the fuel cell stack 101 of the present embodiment, the first fuel cell layer 110 and the second fuel cell layer 120 are the second fuel cells directly below the unit cell 103 included in the first fuel cell layer 110. The unit cells 103 constituting the battery layer 120 are stacked so as to be arranged. The same applies to the first spacer layer 115 and the second spacer layer 125.

また、第1の燃料電池層110を構成する単位電池103はすべて、そのアノード極側が第1のスペーサ層115に対向するように配置されている(図2において図示せず)。同様に、第2の燃料電池層120を構成する単位電池103はすべて、そのアノード極側が第2のスペーサ層125に対向するように配置されている。かかる構成により、すべての単位電池103のアノード集電層は、隣接するスペーサ層を構成するスペーサと接することとなる。なお、本明細書中においては、このような燃料電池層とこれに隣接して配置されたスペーサ層との積層体を「燃料電池」(スペーサ一体型燃料電池)と称する。「燃料電池」は、燃料電池スタックを構成するユニットとして好適に用いることができる。   Further, all the unit cells 103 constituting the first fuel cell layer 110 are arranged so that the anode electrode side thereof faces the first spacer layer 115 (not shown in FIG. 2). Similarly, all the unit cells 103 constituting the second fuel cell layer 120 are arranged so that the anode electrode side faces the second spacer layer 125. With this configuration, the anode current collecting layer of all the unit cells 103 comes into contact with the spacers constituting the adjacent spacer layer. In the present specification, a stack of such a fuel cell layer and a spacer layer disposed adjacent to the fuel cell layer is referred to as a “fuel cell” (spacer integrated fuel cell). A “fuel cell” can be suitably used as a unit constituting a fuel cell stack.

さらに、後で詳細を述べるように、燃料電池スタック101は、単位電池103のアノード極で発生した二酸化炭素等の生成ガスが、スペーサ107に形成された排出流路を介してガス集約部102に導入されるように構成されている。好ましくは、スペーサ107はそれぞれ、ガス集約部と接続することができるよう、少なくとも一端が、隣接する燃料電池層から突き出るように配置される。   Further, as will be described in detail later, the fuel cell stack 101 is configured such that the generated gas such as carbon dioxide generated at the anode electrode of the unit cell 103 is transferred to the gas collecting unit 102 through the discharge channel formed in the spacer 107. It is configured to be introduced. Preferably, each of the spacers 107 is arranged so that at least one end protrudes from an adjacent fuel cell layer so that the spacer 107 can be connected to the gas collecting portion.

以上のような構造を有する燃料電池スタック101は、たとえば次のような利点を有する。
(a)第1の燃料電池層110の単位電池103のアノード極で発生した生成ガスが、第2の燃料電池層120の単位電池103のカソード極近傍に排出されることを抑制、防止できる。これにより、第2の燃料電池層120の単位電池103のカソード極への酸素の供給阻害を起こすことがなく、単位電池の高い出力特性を維持することができる。
(b)第1の燃料電池層110および第2の燃料電池層120が有する複数の隙間130、ならびに、第1のスペーサ層115および第2のスペーサ層125が有する隙間140は3次元的に互いに連通し、空気の拡散性が良好であることから、燃料電池スタック101の内部に位置する単位電池103のカソード極にまで、効率よく空気を供給することができる。すなわち、燃料電池スタック101内に入った空気を、連通した隙間130および隙間140を通して、燃料電池スタック101の内部まで、自然対流または拡散によって供給させることができる。
(c)燃料電池スタック101内での空気の自然拡散性が良好である。発電に起因する熱によって温められた燃料電池スタック101内の空気は、対流により、連通した隙間130および隙間140を通って、燃料電池スタック101の外部へ放出されるとともに、燃料電池スタック101の側面や上下面から空気が効率的に吸入される。したがって、空気供給のためのエアポンプ、ファン等の補機を必ずしも必要とせず、このことは、燃料電池スタック101を用いた燃料電池システム100の小型化を可能とする。また、エアポンプ、ファン等の補機を用いる場合においても、燃料電池スタック101内部まで空気を供給するために必要な風力を低減させることができる。このことは、補機の低消費電力や小型化を可能とする。
The fuel cell stack 101 having the above structure has the following advantages, for example.
(A) The generated gas generated at the anode electrode of the unit cell 103 of the first fuel cell layer 110 can be suppressed or prevented from being discharged near the cathode electrode of the unit cell 103 of the second fuel cell layer 120. As a result, the high output characteristics of the unit cell can be maintained without obstructing the supply of oxygen to the cathode electrode of the unit cell 103 of the second fuel cell layer 120.
(B) The plurality of gaps 130 included in the first fuel cell layer 110 and the second fuel cell layer 120 and the gap 140 included in the first spacer layer 115 and the second spacer layer 125 are three-dimensionally connected to each other. Since it communicates and air diffusibility is good, air can be efficiently supplied to the cathode electrode of the unit cell 103 located inside the fuel cell stack 101. That is, the air that has entered the fuel cell stack 101 can be supplied by natural convection or diffusion through the communicating gap 130 and gap 140 to the inside of the fuel cell stack 101.
(C) The natural diffusibility of air in the fuel cell stack 101 is good. The air in the fuel cell stack 101 heated by the heat generated by the power generation is discharged to the outside of the fuel cell stack 101 through the communicating gap 130 and the gap 140 by convection, and the side surface of the fuel cell stack 101. Air is efficiently inhaled from the top and bottom surfaces. Therefore, an auxiliary machine such as an air pump or a fan for supplying air is not necessarily required, and this allows the fuel cell system 100 using the fuel cell stack 101 to be reduced in size. Further, even when an auxiliary machine such as an air pump or a fan is used, it is possible to reduce wind power necessary for supplying air to the inside of the fuel cell stack 101. This enables low power consumption and miniaturization of the auxiliary machine.

本実施形態における燃料電池スタック101は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変形が施されてもよい。たとえば、燃料電池スタックが有する燃料電池層およびスペーサ層の数は特に制限されず、少なくとも1つの燃料電池層と1つのスペーサ層(すなわち、1つの燃料電池)を有していればよい。また、燃料電池層内の単位電池の数およびスペーサ層内のスペーサの数も特に制限されず、それぞれ1以上あればよい。燃料電池層内の単位電池の数は、好ましくは2以上である。スペーサの数は、燃料電池スタック内部への空気の供給効率等に鑑みると、2以上とし、これらのスペーサを、同一平面内に、スペーサ間に隙間が形成されるように配置することが好ましい。   The fuel cell stack 101 in the present embodiment may be variously modified without departing from the spirit of the present invention. For example, the number of fuel cell layers and spacer layers included in the fuel cell stack is not particularly limited as long as it has at least one fuel cell layer and one spacer layer (that is, one fuel cell). Further, the number of unit cells in the fuel cell layer and the number of spacers in the spacer layer are not particularly limited, and each may be 1 or more. The number of unit cells in the fuel cell layer is preferably 2 or more. In view of the efficiency of supplying air into the fuel cell stack and the like, the number of spacers is preferably 2 or more, and these spacers are preferably arranged in the same plane so that a gap is formed between the spacers.

また、各単位電池およびスペーサの形状は、直方体形状に制限されるものではなく、たとえば、断面形状が円形や楕円形のものであってもよい。ただし、燃料電池層が有する隙間とスペーサ層が有する隙間とが3次元的に連通するように、かつ燃料電池スタックを安定性よく構築するためには、単位電池およびスペーサは、長辺と短辺を有する短冊形状を有していることが好ましい。   Further, the shape of each unit battery and the spacer is not limited to a rectangular parallelepiped shape, and for example, the cross-sectional shape may be circular or elliptical. However, in order to construct the fuel cell stack with good stability so that the gap of the fuel cell layer and the gap of the spacer layer communicate three-dimensionally, the unit cell and the spacer have a long side and a short side. It is preferable to have a strip shape having

さらに、第1の燃料電池層110と第2の燃料電池層120とは、第1の燃料電池層110が有する単位電池103の直下に、第2の燃料電池層120を構成する単位電池103が配置されるように積層される必要は必ずしもなく、たとえば、第1の燃料電池層110が有する単位電池103の直下に、第2の燃料電池層の隙間130が配置されるように積層されてもよい。第1のスペーサ層115と第2のスペーサ層125についても同様である。   Further, the first fuel cell layer 110 and the second fuel cell layer 120 are formed by the unit cells 103 constituting the second fuel cell layer 120 immediately below the unit cells 103 included in the first fuel cell layer 110. It is not always necessary to be stacked so as to be disposed. For example, even if stacked so that the gap 130 of the second fuel cell layer is disposed immediately below the unit cell 103 included in the first fuel cell layer 110. Good. The same applies to the first spacer layer 115 and the second spacer layer 125.

(2)単位電池およびスペーサの構造
次に、本実施形態の燃料電池スタック101が備える単位電池103およびスペーサ107の構造について説明する。図3は、図2に示される燃料電池スタック101のIII−III線における断面図である。図3に示されるように、第1の燃料電池層110および第2の燃料電池層120を構成する単位電池103は、カソード極204、電解質膜202、アノード極203およびアノード集電層205をこの順で備えている。より具体的には、単位電池103は、電解質膜202と、電解質膜202の一方の表面に配置されたアノード極203と、電解質膜202の他方の表面に配置されたカソード極204と、アノード極203の電解質膜202に対向する面とは反対の面に接して配置されたアノード集電層205とから構成される。
(2) Structure of Unit Battery and Spacer Next, the structure of the unit battery 103 and the spacer 107 provided in the fuel cell stack 101 of this embodiment will be described. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III of the fuel cell stack 101 shown in FIG. As shown in FIG. 3, the unit cell 103 constituting the first fuel cell layer 110 and the second fuel cell layer 120 includes a cathode electrode 204, an electrolyte membrane 202, an anode electrode 203, and an anode current collecting layer 205. Prepare in order. More specifically, the unit battery 103 includes an electrolyte membrane 202, an anode electrode 203 disposed on one surface of the electrolyte membrane 202, a cathode electrode 204 disposed on the other surface of the electrolyte membrane 202, and an anode electrode. The anode current collecting layer 205 is disposed in contact with the surface opposite to the surface facing the electrolyte membrane 202 of 203.

上記したように、本実施形態の燃料電池スタック101が備える単位電池103の形状は、好ましくは長辺と短辺を有する短冊形状であり、より好ましくは、直方体形状である。燃料電池スタック101の最上面または最下面の隙間130から燃料電池スタック101内部へ流入した空気は、燃料電池層間の空間部を単位電池103の短辺方向に向かって対流または拡散することによって単位電池103のカソード極204へと供給される。このため、空気供給における移動距離を短くする観点から、単位電池103の短辺の長さは、10mm以下とすることが好ましく、5mm以下とすることがより好ましい。これにより空気の供給抵抗を低減させ、ファンやブロワーなどの補機を用いないパッシブ空気供給においても、空気供給不足による出力低下を抑制することができる。   As described above, the shape of the unit cell 103 included in the fuel cell stack 101 of the present embodiment is preferably a strip shape having a long side and a short side, and more preferably a rectangular parallelepiped shape. The air flowing into the fuel cell stack 101 from the gap 130 on the uppermost surface or the lowermost surface of the fuel cell stack 101 convects or diffuses in the space between the fuel cell layers toward the short side of the unit cell 103, thereby diffusing the unit cell. 103 is supplied to the cathode electrode 204. For this reason, from the viewpoint of shortening the moving distance in the air supply, the length of the short side of the unit battery 103 is preferably 10 mm or less, and more preferably 5 mm or less. Thereby, the supply resistance of air can be reduced, and even in passive air supply that does not use an auxiliary machine such as a fan or a blower, it is possible to suppress a decrease in output due to insufficient air supply.

第1の燃料電池層110と第2の燃料電池120との間には、上述のようにスペーサ107から構成される第1のスペーサ層115が介在しており、第1の燃料電池層110は、第1のスペーサ層115を構成するスペーサ107と第1の燃料電池層110を構成する単位電池103のアノード集電層205とが接するように、第1のスペーサ層115上に積層されている。これら第1の燃料電池層110と第1のスペーサ層115とが、燃料電池スタック101において、1つの「燃料電池」の単位を形成している。同様に、第2の燃料電池層120と第2のスペーサ層125(図3において図示せず)とが1つの燃料電池の単位を形成している。第2の燃料電池層120を構成する単位電池103はいずれも、そのカソード極204が第1のスペーサ層115に対向するように配置されている。   Between the first fuel cell layer 110 and the second fuel cell 120, the first spacer layer 115 composed of the spacer 107 as described above is interposed, and the first fuel cell layer 110 is The spacer 107 constituting the first spacer layer 115 and the anode current collecting layer 205 of the unit cell 103 constituting the first fuel cell layer 110 are laminated on the first spacer layer 115 so as to contact each other. . The first fuel cell layer 110 and the first spacer layer 115 form one “fuel cell” unit in the fuel cell stack 101. Similarly, the second fuel cell layer 120 and the second spacer layer 125 (not shown in FIG. 3) form one fuel cell unit. All unit cells 103 constituting the second fuel cell layer 120 are arranged such that the cathode electrode 204 faces the first spacer layer 115.

ここで、本実施形態における燃料電池スタック101においては、燃料電池スタック101が有するすべての単位電池103のアノード極203で発生した生成ガスを後述するガス集約部に誘導できるよう、各「燃料電池」の単位ごとに、ガス集約部が有する空洞部と、各燃料電池の燃料電池層が有するすべての単位電池103のアノード極203とを連通させる「生成ガス排出用流路」をその内部に備えている。本実施形態において、生成ガス排出用流路は、図3を参照して、各燃料電池の燃料電池層(第1の燃料電池層110および第2の燃料電池層120のそれぞれ)が有するすべての単位電池103のアノード集電層205を厚み方向に貫通する貫通孔206と、貫通孔206と連通し、その一端がスペーサ107の端部まで延びる、スペーサ107に形成された排出流路207と、から構成されている。後述するように、排出流路207が形成されているスペーサ107の端部は、ガス集約部に接続されており、これにより、ガス集約部が有する空洞部と、各燃料電池の燃料電池層が有するすべての単位電池103のアノード極203とが連通される。   Here, in the fuel cell stack 101 in the present embodiment, each “fuel cell” so that the generated gas generated at the anode electrode 203 of all the unit cells 103 included in the fuel cell stack 101 can be guided to a gas aggregation unit described later. For each unit, a “product gas discharge channel” is provided in the interior thereof to communicate the hollow part of the gas collecting part and the anode electrodes 203 of all the unit cells 103 of the fuel cell layer of each fuel cell. Yes. In the present embodiment, with reference to FIG. 3, the production gas discharge flow path includes all the fuel cell layers (each of the first fuel cell layer 110 and the second fuel cell layer 120) of each fuel cell. A through hole 206 penetrating the anode current collecting layer 205 of the unit cell 103 in the thickness direction, a discharge channel 207 formed in the spacer 107, communicating with the through hole 206, and having one end extending to the end of the spacer 107; It is composed of As will be described later, the end of the spacer 107 in which the discharge flow path 207 is formed is connected to the gas collecting portion, whereby the cavity portion of the gas collecting portion and the fuel cell layer of each fuel cell are connected. The anode electrodes 203 of all the unit cells 103 are communicated.

なお、本実施形態においては、スペーサ107に形成される排出流路207は、直方体形状のスペーサ107における、スペーサ107に接して配置される単位電池103のアノード集電層205に対向する表面に形成された、スペーサ107の長手方向に延びる(スペーサの長辺と平行または略平行に延びる)溝から構成されている。かかる溝の開口のうち、単位電池103によって塞がれていない部分(単位電池103間に形成された隙間130に接する部分)は、アノード極で発生した生成ガスが燃料電池スタック内部に漏れ出さないよう、ガス透過防止層150によって封止されている(図2および3参照)。   In the present embodiment, the discharge flow path 207 formed in the spacer 107 is formed on the surface of the rectangular parallelepiped spacer 107 facing the anode current collecting layer 205 of the unit cell 103 arranged in contact with the spacer 107. The groove 107 extends in the longitudinal direction of the spacer 107 (extends in parallel or substantially parallel to the long side of the spacer). Of the opening of the groove, the portion not closed by the unit cell 103 (the portion in contact with the gap 130 formed between the unit cells 103) does not leak the generated gas generated at the anode electrode into the fuel cell stack. The gas permeation preventive layer 150 is sealed (see FIGS. 2 and 3).

以下、本発明に用いられる単位電池を構成する構成部材およびスペーサについてより詳細な説明を行なう。   Hereinafter, the constituent members and spacers constituting the unit battery used in the present invention will be described in more detail.

(電解質膜)
電解質膜(図3における電解質膜202)は、プロトン伝導性を有し、かつ電気的絶縁性を有する材質であれば特に限定されないが、好ましくは従来公知の適宜の高分子膜、無機膜またはコンポジット膜からなる。高分子膜としては、たとえばパーフルオロスルホン酸系電解質膜(ナフィオン(NAFION(登録商標):デュポン社製)、ダウ膜(ダウ・ケミカル社製)、アシプレックス(ACIPLEX(登録商標):旭化成社製)、フレミオン(登録商標:旭硝子社製)のほか、ポリスチレンスルホン酸、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンなどの炭化水素系電解質膜などが挙げられる。無機膜としては、たとえば、リン酸ガラス、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸、ポリリン酸アンモニウムなどからなる膜が挙げられる。また、コンポジット膜としては、たとえばゴアセレクト膜(ゴアセレクト(登録商標):ゴア社製)が挙げられる。
(Electrolyte membrane)
The electrolyte membrane (electrolyte membrane 202 in FIG. 3) is not particularly limited as long as it is a material having proton conductivity and electrical insulation, but is preferably a conventionally known appropriate polymer membrane, inorganic membrane or composite. It consists of a membrane. Examples of the polymer membrane include perfluorosulfonic acid electrolyte membrane (Nafion (NAFION (registered trademark): manufactured by DuPont), Dow membrane (manufactured by Dow Chemical), Aciplex (ACIPLEX (registered trademark): manufactured by Asahi Kasei). ), Flemion (registered trademark: manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and hydrocarbon electrolyte membranes such as polystyrene sulfonic acid and sulfonated polyether ether ketone, etc. Examples of inorganic membranes include phosphate glass and cesium hydrogen sulfate. And a film made of polytungstophosphoric acid, ammonium polyphosphate, etc. Further, examples of the composite film include Gore Select film (Gore Select (registered trademark): manufactured by Gore).

燃料電池スタック(またはこれに含まれる単位電池)が、その使用環境において100℃付近もしくはそれ以上の温度になる場合には、低含水時でも高いイオン伝導性を有する、スルホン化ポリイミド、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(AMPS)、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、硫酸水素セシウム、ポリリン酸アンモニウム、イオン性液体(常温溶融塩)等の材料を用い、これを膜化したものを電解質膜として用いることが好ましい。   When the fuel cell stack (or a unit cell included therein) reaches a temperature of about 100 ° C. or higher in the usage environment, the sulfonated polyimide, 2-acrylamide having high ionic conductivity even at low water content -2-Methylpropanesulfonic acid (AMPS), sulfonated polybenzimidazole, phosphonated polybenzimidazole, cesium hydrogen sulfate, ammonium polyphosphate, ionic liquid (room temperature molten salt), etc. were used to form a film. It is preferable to use one as the electrolyte membrane.

電解質膜は、プロトン伝導率が10-5S/cm以上であることが好ましく、パーフルオロスルホン酸ポリマーや炭化水素系ポリマーなどのプロトン伝導率が10-3S/cm以上の高分子電解質膜を用いることがより好ましい。 The electrolyte membrane preferably has a proton conductivity of 10 −5 S / cm or more, and a polymer electrolyte membrane having a proton conductivity of 10 −3 S / cm or more such as a perfluorosulfonic acid polymer or a hydrocarbon-based polymer. More preferably, it is used.

(アノード極およびカソード極)
アノード極(図3におけるアノード極203)は、燃料の酸化を促進する触媒を備えており、該触媒上で燃料が酸化反応を起こすことにより、プロトンと電子を生成する。また、カソード極(カソード極204)は、酸化剤の還元を促進する触媒を備えており、該触媒上で酸化剤がプロトンと電子を取り込み、還元反応が起きる。なお、本発明の燃料電池システムに供給される燃料は、メタノール、エタノール等のアルコール類;ジメチルエーテル等のエーテル類;ギ酸等のカルボン酸類;ギ酸メチル等のエステル類;ジメトキシメタン等のアセタール類、および、これらの水溶液などを挙げることができる。なお、これらの例示された燃料はいずれも常温で液体であるが、これらの液体燃料を気化させ、ガスとして供給してもよい。本発明において、燃料は1種のみを用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。体積あたりのエネルギ密度および活性化過電圧の観点からは、上記のなかでも、メタノールまたはその水溶液が好ましく用いられる。
(Anode and cathode)
The anode electrode (anode electrode 203 in FIG. 3) includes a catalyst that promotes the oxidation of fuel, and the fuel causes an oxidation reaction on the catalyst to generate protons and electrons. Further, the cathode electrode (cathode electrode 204) includes a catalyst that promotes the reduction of the oxidant. On the catalyst, the oxidant takes in protons and electrons, and a reduction reaction occurs. The fuel supplied to the fuel cell system of the present invention includes alcohols such as methanol and ethanol; ethers such as dimethyl ether; carboxylic acids such as formic acid; esters such as methyl formate; acetals such as dimethoxymethane; These aqueous solutions can be mentioned. In addition, although these illustrated fuels are all liquid at normal temperature, these liquid fuels may be vaporized and supplied as gas. In the present invention, only one kind of fuel may be used, or two or more kinds thereof may be mixed and used. Of these, methanol or an aqueous solution thereof is preferably used from the viewpoint of energy density per volume and activation overvoltage.

アノード極およびカソード極としては、たとえば、触媒を担持した担持体と電解質とを含む触媒層と、触媒層上に積層された多孔質基材との積層構造を用いることができる。この場合、アノード触媒層におけるアノード触媒は、たとえばメタノールと水とから、プロトンと電子とを生成する反応速度を促進させる機能を有し、電解質は、生成したプロトンを電解質膜へ伝導する機能を有し、アノード担持体は生成した電子をアノード多孔質基材へ導電する機能を有する。また、アノード多孔質基材は、それが有する空隙により、メタノールと水をアノード触媒層へ供給することが可能であり、また、アノード担持体からアノード集電層へ電子を導電する機能を有する。   As the anode electrode and the cathode electrode, for example, a laminated structure of a catalyst layer containing a carrier carrying a catalyst and an electrolyte and a porous substrate laminated on the catalyst layer can be used. In this case, the anode catalyst in the anode catalyst layer has a function of promoting the reaction rate of generating protons and electrons from, for example, methanol and water, and the electrolyte has a function of conducting the generated protons to the electrolyte membrane. The anode carrier has a function of conducting the generated electrons to the anode porous substrate. The anode porous substrate can supply methanol and water to the anode catalyst layer by the voids included therein, and has a function of conducting electrons from the anode support to the anode current collecting layer.

一方、カソード触媒層におけるカソード触媒は、酸素とプロトンと電子とから、水を生成する反応速度を促進する機能を有し、電解質は、電解質膜からカソード触媒近傍にプロトンを伝導する機能を有し、カソード担持体は、カソード多孔質基材からカソード触媒に電子を導電する機能を有する。また、カソード多孔質基材は、それが有する空隙により、酸素をカソード触媒層へ供給することが可能であり、また、外部配線(図示せず)またはスペーサからカソード触媒層へ電子を導電する機能を有する。   On the other hand, the cathode catalyst in the cathode catalyst layer has a function of accelerating the reaction rate for generating water from oxygen, protons and electrons, and the electrolyte has a function of conducting protons from the electrolyte membrane to the vicinity of the cathode catalyst. The cathode carrier has a function of conducting electrons from the cathode porous substrate to the cathode catalyst. Also, the cathode porous substrate can supply oxygen to the cathode catalyst layer by the voids that it has, and has a function of conducting electrons from an external wiring (not shown) or spacer to the cathode catalyst layer. Have

なお、アノード担持体およびカソード担持体は、電子伝導の機能を有するが、触媒も電子伝導性を有するため、必ずしも担持体を設ける必要はない。また、アノード多孔質基材およびカソード多孔質基材も必ずしも設ける必要はなく、この場合、アノード触媒層およびカソード触媒層は電解質膜に直接形成され、アノード触媒層はアノード集電層と、カソード触媒層は外部配線(図示せず)またはスペーサと電子の授受を行なう。   The anode carrier and the cathode carrier have a function of electron conduction, but the catalyst does not necessarily have to be provided because the catalyst also has electron conductivity. In addition, the anode porous substrate and the cathode porous substrate are not necessarily provided. In this case, the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer are directly formed on the electrolyte membrane, and the anode catalyst layer includes the anode current collecting layer, the cathode catalyst layer, and the cathode catalyst layer. The layer exchanges electrons with external wiring (not shown) or spacers.

アノード触媒およびカソード触媒としては、たとえば、Pt、Ru、Au、Ag、Rh、Pd、Os、Irなどの貴金属;Ni、V、Ti、Co、Mo、Fe、Cu、Zn、Sn、W、Zrなどの卑金属;これら貴金属または卑金属の酸化物、炭化物および炭窒化物;ならびに、カーボンが例示できる。これら材料の、単独もしくは2種類以上の組み合わせを触媒として用いることができる。アノード触媒およびカソード触媒は必ずしも同種類のものに限定されず、異なる物質を用いることができる。   Examples of the anode catalyst and the cathode catalyst include noble metals such as Pt, Ru, Au, Ag, Rh, Pd, Os, Ir; Ni, V, Ti, Co, Mo, Fe, Cu, Zn, Sn, W, Zr Examples include base metals such as these; oxides, carbides and carbonitrides of these noble metals or base metals; and carbon. One or a combination of two or more of these materials can be used as a catalyst. The anode catalyst and the cathode catalyst are not necessarily limited to the same type, and different materials can be used.

アノード触媒層およびカソード触媒層に用いられる担持体は、電気伝導性の高い炭素系材料であることが好ましく、たとえば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、アモルファスカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどが例示される。また、これらの炭素系材料のほか、Pt、Ru、Au、Ag、Rh、Pd、Os、Irなどの貴金属;Ni、V、Ti、Co、Mo、Fe、Cu、Zn、Sn、W、Zrなどの卑金属;ならびに、これら貴金属または卑金属の酸化物、炭化物、窒化物および炭窒化物などを用いることもできる。これら材料の、単独もしくは2種類以上の組み合わせを担持体として用いることができる。また、プロトン伝導性を付与した材料、具体的には硫酸化ジルコニア、リン酸ジルコニウムなどを、担持体として用いてもよい。   The support used for the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer is preferably a carbon-based material having high electrical conductivity, such as acetylene black, ketjen black (registered trademark), amorphous carbon, carbon nanotube, carbon nanohorn, etc. Is exemplified. In addition to these carbon-based materials, noble metals such as Pt, Ru, Au, Ag, Rh, Pd, Os, Ir; Ni, V, Ti, Co, Mo, Fe, Cu, Zn, Sn, W, Zr As well as these noble metals or base metal oxides, carbides, nitrides, carbonitrides, and the like can be used. These materials can be used alone or in combination of two or more as the carrier. Further, a material imparted with proton conductivity, specifically, sulfated zirconia, zirconium phosphate, or the like may be used as the carrier.

本発明におけるアノード触媒層に用いられる担持体は、表面が親水性であることが好ましい。表面を親水化する方法しては、表面をカルボキシル基やヒドロキシル基などの親水性の官能基で修飾させる方法を好ましく用いることができる。具体例としては、カーボン表面のグラフト重合による表面修飾やシランカップリング剤による表面修飾などが挙げられる。これにより、アノード触媒層がメタノール水溶液をその細孔内に保持するため、燃料やプロトンの拡散がより良好になるとともに、生成ガス排出用流路から進入し得る酸素がアノード触媒まで到達する量を少なくすることができ、酸素がアノード触媒層で反応することにより生じる出力特性の低下を防ぐことができる。   The support used for the anode catalyst layer in the present invention preferably has a hydrophilic surface. As a method of hydrophilizing the surface, a method of modifying the surface with a hydrophilic functional group such as a carboxyl group or a hydroxyl group can be preferably used. Specific examples include surface modification by graft polymerization on the carbon surface and surface modification with a silane coupling agent. As a result, the anode catalyst layer holds the aqueous methanol solution in the pores, so that the diffusion of fuel and protons is improved and the amount of oxygen that can enter from the product gas discharge flow path reaches the anode catalyst. Therefore, it is possible to prevent a decrease in output characteristics caused by the reaction of oxygen in the anode catalyst layer.

アノード触媒層およびカソード触媒層に用いられる電解質は、プロトン伝導性を有し、かつ電気的絶縁性を有する材質であれば特に限定されないが、メタノール等の燃料によって溶解しない固体もしくはゲルであることが好ましい。具体的には、スルホン酸、リン酸基などの強酸基やカルボキシル基などの弱酸基を有する有機高分子が好ましい。かかる有機高分子として、含有パーフルオロカーボン(ナフィオン(デュポン社製))、カルボキシル基含有パーフルオロカーボン(フレミオン(旭化成社製))、ポリスチレンスルホン酸共重合体、ポリビニルスルホン酸共重合体、イオン性液体(常温溶融塩)、スルホン化イミド、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(AMPS)などが例示される。また、上述したプロトン伝導性を付与した担持体を用いる場合には、該担持体がプロトン伝導を行なうため、必ずしも電解質は必要ではない。   The electrolyte used for the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer is not particularly limited as long as it is a material having proton conductivity and electrical insulation, but it may be a solid or gel that does not dissolve by fuel such as methanol. preferable. Specifically, organic polymers having strong acid groups such as sulfonic acid and phosphoric acid groups and weak acid groups such as carboxyl groups are preferred. Examples of the organic polymer include perfluorocarbon (Nafion (manufactured by DuPont)), carboxyl group-containing perfluorocarbon (Flemion (manufactured by Asahi Kasei)), polystyrene sulfonic acid copolymer, polyvinyl sulfonic acid copolymer, ionic liquid ( Room temperature molten salt), sulfonated imide, 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid (AMPS) and the like. In addition, when using the above-described carrier imparted with proton conductivity, the carrier does not necessarily require an electrolyte because the carrier conducts proton conduction.

アノード触媒層およびカソード触媒層の厚みは、プロトン伝導の抵抗および電子伝導の抵抗を小さくし、燃料(たとえばメタノール水溶液)または酸化剤(たとえば酸素)の拡散抵抗を低減するために、それぞれ0.2mm以下とすることが好ましい。また、燃料電池スタックとしての出力を向上させるためには十分な触媒を担持させる必要があるため、それぞれ少なくとも0.1μm以上とすることが好ましい。   The thickness of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer is 0.2 mm in order to reduce the resistance of proton conduction and electron conduction, and to reduce the diffusion resistance of fuel (eg, aqueous methanol solution) or oxidant (eg, oxygen), respectively. The following is preferable. Moreover, in order to improve the output as the fuel cell stack, it is necessary to carry a sufficient catalyst, and therefore it is preferable that the thickness is at least 0.1 μm or more.

アノード多孔質基材およびカソード多孔質基材は、導電性の材料からなることが好ましく、たとえばカーボンペーパー、カーボンクロス、金属発泡体、金属焼結体、金属繊維の不織布などを用いることができる。金属発泡体、金属焼結体、金属繊維の不織布に用いられる金属としては、Pt、Ru、Au、Ag、Rh、Pd、Os、Irなどの貴金属;Ni、V、Ti、Co、Mo、Fe、Cu、Zn、Sn、W、Zrなどの卑金属;ならびに、これら貴金属または卑金属の酸化物、炭化物、窒化物および炭窒化物が例示できる。アノード多孔質基材およびカソード多孔質基材が設けられる場合、アノード多孔質基材は、アノード極におけるアノード集電層側(電解質膜側と反対側)に配置され、カソード多孔質基材は、カソード極における単位電池外側(電解質膜側と反対側)に配置される。   The anode porous substrate and the cathode porous substrate are preferably made of a conductive material. For example, carbon paper, carbon cloth, metal foam, metal sintered body, metal fiber nonwoven fabric, and the like can be used. Metals used for metal foam, sintered metal, and non-woven fabric of metal fibers include noble metals such as Pt, Ru, Au, Ag, Rh, Pd, Os, Ir; Ni, V, Ti, Co, Mo, Fe And base metals such as Cu, Zn, Sn, W, and Zr; and oxides, carbides, nitrides, and carbonitrides of these noble metals or base metals. When the anode porous substrate and the cathode porous substrate are provided, the anode porous substrate is disposed on the anode current collecting layer side (the side opposite to the electrolyte membrane side) in the anode electrode, and the cathode porous substrate is The cathode electrode is disposed outside the unit cell (on the side opposite to the electrolyte membrane side).

なお、本明細書中においては、上記電解質膜とこれを挟持するアノード極およびカソード極との複合体を「膜電極複合体(MEA)」と称することがある。   In the present specification, a composite of the electrolyte membrane and an anode electrode and a cathode electrode sandwiching the electrolyte membrane may be referred to as a “membrane electrode assembly (MEA)”.

(アノード集電層)
アノード集電層(図3におけるアノード集電層205)は、アノード極と電子の授受を行なう機能を有する。本実施形態においてアノード集電層は、燃料をアノード極に供給するための燃料流路208と、アノード極における反応により生じる生成ガスを排出するための生成ガス排出用流路の一部である貫通孔206とを備える。
(Anode current collector layer)
The anode current collecting layer (anode current collecting layer 205 in FIG. 3) has a function of transferring electrons to and from the anode electrode. In the present embodiment, the anode current collecting layer is a through-hole that is a part of a fuel flow path 208 for supplying fuel to the anode electrode and a product gas discharge flow path for discharging a product gas generated by a reaction at the anode electrode. Hole 206.

アノード集電層に用いられる好適な材質としては、カーボン材料;導電性高分子;Au、Pt、Pd等の貴金属;Ti、Ta、W、Nb、Ni、Al、Cr、Ag、Cu、Zn、Su等の金属;Si;これら貴金属、金属またはSiの窒化物、炭化物および炭窒化物等;ならびに、ステンレス、Cu−Cr、Ni−Cr、Ti−Pt等の合金等を挙げることができる。より好ましくは、Pt、Ti、Au、Ag、Cu、NiおよびWからなる群より選ばれる少なくとも1つの元素を含む。かかる元素を含むことにより、アノード集電層の比抵抗が小さくなるため、アノード集電層の抵抗による電圧低下を軽減し、より高い発電特性を得ることが可能となる。Cu、Ag、Zn等の、酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、Au、Pt、Pd等の耐腐食性を有する貴金属および金属材質や、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性炭窒化物、導電性酸化物等を表面コーティングとして用いることができる。これにより、単位電池およびこれを用いた燃料電池スタックの寿命を延ばすことができる。   Suitable materials used for the anode current collecting layer include carbon materials; conductive polymers; noble metals such as Au, Pt, Pd; Ti, Ta, W, Nb, Ni, Al, Cr, Ag, Cu, Zn, Metals such as Su; Si; nitrides, carbides and carbonitrides of these noble metals, metals or Si; and alloys such as stainless steel, Cu—Cr, Ni—Cr, and Ti—Pt. More preferably, it contains at least one element selected from the group consisting of Pt, Ti, Au, Ag, Cu, Ni and W. By including such an element, the specific resistance of the anode current collecting layer is reduced, so that the voltage drop due to the resistance of the anode current collecting layer can be reduced, and higher power generation characteristics can be obtained. In the case of using a metal having poor corrosion resistance in an acidic atmosphere such as Cu, Ag, Zn, etc., noble metals and metal materials having corrosion resistance such as Au, Pt, Pd, conductive polymers, conductive nitriding A material, a conductive carbide, a conductive carbonitride, a conductive oxide or the like can be used as the surface coating. Thereby, the lifetime of the unit cell and the fuel cell stack using the unit cell can be extended.

本実施形態においてアノード集電層205は、その層厚方向に貫通している貫通孔206を有する。アノード極203で生成した二酸化炭素等の生成ガスは気泡となり、大きくなったところで貫通孔206からスペーサ107の排出流路207へ排出される。当該貫通孔により、生成ガスは、排出流路207に最短の距離で排出されるため、生成ガスの排出効率を向上させることができる。   In the present embodiment, the anode current collecting layer 205 has a through hole 206 penetrating in the layer thickness direction. Generated gas such as carbon dioxide generated at the anode electrode 203 becomes a bubble, and is discharged from the through hole 206 to the discharge channel 207 of the spacer 107 when it becomes large. Due to the through hole, the generated gas is discharged to the discharge flow path 207 at the shortest distance, so that the discharge efficiency of the generated gas can be improved.

貫通孔の断面形状は、特に制限されず、たとえば円状、楕円状、四角状、三角状等とすることができる。貫通孔の内径は、10μm〜1mmの範囲とすることが好ましい。また、貫通孔は、1つの単位電池に対して2以上設けられることが好ましく、この場合、貫通孔間の距離(ピッチ)は、100μm〜10mmの範囲とすることが好ましい。メタノール水溶液等の燃料の漏れを防止する観点からは、貫通孔の内径は、500μm未満とすることが好ましい。また、二酸化炭素等の生成ガスの排出効率の観点からは、貫通孔の内径は100μm以上であり、貫通孔間の距離は1mm未満であることがより好ましい。貫通孔の数およびその断面積は、アノード集電層の電気抵抗およびアノード集電層とアノード極との接触面積等を考慮して決定することが好ましい。貫通孔は、たとえば上記した材質からなる板あるいは箔に、エッチング等により貫通する穴を設けることにより形成することができる。なお、貫通孔が複数設けられる場合、当該複数の貫通孔は、互いに連通していてもよい。   The cross-sectional shape of the through hole is not particularly limited, and can be, for example, a circle, an ellipse, a square, a triangle, or the like. The inner diameter of the through hole is preferably in the range of 10 μm to 1 mm. Moreover, it is preferable that two or more through holes are provided for one unit battery. In this case, the distance (pitch) between the through holes is preferably in the range of 100 μm to 10 mm. From the viewpoint of preventing leakage of fuel such as aqueous methanol solution, the inner diameter of the through hole is preferably less than 500 μm. Further, from the viewpoint of the discharge efficiency of the generated gas such as carbon dioxide, the inner diameter of the through holes is preferably 100 μm or more, and the distance between the through holes is more preferably less than 1 mm. The number of through holes and the cross-sectional area thereof are preferably determined in consideration of the electrical resistance of the anode current collecting layer, the contact area between the anode current collecting layer and the anode electrode, and the like. The through hole can be formed, for example, by providing a hole penetrating by etching or the like in a plate or foil made of the above-described material. When a plurality of through holes are provided, the plurality of through holes may communicate with each other.

貫通孔の内壁面は、撥水処理が施されていることが好ましい。貫通孔の内壁面が撥水性を備えることにより、貫通孔が燃料等の液体によって塞がれることによる生成ガスの排出不良を防ぐことができる。貫通孔内壁面の撥水処理は、フッ素樹脂等の撥水性材料含有物の塗布やプラズマグラフト重合処理やイオンビーム改質処理や電子線照射処理などにより行なうことができる。   The inner wall surface of the through hole is preferably subjected to water repellent treatment. By providing the inner wall surface of the through hole with water repellency, it is possible to prevent defective discharge of the generated gas due to the through hole being blocked by a liquid such as fuel. The water repellent treatment of the inner wall surface of the through hole can be performed by applying a water repellent material containing a fluororesin or the like, plasma graft polymerization treatment, ion beam modification treatment, electron beam irradiation treatment, or the like.

また、図3に示されるように、貫通孔206内に、気液分離層209を充填することも好ましい。気液分離層209を設けることにより、燃料がスペーサ107の排出流路207に漏洩することを防止できる。気液分離層209は、水、メタノール水溶液等の液体に対して不透過性であり、気体に対して透過性であって気液分離能を有する多孔質性材料からなる。また、気液分離層209を構成する材料は、アノード極203からアノード集電層205へ効率良く電子伝導を行なうという観点から、導電性を有していることが好ましい。気液分離層209に用いる材料としては、気液分離能を有する材料と、導電性を有する材料との混合物を用いることができる。このような混合材料としては、PTFE(Polytetrafluoroethylene)、PVDF(Polyvinylidenfluolide)等のフッ素系高分子と、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、アモルファスカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどとの混合物を挙げることができる。   Further, as shown in FIG. 3, it is also preferable to fill the gas-liquid separation layer 209 in the through hole 206. By providing the gas-liquid separation layer 209, it is possible to prevent the fuel from leaking into the discharge channel 207 of the spacer 107. The gas-liquid separation layer 209 is made of a porous material that is impermeable to liquids such as water and aqueous methanol solution, is permeable to gas, and has gas-liquid separation ability. Further, the material constituting the gas-liquid separation layer 209 preferably has conductivity from the viewpoint of efficiently conducting electrons from the anode electrode 203 to the anode current collecting layer 205. As a material used for the gas-liquid separation layer 209, a mixture of a material having gas-liquid separation ability and a material having conductivity can be used. Examples of such a mixed material include a mixture of a fluorine-based polymer such as PTFE (Polytetrafluorethylene) or PVDF (Polyvinylidenefluoride) and acetylene black, ketjen black, amorphous carbon, carbon nanotube, carbon nanohorn, or the like.

燃料流路は、アノード極に燃料を供給するための流路であり、上記貫通孔とは別途に形成されている。これにより、燃料の供給と生成ガスの排出とを分離して行なうことができる。このように、アノード集電層205は、燃料の供給および生成ガスの排出の両機能を兼ね備えている。このことは、単位電池、ひいては燃料電池スタックの小型化、薄型化、および軽量化に寄与する。   The fuel flow path is a flow path for supplying fuel to the anode electrode, and is formed separately from the through hole. Thereby, supply of fuel and discharge of product gas can be performed separately. As described above, the anode current collecting layer 205 has both functions of supplying fuel and discharging generated gas. This contributes to miniaturization, thinning, and weight reduction of the unit cell and consequently the fuel cell stack.

燃料流路の形状は特に制限されず、たとえばその断面形状は、図3に示されるように四角形状である。燃料流路は、アノード集電層の、アノード極側の面に形成された1または2以上の溝として構成することができる。燃料流路は、通常、単位電池の長手方向に延び(単位電池の長辺と平行または略平行に延び)、その一端は、燃料が収容された燃料タンク等に接続できるよう、アノード集電層の端部まで延び、その他端は、燃料漏れが生じないよう封止される。燃料流路の末端と燃料タンクとは、燃料が漏れ出さない限りにおいて任意の態様で接続され得る。燃料流路の幅および断面積は、それぞれ好ましくは0.1〜1mm、0.01〜1mm2である。燃料流路の幅および断面積は、アノード集電層の電気抵抗およびアノード集電層とアノード極との接触面積等を考慮して決定することが好ましい。燃料供給方法としては、燃料流路が液体燃料で充填される方法であれば特に限定はなく、ポンプで送液する方法や、カートリッジ内の加圧された液体の圧力を利用して送液する方法、燃料流路内の毛管力で送液する方法などが挙げられる。 The shape of the fuel flow path is not particularly limited, and for example, the cross-sectional shape thereof is a quadrangular shape as shown in FIG. The fuel flow path can be configured as one or more grooves formed on the surface of the anode current collecting layer on the anode electrode side. The fuel flow path usually extends in the longitudinal direction of the unit cell (extends in parallel or substantially in parallel with the long side of the unit cell), and one end thereof is connected to a fuel tank or the like in which fuel is stored so that the anode current collecting layer The other end is sealed to prevent fuel leakage. The end of the fuel flow path and the fuel tank can be connected in any manner as long as the fuel does not leak. The width and cross-sectional area of the fuel flow path are preferably 0.1 to 1 mm and 0.01 to 1 mm 2 , respectively. The width and cross-sectional area of the fuel flow path are preferably determined in consideration of the electrical resistance of the anode current collecting layer, the contact area between the anode current collecting layer and the anode electrode, and the like. The fuel supply method is not particularly limited as long as the fuel flow path is filled with liquid fuel, and is supplied by a pump, or supplied using the pressure of pressurized liquid in the cartridge. Examples thereof include a method and a method of feeding liquid by capillary force in the fuel flow path.

アノード極とアノード集電層とが接触していない領域の長さは、1つの単位電池において、最大で1mm未満であることが好ましい。また、アノード極とアノード集電層とが接触する面積は、アノード極のアノード集電層側表面積の20%以上であることが好ましい。アノード極とアノード集電層との間に別の層を介在させる場合においても同様である。   The length of the region where the anode electrode and the anode current collecting layer are not in contact with each other is preferably less than 1 mm at the maximum in one unit cell. Further, the area where the anode electrode and the anode current collecting layer are in contact with each other is preferably 20% or more of the surface area on the anode current collecting layer side of the anode electrode. The same applies when another layer is interposed between the anode electrode and the anode current collecting layer.

図3に示される単位電池103のように、アノード極203とアノード集電層205との間には、燃料流路208のアノード極203側の面を覆うようにして形成された燃料透過層210を設けることが好ましい。燃料透過層は、燃料流路208からアノード極203へ供給される燃料の流量を制御するための層である。燃料透過層は、たとえば、PTFE、PVDF等のフッ素系高分子やシリコーン樹脂等の合成樹脂、ポリメチルメタクリレート、ポリヒドロキシエチルメタクリレート、ポリジメチルアクリルアミド、ポリグリセロールメタクリレート、ポリビニルピロリドンなどの高分子材料の1種もしくは2種以上を用いて作製された膜、または、該高分子材料からなり、キャスティング等により均一に制御された孔径を有する厚み方向に貫通する複数の貫通孔を備えた層(フィルム)から構成することができる。   As in the unit cell 103 shown in FIG. 3, the fuel permeable layer 210 is formed between the anode electrode 203 and the anode current collecting layer 205 so as to cover the surface on the anode electrode 203 side of the fuel flow path 208. Is preferably provided. The fuel permeable layer is a layer for controlling the flow rate of the fuel supplied from the fuel flow path 208 to the anode electrode 203. The fuel permeable layer is made of, for example, a fluorine-based polymer such as PTFE or PVDF, a synthetic resin such as silicone resin, or a polymer material such as polymethyl methacrylate, polyhydroxyethyl methacrylate, polydimethylacrylamide, polyglycerol methacrylate, or polyvinylpyrrolidone. From a film prepared using seeds or two or more kinds, or a layer (film) comprising a plurality of through-holes made of the polymer material and penetrating in the thickness direction having a hole diameter uniformly controlled by casting or the like Can be configured.

なお、本発明において、単位電池は、カソード極、電解質膜、アノード極およびアノード集電層をこの順で含むが、これらのほか、必要に応じて他の構成部材を含んでいてもよい。他の構成部材としては、特に限定されず、たとえば、カソード集電層、セパレータ、上記燃料透過層などが挙げられる。   In the present invention, the unit cell includes a cathode electrode, an electrolyte membrane, an anode electrode, and an anode current collecting layer in this order. However, in addition to these, other unit members may be included as necessary. Other constituent members are not particularly limited, and examples thereof include a cathode current collecting layer, a separator, and the fuel permeable layer.

(スペーサ)
スペーサ(図3におけるスペーサ107)は、燃料電池層の間に配置されるスペーサ層を構成する部材である。図2および図3を参照して、たとえば、第1のスペーサ層115は、第1の燃料電池層110と第2の燃料電池層120との間に配置される。第1のスペーサ層115を構成するスペーサ107は、第1の燃料電池層110を構成する単位電池103のアノード集電層205および第2の燃料電池層120を構成する単位電池103のカソード極204に接するように配置される。このようなスペーサ層を介在させることにより、2つの燃料電池層は、離間して配置されることとなり、当該2つの燃料電池層の間に空間部(当該空間部は、スペーサ間に形成される隙間140を含む。)が形成される。かかる空間部は、燃料電池スタック内部に位置する単位電池のカソード極への空気(酸素)供給を向上させる。本実施形態において、スペーサ107は、アノード極における反応により生じる生成ガスを、後述するガス集約部へ誘導するための生成ガス排出用流路の一部である排出流路207を備えている。
(Spacer)
The spacer (the spacer 107 in FIG. 3) is a member constituting a spacer layer disposed between the fuel cell layers. Referring to FIGS. 2 and 3, for example, first spacer layer 115 is arranged between first fuel cell layer 110 and second fuel cell layer 120. The spacer 107 constituting the first spacer layer 115 is composed of the anode current collecting layer 205 of the unit cell 103 constituting the first fuel cell layer 110 and the cathode electrode 204 of the unit cell 103 constituting the second fuel cell layer 120. It arrange | positions so that it may touch. By interposing such a spacer layer, the two fuel cell layers are arranged apart from each other, and a space portion (the space portion is formed between the spacers) between the two fuel cell layers. Including the gap 140). Such a space improves air (oxygen) supply to the cathode electrode of the unit cell located inside the fuel cell stack. In the present embodiment, the spacer 107 includes a discharge flow path 207 that is a part of a generated gas discharge flow path for guiding the generated gas generated by the reaction at the anode electrode to a gas aggregation section described later.

スペーサを構成する材料は、燃料電池スタックに外力が加わっても燃料電池層間の空間部を確保できる程度の強度を保つものであれば特に限定はないが、導電性材料であることが好ましい。導電性材料を用いることによって、他に外部配線を用いることなく、燃料電池層同士を直列接続することができるため、燃料電池スタックの小型化に有利となる。スペーサを構成する材料としては、アノード集電層と同様の材料を用いることが好ましく、たとえば、カーボン材料;導電性高分子;Au、Pt、Pd等の貴金属;Ti、Ta、W、Nb、Ni、Al、Cr、Ag、Cu、Zn、Su等の金属;Si;これら貴金属、金属またはSiの窒化物、炭化物、炭窒化物等;ならびに、ステンレス、Cu−Cr、Ni−Cr、Ti−Pt等の合金等を挙げることができる。より好ましくは、Pt、Ti、Au、Ag、Cu、NiおよびWからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を含む。かかる元素を含むことにより、スペーサの比抵抗が小さくなるため、スペーサの抵抗による電圧低下を軽減し、より高い発電特性を得ることが可能となる。Cu、Ag、Zn等の、酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、Au、Pt、Pd等の耐腐食性を有する貴金属および金属材質や、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性炭窒化物、導電性酸化物等を表面コーティングとして用いることができる。これにより、燃料電池、ひいては燃料電池スタックの寿命を延ばすことができる。   The material constituting the spacer is not particularly limited as long as it maintains a strength sufficient to ensure a space between the fuel cell layers even when an external force is applied to the fuel cell stack, but is preferably a conductive material. By using the conductive material, the fuel cell layers can be connected in series without using any other external wiring, which is advantageous for miniaturization of the fuel cell stack. As the material constituting the spacer, it is preferable to use the same material as that of the anode current collecting layer. For example, carbon material; conductive polymer; noble metal such as Au, Pt, Pd; Ti, Ta, W, Nb, Ni , Al, Cr, Ag, Cu, Zn, Su, etc .; Si; nitrides, carbides, carbonitrides, etc. of these noble metals, metals or Si; and stainless steel, Cu—Cr, Ni—Cr, Ti—Pt Examples of such an alloy can be given. More preferably, it contains at least one element selected from the group consisting of Pt, Ti, Au, Ag, Cu, Ni and W. By including such an element, the specific resistance of the spacer is reduced, so that a voltage drop due to the resistance of the spacer can be reduced and higher power generation characteristics can be obtained. In the case of using a metal having poor corrosion resistance in an acidic atmosphere such as Cu, Ag, Zn, etc., noble metals and metal materials having corrosion resistance such as Au, Pt, Pd, conductive polymers, conductive nitriding A material, a conductive carbide, a conductive carbonitride, a conductive oxide or the like can be used as the surface coating. As a result, the life of the fuel cell, and thus the fuel cell stack, can be extended.

本実施形態において、スペーサ107の形状は、燃料電池層間に空気(酸素)が供給される空間部を確保することを可能とし、スペーサ107に形成される排出流路207とスペーサ107に隣接するアノード集電層205の貫通孔206とを連通させることができれば特に限定はないが、当該空間部の厚さを均一に確保し、当該空間部の容積を大きくするために、スペーサを隣接する単位電池と交差(好ましくは直交)させて配置したときに、スペーサの少なくとも一端が、隣接する燃料電池層から突き出し得る長辺長さを有する短冊状、特には柱状であることが好ましい。柱状の断面形状は特に制限されず、たとえば、楕円状、四角状等とすることができる。スペーサ107が導電性材料からなり、スペーサ107が電気的接続の役割を果たす場合は、スペーサ107の形状は直方体状であることが好ましい。スペーサ107を直方体形状とすることによって、スペーサ107とこれに隣接する燃料電池層の単位電池とを面同士で接触させることができるため、電気的な接触抵抗を低減させることができる。また、スペーサの形状を直方体形状とすることにより、アノード集電層が有する貫通孔とスペーサが有する排出流路とを隙間なく連通させやすくなり、生成ガスの漏洩を効果的に防止することができる。   In the present embodiment, the shape of the spacer 107 makes it possible to secure a space where air (oxygen) is supplied between the fuel cell layers, and the discharge channel 207 formed in the spacer 107 and the anode adjacent to the spacer 107. There is no particular limitation as long as it can communicate with the through-hole 206 of the current collecting layer 205, but in order to ensure a uniform thickness of the space portion and increase the volume of the space portion, a unit cell adjacent to the spacer is provided. It is preferable that at least one end of the spacer has a strip shape having a long side length that can protrude from an adjacent fuel cell layer, particularly a column shape. The columnar cross-sectional shape is not particularly limited, and can be, for example, elliptical or rectangular. When the spacer 107 is made of a conductive material and the spacer 107 plays a role of electrical connection, the shape of the spacer 107 is preferably a rectangular parallelepiped. By making the spacer 107 a rectangular parallelepiped shape, the spacer 107 and the unit cell of the fuel cell layer adjacent to the spacer 107 can be brought into contact with each other, so that the electrical contact resistance can be reduced. In addition, by making the shape of the spacer a rectangular parallelepiped, the through hole of the anode current collecting layer and the discharge flow path of the spacer can be easily communicated with no gap, and the leakage of the generated gas can be effectively prevented. .

スペーサが長辺と短辺とを有する短冊形状(特には直方体形状)を有している場合において、スペーサの幅(短辺の長さ)は、アノード集電層に形成された貫通孔を覆うことが可能な大きさであれば特に限定はないが、燃料電池スタックの構造強度を保つために、0.5mm以上が好ましく、空間部への酸素供給を行なわれやすくするために、5mm以下であることが好ましい。スペーサの厚み(スペーサ層の厚み)は、スペーサによって形成される空間部内への酸素供給を行なわれやすくするために、0.1mm以上が好ましく、燃料電池スタックの大型化を防ぐために、5mm以下であることが好ましい。スペーサの厚み(スペーサ層の厚み)は、0.2mm〜1mm以下であることがより好ましい。   When the spacer has a strip shape (in particular, a rectangular parallelepiped shape) having a long side and a short side, the width of the spacer (the length of the short side) covers the through-hole formed in the anode current collecting layer. There is no particular limitation as long as the size can be reduced, but 0.5 mm or more is preferable to maintain the structural strength of the fuel cell stack, and 5 mm or less to facilitate oxygen supply to the space. Preferably there is. The thickness of the spacer (the thickness of the spacer layer) is preferably 0.1 mm or more in order to facilitate oxygen supply into the space formed by the spacer, and 5 mm or less in order to prevent the fuel cell stack from becoming large. Preferably there is. The thickness of the spacer (the thickness of the spacer layer) is more preferably 0.2 mm to 1 mm.

1つのスペーサ層内におけるスペーサの数は、空間部を確保することができれば特に限定はないが、燃料電池スタックに外力が加わっても空間部を安定的に確保するために、2以上であることが好ましい。   The number of spacers in one spacer layer is not particularly limited as long as the space can be secured, but is 2 or more in order to stably secure the space even when an external force is applied to the fuel cell stack. Is preferred.

また、アノード極での生成ガスの排出抵抗を低減させるために、スペーサと隣接する燃料電池層のスペーサ側表面のスペーサとの接触面積は、当該スペーサ側表面全体の20%以上であることが好ましく、空間部内への酸素供給の抵抗低減を図るために、80%以下であることが好ましい。   Further, in order to reduce the discharge resistance of the generated gas at the anode electrode, the contact area between the spacer and the spacer on the spacer side surface of the fuel cell layer adjacent to the spacer is preferably 20% or more of the entire spacer side surface. In order to reduce the resistance of oxygen supply into the space, it is preferably 80% or less.

本実施形態において、スペーサ107は、アノード極における反応により生じる生成ガスを、後述するガス集約部へ誘導するための生成ガス排出用流路の一部である排出流路207を備える。本実施形態の燃料電池スタックに含まれる各燃料電池において、スペーサは、燃料電池層に対して、燃料電池層を構成するすべての単位電池のアノード集電層に形成された貫通孔とスペーサの排出流路とが連通するように、典型的には、スペーサの排出流路が該貫通孔のスペーサ側開口の直下に位置するように配置される。   In the present embodiment, the spacer 107 includes a discharge flow path 207 that is a part of a generated gas discharge flow path for guiding the generated gas generated by the reaction at the anode electrode to a gas aggregation section described later. In each fuel cell included in the fuel cell stack of the present embodiment, the spacer is a through hole formed in the anode current collecting layer of all unit cells constituting the fuel cell layer and the discharge of the spacer with respect to the fuel cell layer. Typically, the discharge channel of the spacer is disposed so as to be located immediately below the spacer side opening of the through hole so as to communicate with the channel.

スペーサ107に形成される排出流路207の形状は、スペーサ107に隣接するアノード集電層205の貫通孔206と連通可能であり、スペーサ107の、ガス集約部と接続される端部まで延びている限り特に限定はないが、たとえば、スペーサ107の一表面(アノード集電層と接する側の表面)に形成された、スペーサの長手方向に延びる(長辺と平行または略平行に延びる)1または2以上の溝から構成することができる。この場合、溝の断面形状は、特に制限されないが、たとえば四角形状とすることができる。アノード集電層と接する側の表面における当該溝の位置は特に制限されず、たとえば当該表面の中央または中央近傍とすることができる。また、中空状スペーサを用い、中空状スペーサとアノード集電層205の貫通孔206との接合部に、貫通孔206とスペーサの中空部とを連通させる連通孔を設けることで、当該スペーサの中空部および連通孔を排出流路とすることもできる。なお、ガス集約部と接続される側とは反対側の端部における上記溝または中空部末端は、生成ガスが当該端部から流出しないよう封止される。排出流路207の幅および断面積は、それぞれ、好ましくは0.1〜1mm、0.01〜1mm2である。スペーサに導電性材料を用いる場合は、スペーサ107の電気抵抗およびスペーサ107とアノード集電層205との接触面積等を考慮して排出流路207の幅および断面積を決定することが好ましい。排出流路207は、エッチング加工、プレス加工、切削加工などによって形成することができる。 The shape of the discharge flow path 207 formed in the spacer 107 can communicate with the through hole 206 of the anode current collecting layer 205 adjacent to the spacer 107, and extends to the end of the spacer 107 connected to the gas collecting portion. There is no particular limitation as long as it is, for example, 1 formed on one surface of the spacer 107 (surface on the side in contact with the anode current collecting layer) extending in the longitudinal direction of the spacer (extending in parallel or substantially parallel to the long side) 1 or It can be composed of two or more grooves. In this case, the cross-sectional shape of the groove is not particularly limited, but may be, for example, a square shape. The position of the groove on the surface in contact with the anode current collecting layer is not particularly limited, and can be, for example, the center of the surface or the vicinity of the center. Further, by using a hollow spacer and providing a communication hole for communicating the through hole 206 and the hollow portion of the spacer at the joint between the hollow spacer and the through hole 206 of the anode current collecting layer 205, the hollow space of the spacer is reduced. The part and the communication hole can be used as a discharge channel. The groove or the end of the hollow portion at the end opposite to the side connected to the gas collecting portion is sealed so that the generated gas does not flow out from the end. The width and cross-sectional area of the discharge channel 207 are preferably 0.1 to 1 mm and 0.01 to 1 mm 2 , respectively. When a conductive material is used for the spacer, it is preferable to determine the width and cross-sectional area of the discharge channel 207 in consideration of the electrical resistance of the spacer 107, the contact area between the spacer 107 and the anode current collecting layer 205, and the like. The discharge channel 207 can be formed by etching, pressing, cutting, or the like.

また、排出流路207は、その内部に、貫通孔206から排出される生成ガス中の有機化合物成分を燃焼させるための触媒を備えていることが好ましい。このような触媒を備えることによって、排出された二酸化炭素等の生成ガスに含まれる有機化合物を空気中の酸素と反応させ、燃焼させることができる。これにより、主にメタノールの蒸気からなる有機化合物の、燃料電池システム外部への排出量を低減させることができる。また、燃焼時に発生する熱を単位電池に伝えることにより、触媒反応を活性化させることができ、発電効率を向上させることができる。有機化合物燃焼触媒としては、好ましくはPtの微粒子が用いられ、該触媒は担持体に担持されていることが好ましい。耐熱性向上のため、金属、金属酸化物などの多孔質体を担持体として用いることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the discharge flow path 207 includes a catalyst for burning the organic compound component in the product gas discharged from the through hole 206 therein. By providing such a catalyst, an organic compound contained in a generated gas such as discharged carbon dioxide can be reacted with oxygen in the air and burned. Thereby, the discharge amount of the organic compound mainly composed of methanol vapor to the outside of the fuel cell system can be reduced. Moreover, by transmitting the heat generated during combustion to the unit cell, the catalytic reaction can be activated and the power generation efficiency can be improved. Pt fine particles are preferably used as the organic compound combustion catalyst, and the catalyst is preferably supported on a carrier. In order to improve heat resistance, it is preferable to use a porous body such as a metal or metal oxide as the carrier.

スペーサの排出流路207が、スペーサ107におけるアノード集電層205と接する側の表面に形成された1または2以上の溝から構成される場合、当該溝の開口のうち、単位電池103によって塞がれていない部分(単位電池103間に形成された隙間130に接する部分)は、アノード極で発生した生成ガスが燃料電池スタック内部に漏れ出さないよう、ガス透過防止層150によって封止される(図2および3参照)。ガス透過防止層は、たとえば、スペーサを構成する材料と同じあるいは同等の金属のほか、ニトリルゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム、アチレンブタジエンゴム、フッ素ゴム、エチレンプロピレンゴムなどの合成ゴム、天然ゴム等の材料から構成することができ、耐薬品性、耐熱性およびスペーサとのシール性能の点からは、スペーサを構成する材料と同じあるいは同等の金属を用いることが好ましい。   When the spacer discharge channel 207 is composed of one or two or more grooves formed on the surface of the spacer 107 on the side in contact with the anode current collecting layer 205, the unit battery 103 blocks the opening of the groove. The portion not in contact (the portion in contact with the gap 130 formed between the unit cells 103) is sealed by the gas permeation prevention layer 150 so that the generated gas generated at the anode electrode does not leak into the fuel cell stack ( 2 and 3). The gas permeation preventive layer is, for example, the same or equivalent metal as the material constituting the spacer, as well as synthetic rubber such as nitrile rubber, silicone rubber, acrylic rubber, ethylene butadiene rubber, fluorine rubber, ethylene propylene rubber, natural rubber, etc. In view of chemical resistance, heat resistance, and sealing performance with the spacer, it is preferable to use the same or equivalent metal as the material constituting the spacer.

ここで、スペーサ107は、スペーサ107と隣接するアノード集電層205と一体化されていることが好ましい。すなわち、燃料電池スタックの燃料電池の単位を構成する燃料電池層とスペーサ層とは、一体化されていることが好ましい。「一体化」とは、外部から圧力を加えなくとも分離しない状態のことをいい、具体的には化学結合やアンカー効果や粘着力等により接合された状態のことをいう。スペーサ107とアノード集電層205とが一体化されることによって、スペーサ107とアノード集電層205との接合面の気密度が向上し、生成ガスが該接合面から漏洩することを防ぐことができる。その結果、生成ガスが該接合面からカソード極近傍へ漏洩することを防ぐことができるため、生成ガスの漏洩による酸素供給阻害を防ぎ、燃料電池スタックの高い出力を維持することができる。スペーサ107とアノード集電層205の一体化方法としては、熱硬化性樹脂等の接着剤を用いた接着、その他に拡散接合、超音波接合、レーザー溶接などが挙げられる。同様に、燃料電池スタックの機械的安定性、電気的接続性を考慮すると、燃料電池スタックを構成する燃料電池同士もまた、一体化されることが好ましい。導電性のスペーサを用い、各燃料電池を直列接続する場合、燃料電池同士の一体化は、たとえば導電性の接着剤を用いて行なうことができる。   Here, the spacer 107 is preferably integrated with the anode current collecting layer 205 adjacent to the spacer 107. That is, it is preferable that the fuel cell layer and the spacer layer constituting the unit of the fuel cell of the fuel cell stack are integrated. The term “integrated” refers to a state where no separation occurs even if pressure is not applied from the outside, and specifically refers to a state where they are joined by a chemical bond, an anchor effect, an adhesive force, or the like. By integrating the spacer 107 and the anode current collecting layer 205, the air density of the joint surface between the spacer 107 and the anode current collecting layer 205 is improved, and it is possible to prevent the generated gas from leaking from the joint surface. it can. As a result, it is possible to prevent the product gas from leaking from the joint surface to the vicinity of the cathode, so that it is possible to prevent the oxygen supply from being hindered due to the leak of the product gas and maintain a high output of the fuel cell stack. Examples of a method for integrating the spacer 107 and the anode current collecting layer 205 include adhesion using an adhesive such as a thermosetting resin, diffusion bonding, ultrasonic bonding, and laser welding. Similarly, considering the mechanical stability and electrical connectivity of the fuel cell stack, the fuel cells constituting the fuel cell stack are also preferably integrated. When using conductive spacers and connecting the fuel cells in series, the fuel cells can be integrated using, for example, a conductive adhesive.

<ガス集約部>
図1に示されるように、本実施形態の燃料電池システム100は、燃料電池スタック101の単位電池103の発電により発生する生成ガスを集約するためのガス集約部102を備える。集約された生成ガスは、ガス集約部102が有する開口部104に接続された生成ガス誘導路105の末端開口(ガス排出口106)から、燃料電池システム100の外部へ排出される。
<Gas Consolidation Department>
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 of the present embodiment includes a gas aggregating unit 102 for aggregating the generated gas generated by the power generation of the unit cells 103 of the fuel cell stack 101. The aggregated generated gas is discharged to the outside of the fuel cell system 100 from the end opening (gas exhaust port 106) of the generated gas guiding path 105 connected to the opening 104 of the gas aggregating section 102.

ガス集約部102の構成は、燃料電池スタック101の単位電池103の発電により発生する生成ガスを集約することができ、集約された生成ガスを燃料電池システム100の外部へ排出することができる限り特に制限されないが、図1に示される燃料電池システム100のように、内部に空洞部を有する中空体から構成することができる。この場合、当該空洞部が生成ガスを集約するための部位となり、ガス集約部の外表面に設けられる開口部104は、当該空洞部と連通される。ガス集約部の外形形状は特に制限されない。なお、生成ガス誘導路105の末端開口(ガス排出口106)から生成ガスを排出するのではなく、生成ガス誘導路を設けず、開口部から直接、生成ガスを排出するようにしてもよい。ガス集約部における開口部の位置は特に制限されないが、特に、開口部から直接、生成ガスを排出する場合には、排出された生成ガスが燃料電池スタックに取り込まれないような位置である必要があり、たとえば、開口部は、燃料電池スタックが位置する方向とは異なる方向に向けられる。   The configuration of the gas aggregating unit 102 is particularly as long as the generated gas generated by the power generation of the unit cell 103 of the fuel cell stack 101 can be aggregated and the aggregated generated gas can be discharged to the outside of the fuel cell system 100. Although not limited, it can be comprised from the hollow body which has a cavity part inside like the fuel cell system 100 shown by FIG. In this case, the hollow portion becomes a part for collecting the generated gas, and the opening 104 provided on the outer surface of the gas collecting portion is communicated with the hollow portion. The outer shape of the gas collecting part is not particularly limited. Instead of discharging the generated gas from the end opening (gas discharge port 106) of the generated gas guiding path 105, the generated gas may be discharged directly from the opening without providing the generated gas guiding path. The position of the opening in the gas concentrating portion is not particularly limited. Particularly, when the generated gas is discharged directly from the opening, it is necessary that the discharged generated gas is not taken into the fuel cell stack. For example, the opening is directed in a direction different from the direction in which the fuel cell stack is located.

ガス集約部102を構成する材料は、難気体透過性を有していれば特に限定されないが、高分子基材、無機基材、金属基材を用いることが好ましい。さらには軽量であり絶縁性であるという観点から、シリコン樹脂、ポリカーボネート樹脂、フェノール樹脂、ポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂のいずれかからなる材料を用いることがより好ましい。   Although the material which comprises the gas concentration part 102 will not be specifically limited if it has a difficult gas permeability, It is preferable to use a polymer base material, an inorganic base material, and a metal base material. Furthermore, from the viewpoint of being lightweight and insulating, silicon resin, polycarbonate resin, phenol resin, polyolefin resin, epoxy resin, polyethylene terephthalate resin, polypropylene resin, polyimide resin, polyamide resin, polyamideimide resin, polyether ether ketone resin It is more preferable to use a material made of any of the above.

本実施形態の燃料電池システム100において、ガス集約部102は、燃料電池スタック101が有するすべてのスペーサ107の、排出流路207が末端まで形成されている端部と接続されている。これにより、ガス集約部102の空洞部と、燃料電池スタック101が有するすべての単位電池103のアノード極203とが、燃料電池スタック101を構成する各燃料電池の内部に設けられる上記生成ガス排出用流路によって連通される。ガス集約部とスペーサの接続方法としては、たとえばガス集約部である中空体の側面にスペーサを差し込むための穴を設けておき、当該穴にスペーサを差し込み、接続部分の外周をシール材で封止する方法が挙げられる。また、燃料電池スタックを搭載する電子機器に、あらかじめ柔軟性を有する(たとえばゴム状の)壁面を備えるガス集約部を形成しておき、当該柔軟性を有する壁面に燃料電池スタックのスペーサを突き刺し、接続部分の外周を封止するようにしてもよい。この場合、燃料電池システムは、当該電子機器内において構築される。なお、本実施形態においては、1つのガス集約部が燃料電池スタックが備えるすべてのスペーサに接続されている必要はない。たとえば、燃料電池スタックを構成する燃料電池ごとに、ガス集約部を設けるようにしてもよい。この場合、典型的には、1つの燃料電池が有するすべてのスペーサに1つのガス集約部が接続され、燃料電池スタックに含まれる燃料電池の数と同じ数のガス集約部が設けられる。また、本実施形態においては、燃料電池スタックは、少なくとも1つの燃料電池の単位を有しており、燃料電池スタックが有する少なくとも1つのスペーサ層が有するすべてのスペーサの端部にガス集約部が接続されていればよい。   In the fuel cell system 100 of the present embodiment, the gas collecting unit 102 is connected to the end portions of all the spacers 107 included in the fuel cell stack 101 where the discharge flow passages 207 are formed to the end. As a result, the hollow portion of the gas concentrating portion 102 and the anode electrodes 203 of all the unit cells 103 included in the fuel cell stack 101 are provided inside the fuel cells constituting the fuel cell stack 101 for discharging the generated gas. It communicates with a flow path. As a method of connecting the gas collecting portion and the spacer, for example, a hole for inserting the spacer is provided on the side surface of the hollow body that is the gas collecting portion, the spacer is inserted into the hole, and the outer periphery of the connecting portion is sealed with a sealing material The method of doing is mentioned. In addition, in the electronic device on which the fuel cell stack is mounted, a gas collecting part including a flexible wall surface (for example, rubber) is formed in advance, and the spacer of the fuel cell stack is pierced into the flexible wall surface, You may make it seal the outer periphery of a connection part. In this case, the fuel cell system is constructed in the electronic device. In the present embodiment, it is not necessary for one gas collecting part to be connected to all the spacers provided in the fuel cell stack. For example, you may make it provide a gas concentration part for every fuel cell which comprises a fuel cell stack. In this case, typically, one gas collecting portion is connected to all the spacers of one fuel cell, and the same number of gas collecting portions as the number of fuel cells included in the fuel cell stack are provided. In the present embodiment, the fuel cell stack has at least one unit of fuel cell, and the gas concentrating portion is connected to the end portions of all the spacers of the at least one spacer layer of the fuel cell stack. It only has to be done.

本発明の燃料電池システムは、1または2以上のガス集約部を有していてもよいが、好ましくは、ガス集約部のすべては、図1に示される燃料電池システム100のように、燃料電池スタックの外面のうち、1つの側面に隣接して配置されることが好ましい。これにより、燃料電池スタックへの空気取り入れ面を多く確保することができる。また、燃料電池スタックを電子機器に搭載した際、燃料電池スタックの空気取り入れ面とならない燃料電池スタックの外面の中から、ガス集約部の設置面が選択されることが好ましい。これにより、ガス集約部が燃料電池スタックへの空気供給の妨げにならないため、より出力密度の高い、安定した燃料電池システムを提供することが可能となる。   The fuel cell system of the present invention may have one or two or more gas collecting units, but preferably all of the gas collecting units are fuel cells, such as the fuel cell system 100 shown in FIG. It is preferable that the outer surface of the stack is disposed adjacent to one side surface. Thereby, many air intake surfaces to the fuel cell stack can be secured. In addition, when the fuel cell stack is mounted on an electronic device, it is preferable that the installation surface of the gas collecting portion is selected from the outer surface of the fuel cell stack that does not become the air intake surface of the fuel cell stack. As a result, since the gas concentrating portion does not hinder the air supply to the fuel cell stack, it is possible to provide a stable fuel cell system with a higher output density.

本実施形態の燃料電池システム100は、図1に示されるように、ガス集約部102の開口部104と接続され、ガス集約部に集約された生成ガスの燃料電池システムにおける排出位置を調整するための中空状の生成ガス誘導路105を備えている。この場合、生成ガス誘導路105におけるガス集約部102の開口部104側とは反対側の開口が生成ガスの排出口(図1におけるガス排出口106)となる。このような生成ガス誘導路は、特に、燃料電池システムを備える電子機器における生成ガスの排出位置を調整する上で有利である。ただし、ガス集約部が有する開口部(図1における開口部104)から直接、生成ガスを排出することも可能である。生成ガス誘導路を構成する材料は、ガス集約部と同様とすることができる。また、生成ガス誘導路の長さ、外形形状および断面形状は、特に制限されず、長さおよび外形形状等は、所望される生成ガスの排出口位置に応じて決定される。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 according to the present embodiment is connected to the opening 104 of the gas collecting unit 102 and adjusts the discharge position of the generated gas collected in the gas collecting unit in the fuel cell system. The hollow product gas guide path 105 is provided. In this case, the opening on the side opposite to the opening 104 side of the gas concentrating portion 102 in the generated gas guiding path 105 is a generated gas discharge port (gas discharge port 106 in FIG. 1). Such a product gas guiding path is particularly advantageous in adjusting the discharge position of the product gas in an electronic device including a fuel cell system. However, it is also possible to discharge the generated gas directly from the opening (the opening 104 in FIG. 1) of the gas collecting part. The material constituting the product gas guiding path can be the same as that of the gas collecting part. Further, the length, the outer shape, and the cross-sectional shape of the product gas guide path are not particularly limited, and the length, the outer shape, and the like are determined according to a desired product gas discharge port position.

生成ガス誘導路は、そのガス集約部の開口部側とは反対側の開口(ガス排出口)に、排出される生成ガス中の有害成分を除去するためのフィルタ(有害成分除去フィルタ)を備えていてもよい。このようなフィルタを設けることにより、万が一、反応で有害な副生成物が生じ、ガス集約部を介してガス排出口に到達した場合においても、フィルタによって除去されるため安全性が向上する。また、ガス排出口が燃料電池システムを備える電子機器の外縁に位置にするように生成ガス誘導路を構成すると、フィルタの交換が容易になるため有利である。   The product gas guide path is provided with a filter (hazardous component removal filter) for removing harmful components in the exhausted product gas at the opening (gas discharge port) opposite to the opening side of the gas collecting portion. It may be. By providing such a filter, even if a by-product that is harmful due to the reaction is generated and reaches the gas discharge port via the gas collecting part, it is removed by the filter, so that safety is improved. In addition, it is advantageous to configure the generated gas guide path so that the gas discharge port is located at the outer edge of the electronic device including the fuel cell system because the filter can be easily replaced.

また、生成ガス誘導路の内壁面は、撥水処理が施されていてもよい。アノード極からの温かい生成ガス(生成ガスは、たとえば燃料であるメタノール蒸気を含み得る。)が排出流路で冷やされ、生成ガス誘導路の内壁面で結露した場合においても、液滴は壁面を伝って下部へ流れやすくなるため、電子機器の使用状態において、外部に液滴が漏れることを防止することが可能となる。生成ガス誘導路の内壁面の撥水処理は、上記した、アノード集電層に設けられる貫通孔の撥水処理と同様とすることができる。   Further, the inner wall surface of the generated gas guiding path may be subjected to water repellent treatment. Even when the warm product gas from the anode electrode (product gas may contain, for example, methanol vapor as a fuel) is cooled in the discharge channel and condensed on the inner wall surface of the product gas guide channel, Since it is easy to flow to the lower part, it is possible to prevent liquid droplets from leaking to the outside when the electronic apparatus is in use. The water repellent treatment of the inner wall surface of the generated gas guiding path can be the same as the water repellent treatment of the through hole provided in the anode current collecting layer described above.

生成ガス誘導路が延びる方向は、特に制限されないが、燃料電池スタックが位置する方向とは異なる方向に延びることが好ましい。また、生成ガス誘導路は、燃料電池システムの使用時または燃料電池システムを備える電子機器の使用時において、生成ガス誘導路のガス排出口が上方に向くように、ガス集約部に備えられていることが好ましい。   The direction in which the product gas guiding path extends is not particularly limited, but preferably extends in a direction different from the direction in which the fuel cell stack is located. In addition, the product gas guiding path is provided in the gas collecting section so that the gas discharge port of the product gas guiding path faces upward when the fuel cell system is used or when the electronic device including the fuel cell system is used. It is preferable.

<<第2の実施形態>>
図4は、本発明の燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの別の好ましい一例を示す断面図である。図4は、図3と同様、本実施形態に係る燃料電池スタック201の一部のみを示す断面図である。燃料電池スタック201は、長辺と短辺を有する複数の短冊状の単位電池303を、同一平面上に、各単位電池303の間に隙間330が形成されるように配置してなる第1の燃料電池層310と、長辺と短辺を有する複数の短冊状のスペーサ407を、同一平面上に、各スペーサ507の間に隙間が形成されるように配置してなる第1のスペーサ層と、第1の燃料電池層310と同じ構造を有する第2の燃料電池層320と、第1のスペーサ層と同じ構造を有する第2のスペーサ層(図4において図示せず)と、をこの順で積層してなる。用いられている単位電池303およびスペーサ507の外形形状は、上記第1の実施形態と同様である。
<< Second Embodiment >>
FIG. 4 is a cross-sectional view showing another preferred example of the fuel cell stack constituting the fuel cell system of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view showing only a part of the fuel cell stack 201 according to the present embodiment, as in FIG. 3. The fuel cell stack 201 is a first cell in which a plurality of strip-shaped unit cells 303 having long sides and short sides are arranged on the same plane so that gaps 330 are formed between the unit cells 303. A first spacer layer in which a fuel cell layer 310 and a plurality of strip-shaped spacers 407 having a long side and a short side are arranged on the same plane so that a gap is formed between the spacers 507; The second fuel cell layer 320 having the same structure as the first fuel cell layer 310 and the second spacer layer (not shown in FIG. 4) having the same structure as the first spacer layer are arranged in this order. Is laminated. The external shapes of the unit battery 303 and the spacer 507 used are the same as those in the first embodiment.

第1の燃料電池層310とこれに隣接する第1のスペーサ層とは、第1の燃料電池層310が有する単位電池303と、第1のスペーサ層が有するスペーサ507とが交差するように(より詳しくは、直交または略直交するように)積層されている。第1のスペーサ層とこれに隣接する第2の燃料電池層320、および、第2の燃料電池層320とこれに隣接する第2のスペーサ層についても同様である。   The first fuel cell layer 310 and the first spacer layer adjacent to the first fuel cell layer 310 intersect such that the unit cell 303 included in the first fuel cell layer 310 and the spacer 507 included in the first spacer layer intersect ( More specifically, they are stacked so as to be orthogonal or substantially orthogonal. The same applies to the first spacer layer and the second fuel cell layer 320 adjacent thereto, and the second fuel cell layer 320 and the second spacer layer adjacent thereto.

図4に示されるように、第1の燃料電池層310および第2の燃料電池層320を構成する単位電池303は、カソード極404、電解質膜402、アノード極403およびアノード集電層405をこの順で備えている。より具体的には、単位電池303は、電解質膜402と、電解質膜402の一方の表面に配置されたアノード極403と、電解質膜402の他方の表面に配置されたカソード極404と、アノード極403の電解質膜402に対向する面とは反対の面に接して配置されたアノード集電層405とから構成される。   As shown in FIG. 4, the unit cell 303 constituting the first fuel cell layer 310 and the second fuel cell layer 320 includes a cathode electrode 404, an electrolyte membrane 402, an anode electrode 403, and an anode current collecting layer 405. Prepare in order. More specifically, the unit cell 303 includes an electrolyte membrane 402, an anode electrode 403 disposed on one surface of the electrolyte membrane 402, a cathode electrode 404 disposed on the other surface of the electrolyte membrane 402, and an anode electrode. The anode current collecting layer 405 is disposed in contact with the surface opposite to the surface facing the electrolyte membrane 402 of 403.

第1の燃料電池層310は、第1のスペーサ層を構成するスペーサ507と第1の燃料電池層310を構成する単位電池303のアノード集電層405とが接するように、第1のスペーサ層上に積層されており、第1の燃料電池層310を構成する単位電池303はすべて、そのアノード極403側が第1のスペーサ層に対向するように配置されている。第1の燃料電池層310と第1のスペーサ層とが、燃料電池スタック201において、1つの「燃料電池」の単位を形成している。第2の燃料電池層320を構成する単位電池303はいずれも、そのカソード極404が第1のスペーサ層に対向するように配置されている。同様に、第2の燃料電池層320を構成する単位電池303はすべて、そのアノード極403側が第2のスペーサ層に対向するように配置されており、第2の燃料電池層320と第2のスペーサ層とが、燃料電池スタック201において、1つの「燃料電池」の単位を形成している。   The first fuel cell layer 310 is arranged such that the spacer 507 constituting the first spacer layer and the anode current collecting layer 405 of the unit cell 303 constituting the first fuel cell layer 310 are in contact with each other. All the unit cells 303 that are stacked on top and constitute the first fuel cell layer 310 are arranged so that the anode electrode 403 side faces the first spacer layer. The first fuel cell layer 310 and the first spacer layer form one “fuel cell” unit in the fuel cell stack 201. All the unit cells 303 constituting the second fuel cell layer 320 are arranged so that the cathode electrode 404 faces the first spacer layer. Similarly, all the unit cells 303 constituting the second fuel cell layer 320 are arranged so that the anode electrode 403 side faces the second spacer layer, and the second fuel cell layer 320 and the second fuel cell layer 320 The spacer layer forms one “fuel cell” unit in the fuel cell stack 201.

ここで、本実施形態における燃料電池スタック201においては、燃料電池スタック201が有するすべての単位電池303のアノード極403で発生した生成ガスをガス集約部(図4において図示せず)に誘導できるよう、上記第1の実施形態と同様、各「燃料電池」の単位ごとに、ガス集約部が有する空洞部と、各燃料電池の燃料電池層が有するすべての単位電池303のアノード極403とを連通させる「生成ガス排出用流路」をその内部に備えている。そして、本実施形態において、生成ガス排出用流路は、図4を参照して、各燃料電池の燃料電池層(第1の燃料電池層310および第2の燃料電池層320のそれぞれ)が有するすべての単位電池303のアノード集電層405に形成された排出流路407から構成されている。排出流路407は、単位電池303の端部まで延びており、排出流路407が形成されている単位電池303の端部は、ガス集約部に接続されている。これにより、ガス集約部が有する空洞部と、各燃料電池の燃料電池層が有するすべての単位電池303のアノード極403とが連通される。なお、単位電池303はそれぞれ、ガス集約部と接続することができるよう、少なくとも一端が、隣接するスペーサ層から突き出るように配置される。また、単位電池303の、ガス集約部と接続される側とは反対側の端部においては、生成ガスが漏洩しないよう、排出流路407の末端は封止される。   Here, in the fuel cell stack 201 according to the present embodiment, the generated gas generated at the anode electrode 403 of all the unit cells 303 included in the fuel cell stack 201 can be guided to the gas collecting unit (not shown in FIG. 4). As in the first embodiment, for each “fuel cell” unit, the hollow portion of the gas concentrating unit and the anode electrode 403 of all the unit cells 303 of the fuel cell layer of each fuel cell are communicated. The “product gas discharge channel” is provided inside. In the present embodiment, referring to FIG. 4, the generated gas discharge flow path has a fuel cell layer (each of the first fuel cell layer 310 and the second fuel cell layer 320) of each fuel cell. The discharge channel 407 is formed in the anode current collecting layer 405 of all the unit cells 303. The discharge channel 407 extends to the end of the unit cell 303, and the end of the unit cell 303 in which the discharge channel 407 is formed is connected to the gas collecting unit. Thereby, the cavity part which a gas concentration part has, and the anode electrode 403 of all the unit cells 303 which the fuel cell layer of each fuel cell has are connected. Each unit cell 303 is arranged so that at least one end protrudes from the adjacent spacer layer so that it can be connected to the gas collecting part. Further, the end of the discharge channel 407 is sealed at the end of the unit battery 303 opposite to the side connected to the gas collecting portion so that the generated gas does not leak.

図5は、本実施形態の燃料電池スタックにおいて用いられるアノード集電層の一部を模式的に示す図であり、図5(a)は上面図(アノード極側表面を示す)、図5(b)は斜視図である。図5に示されるように、本実施形態におけるアノード集電層405は、単位電池のアノード極に燃料を供給するための燃料流路408と、燃料流路408とは別途に形成された、アノード極における反応により生じる生成ガスを排出するための生成ガス排出用流路としての排出流路407とを備える。燃料流路408の構造は、上記第1の実施形態と同様である。   FIG. 5 is a diagram schematically showing a part of the anode current collecting layer used in the fuel cell stack of the present embodiment. FIG. 5A is a top view (showing the anode electrode side surface) and FIG. b) is a perspective view. As shown in FIG. 5, the anode current collecting layer 405 in this embodiment includes a fuel channel 408 for supplying fuel to the anode electrode of the unit cell, and an anode formed separately from the fuel channel 408. And a discharge channel 407 as a product gas discharge channel for discharging the product gas generated by the reaction at the electrode. The structure of the fuel flow path 408 is the same as that of the first embodiment.

排出流路407は、燃料流路408と同様に、アノード極との接合面に形成されたアノード集電層405の長手方向に延びる(長辺と平行または略平行に延びる)1または2以上の溝から構成することができる。これにより、単位電池303において、排出流路407は、アノード極403と接することとなり、アノード極403で発生した生成ガスを排出流路407に排出可能となる。排出流路407の幅および断面積は、それぞれ、好ましくは0.1〜1mm、0.01〜1mm2である。アノード集電層405内において、排出流路407は、燃料流路408と平行または略平行に配置させることができる。 Similarly to the fuel flow path 408, the discharge flow path 407 extends in the longitudinal direction of the anode current collecting layer 405 formed on the joint surface with the anode electrode (extends in parallel or substantially parallel to the long side). It can consist of grooves. As a result, in the unit cell 303, the discharge flow path 407 comes into contact with the anode electrode 403, and the generated gas generated at the anode electrode 403 can be discharged to the discharge flow path 407. The width and cross-sectional area of the discharge channel 407 are preferably 0.1 to 1 mm and 0.01 to 1 mm 2 , respectively. In the anode current collecting layer 405, the discharge channel 407 can be arranged in parallel or substantially in parallel with the fuel channel 408.

上記したように、本実施形態において、各単位電池303は、その一方の端部において、排出流路407とガス集約部の空洞部とが連通されるよう、ガス集約部と接続される。したがって、排出流路407は、アノード集電層405におけるガス集約部と接続される側の端部まで延び、一方、その反対側の端部においては、生成ガスが漏洩しないよう、排出流路の末端は封止される。同様に、燃料流路408は、燃料が収容された燃料タンク等に接続できるよう、アノード集電層の一方の端部まで延び、他方の端部において、燃料漏れが生じないよう封止される。ここで、図5に示されるように、アノード集電層のガス集約部に接続される側の端部(排出流路が端面まで形成されている側の端部)と、燃料が収容された燃料タンク等に接続される側の端部(燃料流路が端面まで形成されている側の端部)とは異なることが好ましい。このような構成にすることによって、排出流路407とガス集約部とを接続する際に、燃料流路408から燃料がガス集約部内に漏洩することを抑止することが可能となる。   As described above, in the present embodiment, each unit cell 303 is connected to the gas collecting portion so that the discharge flow path 407 and the hollow portion of the gas collecting portion communicate with each other at one end thereof. Therefore, the discharge channel 407 extends to the end of the anode current collecting layer 405 that is connected to the gas concentrating portion, and at the opposite end, the discharge channel of the discharge channel is prevented from leaking. The ends are sealed. Similarly, the fuel flow path 408 extends to one end of the anode current collecting layer so that it can be connected to a fuel tank or the like containing fuel, and is sealed so that fuel leakage does not occur at the other end. . Here, as shown in FIG. 5, the end (the end on the side where the discharge flow path is formed to the end face) connected to the gas collecting part of the anode current collecting layer and the fuel are accommodated. It is preferably different from the end portion on the side connected to the fuel tank or the like (the end portion on the side where the fuel flow path is formed up to the end face). With such a configuration, it is possible to prevent the fuel from leaking from the fuel flow path 408 into the gas concentration section when the discharge flow path 407 and the gas concentration section are connected.

燃料供給方法としては、燃料流路408が液体燃料で充填される方法であれば特に限定はなく、ポンプで送液する方法や、カートリッジ内の加圧された液体の圧力を利用して送液する方法、燃料流路内の毛管力で送液する方法などが挙げられる。   The fuel supply method is not particularly limited as long as the fuel flow path 408 is filled with liquid fuel, and a method of feeding with a pump or a method of feeding using the pressure of the pressurized liquid in the cartridge. And a method of feeding liquid by capillary force in the fuel flow path.

本実施形態において、単位電池303は、上記第1の実施形態と同様、アノード極403とアノード集電層405との間に、燃料流路408のアノード極403側の面を覆うようにして形成された燃料透過層410を備えている(図4参照)。燃料流路408に供給された液体燃料は、燃料透過層410を透過し、アノード極403で消費される。アノード極403で生成した二酸化炭素等の生成ガスは気泡となり、大きくなったところで排出流路407から排出される。排出流路407から排出された生成ガスは、ガス集約部にて集約され、ガス集約部が有する開口部または生成ガス誘導路のガス排出口から、燃料電池システムの外部へ排出される。   In this embodiment, the unit cell 303 is formed between the anode electrode 403 and the anode current collecting layer 405 so as to cover the surface on the anode electrode 403 side of the fuel flow path 408, as in the first embodiment. The fuel permeation layer 410 is provided (see FIG. 4). The liquid fuel supplied to the fuel flow path 408 passes through the fuel permeable layer 410 and is consumed at the anode electrode 403. Generated gas such as carbon dioxide generated at the anode electrode 403 becomes bubbles and is discharged from the discharge flow path 407 when it becomes larger. The generated gas discharged from the discharge flow path 407 is collected by the gas collecting unit, and discharged from the opening of the gas collecting unit or the gas discharge port of the generated gas guiding path to the outside of the fuel cell system.

また、図4に示されるように、排出流路407内に、気液分離層409を設けることも好ましい。気液分離層409を設けることにより、燃料が排出流路407に漏洩することを防止できる。気液分離層409は、水、メタノール水溶液等の液体に対して不透過性であり、気体に対して透過性であって気液分離能を有する多孔質性材料からなる。また、気液分離層409を構成する材料は、アノード極403からアノード集電層405へ効率良く電子伝導を行なうという観点から、導電性を有していることが好ましい。気液分離層409に用いる材料としては、気液分離能を有する材料と、導電性を有する材料との混合物を用いることができる。このような混合材料としては、PTFE(Polytetrafluoroethylene)、PVDF(Polyvinylidenfluolide)等のフッ素系高分子と、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、アモルファスカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどとの混合物を挙げることができる。   As shown in FIG. 4, it is also preferable to provide a gas-liquid separation layer 409 in the discharge flow path 407. By providing the gas-liquid separation layer 409, it is possible to prevent the fuel from leaking into the discharge channel 407. The gas-liquid separation layer 409 is made of a porous material that is impermeable to liquids such as water and aqueous methanol solution, is permeable to gas, and has gas-liquid separation ability. The material constituting the gas-liquid separation layer 409 preferably has conductivity from the viewpoint of efficiently conducting electrons from the anode electrode 403 to the anode current collecting layer 405. As a material used for the gas-liquid separation layer 409, a mixture of a material having gas-liquid separation ability and a material having conductivity can be used. Examples of such a mixed material include a mixture of a fluorine-based polymer such as PTFE (Polytetrafluorethylene) or PVDF (Polyvinylidenefluoride) and acetylene black, ketjen black, amorphous carbon, carbon nanotube, carbon nanohorn, or the like.

気液分離層を排出流路内に設ける場合において、気液分離層は、排出流路の深さ方向(アノード集電層の厚み方向)全体にわたって充填されてもよいが、少なくとも、アノード極に接するように形成されていればよい。また、気液分離層は、排出流路407の開口を塞ぐように、アノード集電層405表面に形成してもよい。気液分離層を設けることによって、排出流路407への燃料の浸入による生成ガスの外部への排出不良を防ぐことができ、安定した燃料電池スタックの出力特性を得ることができる。また、燃料が排出流路407を通り、燃料電池スタック外部へ漏洩することも防げるため、燃料電池スタックの信頼性も向上させることができる。   In the case where the gas-liquid separation layer is provided in the discharge flow path, the gas-liquid separation layer may be filled over the entire depth direction of the discharge flow path (the thickness direction of the anode current collecting layer). What is necessary is just to be formed so that it may touch. Further, the gas-liquid separation layer may be formed on the surface of the anode current collecting layer 405 so as to block the opening of the discharge channel 407. By providing the gas-liquid separation layer, defective discharge of the generated gas to the outside due to the penetration of fuel into the discharge flow path 407 can be prevented, and stable output characteristics of the fuel cell stack can be obtained. In addition, since the fuel can be prevented from leaking out of the fuel cell stack through the discharge channel 407, the reliability of the fuel cell stack can be improved.

なお、本実施形態においても、1つのガス集約部が燃料電池スタックが備えるすべての単位電池に接続されている必要はない。たとえば、燃料電池スタックを構成する燃料電池ごとに、ガス集約部を設けるようにしてもよい。この場合、典型的には、1つの燃料電池が有するすべての単位電池に1つのガス集約部が接続され、燃料電池スタックに含まれる燃料電池の数と同じ数のガス集約部が設けられる。また、本実施形態においては、燃料電池スタックは、少なくとも1つの燃料電池の単位を有しており、燃料電池スタックが有する少なくとも1つの燃料電池層が有するすべての単位電池の端部にガス集約部が接続されていればよい。   Also in this embodiment, it is not necessary for one gas concentrating unit to be connected to all unit cells included in the fuel cell stack. For example, you may make it provide a gas concentration part for every fuel cell which comprises a fuel cell stack. In this case, typically, one gas concentration unit is connected to all unit cells of one fuel cell, and the same number of gas concentration units as the number of fuel cells included in the fuel cell stack are provided. Further, in the present embodiment, the fuel cell stack has at least one unit of fuel cell, and the gas concentrating unit is provided at the end of all unit cells of at least one fuel cell layer included in the fuel cell stack. Need only be connected.

本実施形態の燃料電池システムにおけるその他の構成および燃料電池システムの変形例については、上記第1の実施形態と同様とすることができる。   Other configurations in the fuel cell system of the present embodiment and modifications of the fuel cell system can be the same as those in the first embodiment.

また、本実施形態の好ましい変形例として、燃料電池スタックがスペーサを有しない構成を挙げることができる。この場合、燃料電池スタックは、2以上の単位電池を、同一平面上に、好ましくは隙間を設けて配置してなる燃料電池層を1以上含む。燃料電池スタックが2以上の燃料電池層を備える場合、これらの燃料電池層は、一の燃料電池層を構成する単位電池のアノード極が、これに隣接する燃料電池層を構成する単位電池のカソード極と対向するように、好ましくは燃料電池層間に空間が形成されるように積層される。たとえば、ガス集約部である中空体の側面に、燃料電池層を構成する各単位電池の一端を差し込むための穴を、燃料電池スタックを構成する単位電池の数と同じ数だけ設けておき、当該穴に単位電池を差し込み、接続部分の外周をシール材で封止することで、各燃料電池層の間に空間が形成された、スペーサを有しない燃料電池システムを構築することができる。この場合、一の燃料電池層とこれに隣接する燃料電池層とは、たとえば、外部配線を介して電気的に直列接続される。単位電池の形状は、上記第1および第2の実施形態と同様とすることができる。上記のような燃料電池スタックを用いる場合、単位電池の内部構造は、図4に示したものと同様とすることができる。   Further, as a preferred modification of the present embodiment, a configuration in which the fuel cell stack does not have a spacer can be given. In this case, the fuel cell stack includes one or more fuel cell layers in which two or more unit cells are arranged on the same plane, preferably with a gap. When the fuel cell stack includes two or more fuel cell layers, these fuel cell layers include the anode of the unit cell constituting one fuel cell layer, and the cathode of the unit cell constituting the fuel cell layer adjacent thereto. It is laminated so that a space is preferably formed between the fuel cell layers so as to face the electrodes. For example, a hole for inserting one end of each unit cell constituting the fuel cell layer is provided in the side surface of the hollow body that is a gas collecting part, as many as the number of unit cells constituting the fuel cell stack, By inserting the unit cell into the hole and sealing the outer periphery of the connecting portion with a sealing material, it is possible to construct a fuel cell system having no spacer and having a space between the fuel cell layers. In this case, one fuel cell layer and the fuel cell layer adjacent thereto are electrically connected in series via an external wiring, for example. The shape of the unit battery can be the same as in the first and second embodiments. When the fuel cell stack as described above is used, the internal structure of the unit cell can be the same as that shown in FIG.

<<第3の実施形態>>
図6は、本発明の燃料電池システムを備える電子機器の好ましい一例(携帯用途のノート型パーソナルコンピュータ)を模式的に示す斜視図である。図6に示される電子機器(ノート型パーソナルコンピュータ)600は、本発明に係る燃料電池システムまたは燃料電池スタックを搭載するための部位(空洞部からなる電池収容室)を有しており、当該部位に燃料電池システムまたは燃料電池スタック601を搭載可能となっている。搭載する燃料電池システム、燃料電池スタックは、それぞれ、たとえば図1、図2に記載のものを用いることができる。ただし、後述するように、電子機器に生成ガス誘導路が設けられる場合には、搭載される燃料電池システムは、生成ガス誘導路を有していなくてもよい。本発明の燃料電池システムを構成するガス集約部は、典型的には、搭載される燃料電池スタックにあらかじめ接合されており、かかる燃料電池システムを上記部位に組み込むことにより、燃料電池システムを備える電子機器が構築される。ただし、ガス集約部を電子機器に設けておき、上記部位に燃料電池スタックを組み込むことにより、電気機器内に燃料電池システムを構築してもよい。
<< Third Embodiment >>
FIG. 6 is a perspective view schematically showing a preferred example (a notebook personal computer for portable use) of an electronic apparatus including the fuel cell system of the present invention. An electronic apparatus (notebook type personal computer) 600 shown in FIG. 6 has a portion (a battery accommodating chamber formed of a hollow portion) for mounting the fuel cell system or the fuel cell stack according to the present invention. In addition, a fuel cell system or a fuel cell stack 601 can be mounted. As the fuel cell system and the fuel cell stack to be mounted, for example, those shown in FIGS. 1 and 2 can be used, respectively. However, as will be described later, when the generated gas induction path is provided in the electronic device, the fuel cell system to be mounted may not have the generated gas induction path. The gas concentrating portion constituting the fuel cell system of the present invention is typically joined in advance to a fuel cell stack to be mounted, and an electronic device equipped with the fuel cell system by incorporating such a fuel cell system into the above-described portion. Equipment is built. However, a fuel cell system may be built in an electric device by providing a gas collecting part in the electronic device and incorporating the fuel cell stack in the above-mentioned part.

図6に示されるように、電子機器600は、好ましくは、搭載される燃料電池システムが備えるガス集約部の開口部に接続される生成ガス誘導路605を備える。生成ガス誘導路605は、たとえば、電子機器600を構成するいずれかの構成部材(図6に示される例においては、ディスプレイ602が設けられている部材)の内部に空洞部を形成することにより形成することができる。生成ガス誘導路605の燃料電池システムまたは燃料電池スタック601を搭載するための部位側の開口は、燃料電池システムを当該部位に搭載する場合においては、当該開口と、ガス集約部の開口部とが接続可能な位置に配置される。電子機器600に搭載された燃料電池システムまたは燃料電池スタック601から排出された二酸化炭素等の生成ガスは、生成ガス誘導路605を通り、ガス排出口606から電子機器600の外部へ排出される。これにより、燃料電池スタックの各単位電池のアノード極で発生した生成ガスを、カソード極の空気と混合されることなく、電子機器600の外部に排出することができるため、カソード極での酸素分圧の低下による出力低下を防止することが可能となる。また、分離された二酸化炭素に含有される、メタノール水蒸気がカソード極側へ流入することで生じる内部電流による出力低下も防止することが可能となる。   As shown in FIG. 6, the electronic device 600 preferably includes a generated gas guide path 605 connected to an opening of a gas collecting unit included in a fuel cell system to be mounted. The generated gas guiding path 605 is formed, for example, by forming a hollow portion inside one of the constituent members constituting the electronic apparatus 600 (in the example shown in FIG. 6, the member provided with the display 602). can do. The part-side opening for mounting the fuel cell system or the fuel cell stack 601 of the generated gas guiding path 605 includes the opening and the opening part of the gas collecting part when the fuel cell system is mounted in the part. It is placed in a connectable position. A generated gas such as carbon dioxide discharged from the fuel cell system or the fuel cell stack 601 mounted on the electronic device 600 passes through the generated gas guiding path 605 and is discharged from the gas discharge port 606 to the outside of the electronic device 600. Thus, the generated gas generated at the anode electrode of each unit cell of the fuel cell stack can be discharged outside the electronic device 600 without being mixed with the air at the cathode electrode. It is possible to prevent a decrease in output due to a decrease in pressure. In addition, it is possible to prevent a decrease in output due to an internal current that occurs when methanol water vapor contained in the separated carbon dioxide flows into the cathode.

このように、本発明の燃料電池システムを電子機器に搭載する場合、あるいは燃料電池スタックを電子機器に搭載し、本発明の燃料電池システムを備える電子機器を構築する場合においては、本発明の電子機器は、燃料電池システムまたは燃料電池スタックを収容する電池収容室を備えるものとすることが好ましく、電池収容室を構成する面には、電池収容室の内部と電子機器外部とを連通する開口が設けられていることが好ましい。電池収容室の好ましい例を具体的に示すと、電池収容室は、電子機器を構成するいずれかの構成部材の内部に、電池収容室の少なくとも一面が電子機器外部に面するように形成されており、この電子機器外部に面する面に上記開口が形成されているか、または当該面が壁面を有していない。より好ましくは、電池収容室は、空気供給効率向上の観点から、複数の上記開口を有するか、および/または壁面を有しない側面を2以上有している(後者については図6を参照)。このような壁面を有しない側面は、燃料電池システムまたは燃料電池スタックを搭載するための入り口として使用することができるため、壁面を有しない側面を少なくとも1つ有することが好ましい。搭載された燃料電池システムまたは燃料電池スタックが使用者の手に触れないよう、壁面を有しない側面には、たとえば、スリット状または格子状のカバーを設けることが好ましい。以上のように、電子機器が電池収容室を備える場合、ガス集約部は、燃料電池スタックが有する外面のうち、上記燃料電池システムまたは燃料電池スタックを搭載するための電池収容室が有する側面であって、燃料電池スタックに空気を供給するための上記開口が開いている側面または壁面を有しない側面以外の側面側に位置することとなる外面に隣接して設置されることが好ましい。図6に示される燃料電池システムを備える電子機器においては、横2面(図6に示される2つの空気供給面)において、上記燃料電池システムまたは燃料電池スタックを搭載するための部位に空気供給用の開口が設けられており、ガス集約部は、この2つの空気供給面側に位置しない燃料電池スタックの外面に隣接して設けられている。これにより、外部からの空気供給の経路を阻害することなく、ガス集約部を設置することが可能となる。   Thus, when the fuel cell system of the present invention is mounted on an electronic device, or when the fuel cell stack is mounted on an electronic device and an electronic device including the fuel cell system of the present invention is constructed, the electronic device of the present invention is used. The device preferably includes a battery storage chamber that stores the fuel cell system or the fuel cell stack, and an opening that communicates the inside of the battery storage chamber with the outside of the electronic device is formed on the surface that forms the battery storage chamber. It is preferable to be provided. More specifically, a preferable example of the battery housing chamber is formed such that at least one surface of the battery housing chamber faces the outside of the electronic device inside any of the constituent members constituting the electronic device. And the said opening is formed in the surface which faces this electronic device exterior, or the said surface does not have a wall surface. More preferably, from the viewpoint of improving air supply efficiency, the battery housing chamber has a plurality of the above-described openings and / or two or more side surfaces not having a wall surface (refer to FIG. 6 for the latter). Such a side surface having no wall surface can be used as an entrance for mounting the fuel cell system or the fuel cell stack, and therefore it is preferable to have at least one side surface having no wall surface. For example, a slit-like or lattice-like cover is preferably provided on the side surface having no wall surface so that the mounted fuel cell system or fuel cell stack does not touch the user's hand. As described above, when the electronic device includes a battery housing chamber, the gas concentration part is a side surface of the battery housing chamber for mounting the fuel cell system or the fuel cell stack among the outer surfaces of the fuel cell stack. Thus, it is preferable to install the fuel cell stack adjacent to an outer surface which is located on a side surface other than the side surface having the opening or the side surface having no wall surface. In the electronic device including the fuel cell system shown in FIG. 6, air supply is performed on a portion for mounting the fuel cell system or the fuel cell stack on two lateral surfaces (two air supply surfaces shown in FIG. 6). The gas concentrating portion is provided adjacent to the outer surface of the fuel cell stack that is not located on the two air supply surface sides. Thereby, it becomes possible to install a gas concentration part, without inhibiting the route of the air supply from the outside.

生成ガス誘導路605の電子機器における位置および生成ガス誘導路605の末端に位置するガス排出口606の電子機器における位置は特に制限されず、電子機器の種類等に応じて所望される位置とすることができるが、たとえばガス排出口は、電子機器において概して、次のような位置に配置することが好ましい。
(i)ガス排出口は、燃料電池システムまたは燃料電池スタックを搭載するための部位の側面に形成された、燃料電池スタックに空気を供給するための開口(空気供給面)からできるだけ離れた位置に設けることが好ましい。これにより、カソード極に供給される空気中にアノード極からの生成ガスが混合することによる出力低下を抑制することが可能となる。
(ii)ガス排出口は、電子機器の外縁に配置されることが好ましい。これにより、ガス排出口に上記したフィルタが設けられる場合、フィルタの交換が容易となる。
(iii)ガス排出口は、電子機器の使用者が、その使用時において、不快を感じない場所に配置することが好ましい。たとえば、電子機器のディスプレイなど、使用する電子機器において使用者が向かい合う面の裏側にガス排出口を設けることが好ましい。
(iv)ガス排出口は、電子機器の使用時において、燃料電池スタックよりも上部となるような位置に配置することが好ましい。これにより、アノード極からの温かい生成ガスが生成ガス誘導路で冷やされ、その内壁面で結露した場合においても、液滴は内壁面を伝って下部へ導かれるため、電子機器の使用状態において、電子機器外部に液滴が漏れることを防止することが可能となる。
The position of the generated gas guiding path 605 in the electronic device and the position of the gas outlet 606 located at the end of the generated gas guiding path 605 in the electronic apparatus are not particularly limited, and are set to a desired position according to the type of the electronic apparatus. For example, the gas discharge port is preferably arranged at the following position in the electronic apparatus.
(I) The gas discharge port is located as far as possible from an opening (air supply surface) for supplying air to the fuel cell stack, which is formed on the side surface of the portion for mounting the fuel cell system or fuel cell stack. It is preferable to provide it. As a result, it is possible to suppress a decrease in output due to mixing of the product gas from the anode electrode in the air supplied to the cathode electrode.
(Ii) It is preferable that the gas discharge port is disposed at the outer edge of the electronic device. Accordingly, when the above-described filter is provided at the gas discharge port, the filter can be easily replaced.
(Iii) It is preferable that the gas outlet is arranged in a place where the user of the electronic device does not feel uncomfortable during the use. For example, it is preferable to provide a gas discharge port on the back side of the surface facing the user in the electronic device to be used, such as a display of the electronic device.
(Iv) It is preferable to arrange the gas discharge port at a position above the fuel cell stack when the electronic device is used. As a result, even when the warm product gas from the anode electrode is cooled by the product gas guide path and condensed on the inner wall surface, the liquid droplets are guided to the lower part along the inner wall surface. It is possible to prevent liquid droplets from leaking outside the electronic apparatus.

図7は、本発明の燃料電池システムを備える電子機器の好ましい別の一例(携帯電話機)を模式的に示す斜視図であり、図7(a)は側面図、図7(b)は背面図である。図7に示される電子機器(携帯電話機)700は、本発明に係る燃料電池システムまたは燃料電池スタックを搭載するための部位を有しており、当該部位に燃料電池システムまたは燃料電池スタック701を搭載可能となっている。また、図6に示される電子機器600と同様に、電子機器に生成ガス誘導路705が設けられており、その末端がガス排出口706となっている。   FIG. 7 is a perspective view schematically showing another preferred example (cellular phone) of an electronic device provided with the fuel cell system of the present invention, FIG. 7 (a) is a side view, and FIG. 7 (b) is a rear view. It is. An electronic apparatus (mobile phone) 700 shown in FIG. 7 has a portion for mounting the fuel cell system or fuel cell stack according to the present invention, and the fuel cell system or fuel cell stack 701 is mounted on the portion. It is possible. Similarly to the electronic device 600 shown in FIG. 6, a generated gas guide path 705 is provided in the electronic device, and the end thereof is a gas discharge port 706.

図8は、図7に示される電子機器700が備える燃料電池システム701a(生成ガス誘導路705を含む)を模式的に示す図であり、図8(a)は背面図(図7(b)と同じ方向から見た図)、図8(b)は側面図(図7(a)と同じ方向から見た図)である。図8に示されるように、燃料電池システム701aを構成する燃料電池スタック701bは、上記第1の実施形態と同様、長辺と短辺を有する複数の短冊状の単位電池803を、同一平面上に、各単位電池803の間に隙間が形成されるように配置してなる燃料電池層と、長辺と短辺を有する複数の短冊状のスペーサ807を、同一平面上に、各スペーサ807の間に隙間が形成されるように配置してなるスペーサ層と、を交互に積層してなり、スペーサ807には、アノード集電層の貫通孔と連通する排出流路907が形成されている。また、燃料電池システム701aは、各スペーサ807に接続されたガス集約部802を備えており、ガス集約部802とスペーサ807の排出流路907とは連通している。また、ガス集約部802の空洞部と連通する開口部に、生成ガス誘導路705が接続されている。   FIG. 8 is a diagram schematically showing a fuel cell system 701a (including a product gas guiding path 705) provided in the electronic device 700 shown in FIG. 7, and FIG. 8 (a) is a rear view (FIG. 7 (b)). FIG. 8B is a side view (viewed from the same direction as FIG. 7A). As shown in FIG. 8, the fuel cell stack 701b constituting the fuel cell system 701a includes a plurality of strip-shaped unit cells 803 having a long side and a short side on the same plane as in the first embodiment. In addition, a fuel cell layer arranged so that a gap is formed between the unit cells 803 and a plurality of strip-shaped spacers 807 having a long side and a short side are arranged on the same plane. The spacer layers arranged so as to form a gap therebetween are alternately stacked, and the spacer 807 has a discharge channel 907 communicating with the through hole of the anode current collecting layer. In addition, the fuel cell system 701a includes a gas collecting portion 802 connected to each spacer 807, and the gas collecting portion 802 and the discharge flow path 907 of the spacer 807 are in communication. In addition, a generated gas guiding path 705 is connected to an opening communicating with the hollow portion of the gas collecting portion 802.

燃料電池システムを備える電子機器700において、単位電池803のアノード極で発生した生成ガスは、スペーサ807に形成された排出流路907を通ってガス集約部802に集約され、ガス排出口706から電子機器の外部へ排出される。   In the electronic device 700 including the fuel cell system, the generated gas generated at the anode electrode of the unit cell 803 is collected in the gas collecting unit 802 through the discharge flow path 907 formed in the spacer 807, and the electrons are discharged from the gas discharge port 706. It is discharged outside the equipment.

図7に示される電子機器700においては、横3面と下部1面の計4面が空気供給面となっており(図8(a)参照)、ガス集約部802は、燃料電池スタック701bの上部面側(空気供給面とならない面側)に設けられている。これにより、外部からの空気供給の経路を阻害することなく、ガス集約部を設置することが可能となる。   In the electronic device 700 shown in FIG. 7, a total of four surfaces including three horizontal surfaces and one lower surface are air supply surfaces (see FIG. 8A), and the gas concentrating unit 802 includes the fuel cell stack 701b. It is provided on the upper surface side (the surface side that does not become the air supply surface). Thereby, it becomes possible to install a gas concentration part, without inhibiting the route of the air supply from the outside.

図7に示される電子機器700においても、ガス排出口706は、電子機器700における上記好ましい位置に配置されることが好ましい。より好ましくは、ガス排出口706は、電子機器の一番上部でかつ前面に備えられたディスプレイの裏側(図7(b)が示す面)に備えられる。これにより、使用者が電子機器を使用する場合において、手で持つ際にガス排出口が塞がることを防止することができ、かつ使用者が不快を感じない場所から排出することが可能となる。   Also in the electronic device 700 shown in FIG. 7, the gas discharge port 706 is preferably arranged at the above-described preferable position in the electronic device 700. More preferably, the gas discharge port 706 is provided on the back side (the surface shown in FIG. 7B) of the display provided at the uppermost part and the front surface of the electronic device. Accordingly, when the user uses the electronic device, the gas discharge port can be prevented from being blocked when the user holds the electronic device, and the user can discharge from a place where the user does not feel uncomfortable.

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these.

<実施例1>
以下の手順で燃料電池システムを作製した。
<Example 1>
A fuel cell system was produced according to the following procedure.

(1)膜電極複合体の作製
まず、電解質膜として、幅25mm×長さ25mm、厚さが約175μmのNafion(登録商標)117(デュポン社製)を用意した。次に、Pt担持量が32.5質量%で、Ru担持量が16.9質量%のPt粒子とRu粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子(田中貴金属社製TEC66E50)と、20質量%のNafion(登録商標)を含むアルコール溶液(アルドリッチ社製)と、イソプロパノールと、アルミナボールと、を質量比で0.5:1.5:1.6:100の割合でテフロン容器に入れ、攪拌脱機を用いて500rpmで50分間の混合を行なうことにより、アノード触媒ペーストを作製した。
(1) Production of membrane electrode composite First, Nafion (registered trademark) 117 (manufactured by DuPont) having a width of 25 mm x a length of 25 mm and a thickness of about 175 µm was prepared as an electrolyte membrane. Next, catalyst-carrying carbon particles (TEC 66E50 manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) composed of Pt particles, Ru particles and carbon particles having a Pt-carrying amount of 32.5% by mass and a Ru-carrying amount of 16.9% by mass, Alcohol solution (manufactured by Aldrich) containing 1% Nafion (registered trademark), isopropanol, and alumina balls are placed in a Teflon container at a mass ratio of 0.5: 1.5: 1.6: 100, An anode catalyst paste was prepared by mixing for 50 minutes at 500 rpm using a stirrer.

また、Pt担持量が46.8質量%のPt粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子(田中貴金属社製TEC10E50E)を用いたこと以外はアノード触媒ペーストと同様にしてカソード触媒ペーストを作製した。   A cathode catalyst paste was prepared in the same manner as the anode catalyst paste, except that catalyst-supported carbon particles (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) composed of Pt particles and carbon particles having a Pt support amount of 46.8% by mass were used. .

続いて、アノード極の基材(アノード多孔質基材)として、外形が23mm×23mmで、片面にフッ素系の樹脂と炭素粒子からなる層で撥水処理されたカーボンペーパー(SGLカーボン社製:25BC)を用い、カーボンペーパーの撥水処理が施されている面に、上記アノード触媒ペーストを触媒担持量が2mg/cm2となるように、幅23mm×長さ23mmの正方形状の開口部を有するスクリーン印刷版を用いて、カーボンペーパーのマイクロポーラスレイヤーが形成されている面の全面にスクリーン印刷した。その後、スクリーン印刷されたアノード触媒ペーストを室温にて乾燥させて、約50μmの厚さの触媒層を有するアノード極を作製した。また、アノード極と同様にして、カーボンペーパー(SGLカーボン社製:25BC)に上記カソード触媒ペーストをスクリーン印刷し、約50μmの厚さの触媒層を有するカソード極を形成した。 Subsequently, as an anode electrode substrate (anode porous substrate), carbon paper (made by SGL Carbon Co., Ltd.) having an outer shape of 23 mm × 23 mm and water-repellent treatment with a layer made of a fluorine-based resin and carbon particles on one side: 25BC), a square-shaped opening having a width of 23 mm and a length of 23 mm is formed on the surface of the carbon paper that has been subjected to the water-repellent treatment so that the amount of the catalyst supported on the anode catalyst paste is 2 mg / cm 2. Screen printing was performed on the entire surface of the carbon paper on which the microporous layer was formed. Thereafter, the screen-printed anode catalyst paste was dried at room temperature to produce an anode electrode having a catalyst layer with a thickness of about 50 μm. Further, in the same manner as the anode electrode, the cathode catalyst paste was screen-printed on carbon paper (SBC Carbon: 25BC) to form a cathode electrode having a catalyst layer with a thickness of about 50 μm.

ついで、上記の電解質膜を用い、電解質膜を挟んで、電解質膜の中心でアノード極とカソード極が重なり、アノード触媒層とカソード触媒層が電解質膜と接するようにして、下からアノード極、電解質膜、カソード極の順に積層した。50mm×50mmの正方形型の貫通穴を有する100mm×100mm、厚さ0.30mmの額縁状のテフロンスペーサ(テフロン(登録商標))の該貫通穴に、この積層体を設置した。これらを100mm×100mm、厚み3mmのステンレス板で挟んだ後、ステンレス板の厚み方向に130℃、5kgf/cm2で2分間熱圧着し、アノード極と電解質膜とカソード極とが一体化された膜電極複合体を作製した。作製した膜電極複合体を、外形2mm×25mm、電極部2mm×23mmとなるようにトリミングナイフで切断して、短冊状の膜電極複合体を作製した。 Next, using the above electrolyte membrane, sandwiching the electrolyte membrane, the anode electrode and the cathode electrode overlap each other at the center of the electrolyte membrane, and the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer are in contact with the electrolyte membrane. The film and the cathode were stacked in this order. This laminated body was placed in the through hole of a frame-shaped Teflon spacer (Teflon (registered trademark)) having a square-shaped through hole of 50 mm × 50 mm and having a thickness of 100 mm × 100 mm and a thickness of 0.30 mm. These were sandwiched between stainless plates having a size of 100 mm × 100 mm and a thickness of 3 mm, and then thermocompression bonded at 130 ° C. and 5 kgf / cm 2 for 2 minutes in the thickness direction of the stainless plate to integrate the anode electrode, the electrolyte membrane, and the cathode electrode. A membrane electrode composite was prepared. The produced membrane electrode assembly was cut with a trimming knife so as to have an outer shape of 2 mm × 25 mm and an electrode portion of 2 mm × 23 mm, thereby producing a strip-shaped membrane electrode assembly.

(2)アノード集電層の作製
図9に示されるアノード集電層905を次のようにして作製した。幅2mm、長さ25mm、厚さ300μmの耐硫酸性ステンレスSUS316L製平板に、エッチング加工により、直径300μmの貫通孔906を、長辺方向に3000μmピッチで、長辺と平行になるように空けることにより、当該平板の長辺と平行に延びる2列の貫通孔の列を形成した。ステンレス平板の短辺より3000μmのところから貫通孔906を形成した。同時にエッチング加工により、200μmの深さで、幅が800μmの溝を掘り、燃料流路1007を形成した。貫通孔906の端と、溝のエッジ間の間隔を左右それぞれ150μmずつ設けた。
(2) Production of Anode Current Collection Layer Anode current collection layer 905 shown in FIG. 9 was produced as follows. A through-hole 906 having a diameter of 300 μm is formed on a flat plate made of sulfuric acid-resistant stainless steel SUS316L having a width of 2 mm, a length of 25 mm, and a thickness of 300 μm by etching so as to be parallel to the long side at a pitch of 3000 μm in the long side direction. Thus, two rows of through holes extending in parallel with the long side of the flat plate were formed. A through hole 906 was formed from 3000 μm from the short side of the stainless steel flat plate. At the same time, a groove having a depth of 200 μm and a width of 800 μm was dug by etching to form a fuel flow path 1007. The distance between the end of the through hole 906 and the edge of the groove was 150 μm on each of the left and right sides.

次に、厚さ45μmのレジスト樹脂からなるドライフィルムをアノード集電層905に全面ホットラミネートし、フォトレジストマスクを用いて、露光後、現像、350℃でキュアーすることにより燃料透過層910を形成した(図9参照)。燃料透過層910は、燃料流路1007の幅800μmに対し、950μmの幅を有しており、燃料流路1007の溝を塞ぐように形成した。この際、燃料透過層910が左右75μmずつ溝からはみ出るようにした。ついで、燃料透過層910の真ん中に、10μm幅の複数の開孔を600μmピッチで、長手方向に一列に設けた(図示せず)。   Next, a dry film made of a resist resin having a thickness of 45 μm is hot-laminated on the anode current collecting layer 905, exposed to light, developed using a photoresist mask, and cured at 350 ° C. to form a fuel permeable layer 910. (See FIG. 9). The fuel permeable layer 910 has a width of 950 μm with respect to the width of 800 μm of the fuel flow path 1007, and is formed so as to close the groove of the fuel flow path 1007. At this time, the fuel permeable layer 910 protruded from the groove by 75 μm on the left and right. Next, in the middle of the fuel permeable layer 910, a plurality of openings having a width of 10 μm were provided in a row in the longitudinal direction at a pitch of 600 μm (not shown).

(3)単位電池の作製
下からアノード集電層905、燃料透過層910、膜電極複合体(アノード極側が燃料透過層910側となるように積層)の順に積層した。50mm×50mmの正方形型の貫通穴を有する100mm×100mm、厚さ0.6mmの額縁状のテフロンスペーサ(テフロン(登録商標))の該貫通穴に、この積層体を設置した。これらを100mm×100mm、厚み3mmのステンレス板で挟んだ後、ステンレス板の厚み方向に130℃、5kgf/cm2で2分間熱圧着し、積層体を一体化し、単位電池を作製した。同様の方法により総数10個の単位電池を作製した。
(3) Production of unit cell From the bottom, the anode current collecting layer 905, the fuel permeable layer 910, and the membrane electrode composite (laminated so that the anode electrode side is on the fuel permeable layer 910 side) were laminated in this order. The laminated body was placed in the through hole of a frame-shaped Teflon spacer (Teflon (registered trademark)) having a square through hole of 50 mm × 50 mm and having a thickness of 100 mm × 100 mm and a thickness of 0.6 mm. These were sandwiched between 100 mm × 100 mm and 3 mm thick stainless steel plates, and then thermocompression bonded at 130 ° C. and 5 kgf / cm 2 for 2 minutes in the thickness direction of the stainless steel plates to integrate the laminates to produce unit cells. A total of 10 unit cells were produced by the same method.

(4)スペーサの作製
図10に示されるスペーサ1100を次のようにして作製した。外形1×20mm、厚み600μm、空隙率80%のチタン繊維焼結体(ベキニット社製)に、外形1×20mm、厚み100μmのチタン箔を外形が重なるように積層し、放電プラズマ焼結法によりチタン繊維焼結体とチタン箔を接合した。この接合体のチタン箔側に、深さ100μm、幅500μmの溝からなる排出流路1101を、接合体の中心に形成するとともに、接合体の総厚みが400μmとなるように、プレス成形してスペーサ1100を作製した。
(4) Production of Spacer A spacer 1100 shown in FIG. 10 was produced as follows. A titanium fiber sintered body having an outer shape of 1 × 20 mm, a thickness of 600 μm, and a porosity of 80% (manufactured by Bekinit Co.) is laminated with a titanium foil having an outer shape of 1 × 20 mm and a thickness of 100 μm so that the outer shapes overlap each other. The titanium fiber sintered body and the titanium foil were joined. On the titanium foil side of the joined body, a discharge channel 1101 composed of a groove having a depth of 100 μm and a width of 500 μm is formed at the center of the joined body, and press-molded so that the total thickness of the joined body is 400 μm. A spacer 1100 was produced.

(5)燃料電池単位の作製
単位電池の長辺を対向させ、対向する長辺同士の間に1mmの隙間を設けて、平面上に5個配置して第1の燃料電池層を作製した。次に、スペーサ1100の排出流路1101を形成している面であって、排出流路1101以外の部位に導電性ペースト(タムラ化研製:CARBOLLOID MRX―713J)をスクリーン印刷法により、塗布厚が30μm厚となるように塗布した。スペーサ1100を第1の燃料電池層の単位電池と直交させ、かつ、アノード集電層905の貫通孔906とスペーサ1100の排出流路1101面が重なるように2mmピッチで、計7本のスペーサ1100を、各スペーサの端が6mmずつ同じ方向にはみだすように配置して積層した。スペーサ1100と第1の燃料電池層が重ならない部分には、あらかじめ50μm厚のポリイミド粘着テープを積層しておくことで、ガス透過防止層を付与した。50mm×50mmの正方形型の貫通穴を有する100mm×100mm、厚さ1mmの額縁状のテフロンスペーサ(テフロン(登録商標))の該貫通穴に、この積層体を設置した。これらを100mm×100mm、厚み3mmのステンレス板で挟んだ後、ステンレス板の厚み方向に130℃、5kgf/cm2で30分間熱圧着し、積層体を一体化し、第1の燃料電池層と、7本のスペーサ1100からなるスペーサ層の積層体である燃料電池の単位を作製した。図11は、得られた燃料電池単位を概略的に示す上面図である。図11においては、アノード集電層905の貫通孔906と、スペーサ1100の排出流路1101との位置関係が明確に把握できるよう、第1の燃料電池層を構成する単位電池のアノード集電層を示している。
(5) Production of fuel cell unit The first fuel cell layer was produced by arranging five unit cells on a plane with the long sides of the unit cells facing each other, with a gap of 1 mm between the opposed long sides. Next, on the surface of the spacer 1100 where the discharge flow path 1101 is formed, a conductive paste (made by Tamra Kaken: CARBOLLOID MRX-713J) is applied to a portion other than the discharge flow path 1101 by screen printing. It apply | coated so that it might become a 30 micrometer thickness. The spacer 1100 is orthogonal to the unit cell of the first fuel cell layer, and a total of seven spacers 1100 are arranged at a pitch of 2 mm so that the through hole 906 of the anode current collecting layer 905 and the surface of the discharge channel 1101 of the spacer 1100 overlap. Were stacked so that the end of each spacer would protrude 6 mm in the same direction. A gas permeation preventive layer was applied to a portion where the spacer 1100 and the first fuel cell layer did not overlap by previously laminating a polyimide adhesive tape having a thickness of 50 μm. The laminate was placed in the through hole of a frame-shaped Teflon spacer (Teflon (registered trademark)) having a square-shaped through hole of 50 mm × 50 mm and a thickness of 1 mm. These were sandwiched between 100 mm × 100 mm and 3 mm thick stainless steel plates, and then thermocompression bonded at 130 ° C. and 5 kgf / cm 2 in the thickness direction of the stainless steel plates for 30 minutes to integrate the laminate, and the first fuel cell layer, A unit of a fuel cell that is a laminate of spacer layers composed of seven spacers 1100 was produced. FIG. 11 is a top view schematically showing the obtained fuel cell unit. In FIG. 11, the anode current collecting layer of the unit cell constituting the first fuel cell layer can be clearly grasped so that the positional relationship between the through hole 906 of the anode current collecting layer 905 and the discharge flow path 1101 of the spacer 1100 can be clearly understood. Is shown.

(6)燃料電池スタックの作製
第1の燃料電池層と同様にして、上記単位電池を用いて第2の燃料電池層を作製した。次に、上記の第1の燃料電池層とスペーサ層との積層体からなる燃料電池のスペーサ表面(第1の燃料電池層が積層されている側とは反対側の表面)に、導電性ペースト(タムラ化研製:CARBOLLOID MRX―713J)をスクリーン印刷法により、塗布厚が30μm厚となるように塗布した。次に、上記燃料電池単位のスペーサ層を介して、第1の燃料電池層の単位電池と第2の燃料電池層の単位電池とが同じ位置に重なり、第2の燃料電池層を構成する単位電池のカソード極とスペーサ1100とが対向するようにして、当該燃料電池単位に第2の燃料電池層を積層した。50mm×50mmの正方形型の貫通穴を有する100mm×100mm、厚さ1.5mmの額縁状のテフロンスペーサ(テフロン(登録商標))の該貫通穴に、この積層体を設置した。これらを100mm×100mm、厚み3mmのステンレス板で挟んだ後、ステンレス板の厚み方向に130℃、5kgf/cm2で30分間熱圧着し、積層体を一体化し、上から第1の燃料電池層、スペーサ1100からなるスペーサ層、第2の燃料電池層を順に積層した積層体を作製した。
(6) Production of Fuel Cell Stack A second fuel cell layer was produced using the unit cell in the same manner as the first fuel cell layer. Next, a conductive paste is formed on the spacer surface (surface opposite to the side on which the first fuel cell layer is laminated) of the fuel cell comprising the laminate of the first fuel cell layer and the spacer layer. (Tamura Kaken Co., Ltd .: CARBOLLOID MRX-713J) was applied by screen printing so that the coating thickness was 30 μm. Next, the unit cell of the first fuel cell layer and the unit cell of the second fuel cell layer are overlapped at the same position via the spacer layer of the fuel cell unit, and the unit constituting the second fuel cell layer The second fuel cell layer was laminated on the unit of the fuel cell so that the cathode of the cell and the spacer 1100 face each other. The laminate was placed in the through hole of a frame-shaped Teflon spacer (Teflon (registered trademark)) having a square through hole of 50 mm × 50 mm and having a thickness of 100 mm × 100 mm and a thickness of 1.5 mm. These were sandwiched between 100 mm × 100 mm and 3 mm thick stainless steel plates, and then thermocompression bonded at 130 ° C. and 5 kgf / cm 2 for 30 minutes in the thickness direction of the stainless steel plates to integrate the laminate, and the first fuel cell layer from above Then, a laminated body in which a spacer layer composed of the spacer 1100 and a second fuel cell layer were laminated in order was produced.

続いて、上記燃料電池単位の作製方法と同様にして、第2の燃料電池層のアノード集電層に7本のスペーサ1100を積層し一体化し、燃料電池層とスペーサ層とを、それぞれ2層ずつ交互に積層してなる燃料電池スタックを作製した。なお、一体化において、額縁状のテフロンスペーサ(テフロン(登録商標))は厚み1.9mmのものを使用した。   Subsequently, in the same manner as in the fuel cell unit manufacturing method, seven spacers 1100 are stacked and integrated on the anode current collecting layer of the second fuel cell layer, and two layers of the fuel cell layer and the spacer layer are formed. Fuel cell stacks that were alternately stacked were prepared. In the integration, a frame-shaped Teflon spacer (Teflon (registered trademark)) having a thickness of 1.9 mm was used.

(7)燃料電池システムの作製
外径360μmφ(内径150μmφ)のテフロンチューブ(テフロン(登録商標))を燃料流路1007の端部から燃料流路に挿入し、該チューブと燃料流路1007端部の隙間をエポキシ樹脂で埋め、乾燥させることで燃料供給の接続部を作製した。
(7) Production of Fuel Cell System A Teflon tube (Teflon (registered trademark)) having an outer diameter of 360 μmφ (inner diameter 150 μmφ) is inserted into the fuel flow channel from the end of the fuel flow channel 1007, and the tube and the end of the fuel flow channel 1007 The gap between the two was filled with an epoxy resin and dried to produce a fuel supply connection.

次に、燃料電池層が配置されていない各スペーサ(計14本)のはみだした端部を、それぞれ、内径1.6mmφ(外径3.2mmφ)のタイゴンチューブ(商標)へ挿入し、隙間をエポキシ樹脂で埋め、乾燥させることで当該チューブとスペーサ1100の排出流路1101とをそれぞれ連結した。当該チューブと連結しない排出流路の他方の端部を、生成ガスが排出されないように、エポキシ樹脂を塗布し乾燥することで封止した。   Next, the protruding end of each spacer (14 in total) where the fuel cell layer is not disposed is inserted into a Tygon tube (trademark) having an inner diameter of 1.6 mmφ (outer diameter of 3.2 mmφ), and a gap is formed. The tube and the discharge flow path 1101 of the spacer 1100 were connected to each other by filling with epoxy resin and drying. The other end of the discharge channel not connected to the tube was sealed by applying an epoxy resin and drying so that the generated gas was not discharged.

次に、横2面が空気供給用の開口として開いている、外形幅3cm×奥行き3cm×高さ1cmのアクリル筐体内に、上記の燃料電池スタックを入れ、生成ガスがアクリル筐体の外部へ排出されるよう、各スペーサに連結された上記チューブの先端を、空気供給用の開口が無い面を貫通させ、各チューブの先端をアクリル筐体の外部へ引き出した。アクリル筐体における空気供給用の開口が無い面の外部側に、当該開口が無い面に隣接するように、ガス集約部として、外形が直方体形状であり、内部に空洞部を有するアクリルからなる中空部材を設置した。この中空部材は、その側面に設けられ、上記空洞部に連通する、集約された生成ガスを排出するための開口(ガス排出口)を備えており、また、当該ガス排出口が設けられた側面とは反対側の側面に突起状のコネクタを複数有している。当該コネクタに各チューブの先端を接続して、各チューブの内部とガス集約部の空洞部とを連通させた。   Next, the fuel cell stack is placed in an acrylic casing having an outer width of 3 cm, a depth of 3 cm, and a height of 1 cm. In order to be discharged, the tip of the tube connected to each spacer was passed through a surface without an air supply opening, and the tip of each tube was pulled out of the acrylic housing. A hollow made of acrylic having an outer shape of a rectangular parallelepiped shape as a gas collecting portion on the outer side of the surface without an air supply opening in the acrylic housing, adjacent to the surface without the opening. The member was installed. The hollow member includes an opening (gas discharge port) provided on a side surface thereof and connected to the hollow portion for discharging the aggregated generated gas, and the side surface provided with the gas discharge port. A plurality of protrusion-like connectors are provided on the side surface opposite to. The tip of each tube was connected to the connector so that the inside of each tube communicated with the cavity of the gas collecting portion.

ポンプを用いて、3Mのメタノール水溶液を0.5cc/minの速度で、上記テフロンチューブ(テフロン(登録商標))から供給して発電評価を行なったところ、5分後に出力密度40mW/cm2が得られた。10分後の出力密度は同様に40mW/cm2であった。 Using a pump, a 3M methanol aqueous solution was supplied from the Teflon tube (Teflon (registered trademark)) at a rate of 0.5 cc / min to evaluate the power generation. After 5 minutes, the output density was 40 mW / cm 2. Obtained. The power density after 10 minutes was similarly 40 mW / cm 2 .

<比較例1>
アクリル筐体の外部へ生成ガスを排出するための上記チューブおよびガス集約部を設けず、かつスペーサの排出流路の端部の封止を行なわなかった他は実施例1と同様にして燃料電池スタックを作製した。このとき、排出流路の両端部はアクリル筐体内にあるため、排出流路からの生成ガスはアクリル筐体内へ排出される。
<Comparative Example 1>
A fuel cell in the same manner as in Example 1 except that the tube for discharging the generated gas to the outside of the acrylic casing and the gas collecting portion were not provided and the end of the discharge flow path of the spacer was not sealed. A stack was made. At this time, since both ends of the discharge channel are in the acrylic casing, the generated gas from the discharge channel is discharged into the acrylic casing.

実施例1と同様の条件で発電評価を行なったところ、5分後に出力密度35mW/cm2が得られた。10分後の出力密度は23mW/cm2まで低下した。実施例1の燃料電池スタックは、本発明に係るガス集約部を有するものではないが、ガス集約部を設けた場合においても実施例1の燃料電池スタックと同等の効果が得られることは容易に理解され、したがって、実施例1と比較例1の比較より、最大出力密度、安定性の両面において、本発明の燃料電池システムの発電特性が優れていることが理解される。 When power generation was evaluated under the same conditions as in Example 1, an output density of 35 mW / cm 2 was obtained after 5 minutes. The power density after 10 minutes decreased to 23 mW / cm 2 . Although the fuel cell stack of Example 1 does not have the gas concentration part according to the present invention, it is easy to obtain the same effect as the fuel cell stack of Example 1 even when the gas concentration part is provided. Therefore, it is understood that the power generation characteristics of the fuel cell system of the present invention are superior in terms of both maximum power density and stability, compared with the comparison between Example 1 and Comparative Example 1.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

100,701a 燃料電池システム、101,201,701b 燃料電池スタック、102,802 ガス集約部、103,303,803 単位電池、104 開口部、105,605,705 生成ガス誘導路、106,606,706 ガス排出口、107,507,807,907,1100 スペーサ、110,310 第1の燃料電池層、115 第1のスペーサ層、120,320 第2の燃料電池層、125 第2のスペーサ層、130,140,330 隙間、150 ガス透過防止層、202,402 電解質膜、203,403 アノード極、204,404 カソード極、205,405,905 アノード集電層、206,906 貫通孔、207,407,907,1101 排出流路、208,408,1007 燃料流路、209,409 気液分離層、210,410,910 燃料透過層、600,700 電子機器、601,701 燃料電池システムまたは燃料電池スタック、602 ディスプレイ。   100, 701a Fuel cell system, 101, 201, 701b Fuel cell stack, 102, 802 Gas concentrator, 103, 303, 803 Unit cell, 104 Opening, 105, 605, 705 Generated gas guiding path, 106, 606, 706 Gas outlet 107, 507, 807, 907, 1100 Spacer, 110, 310 First fuel cell layer, 115 First spacer layer, 120, 320 Second fuel cell layer, 125 Second spacer layer, 130 , 140, 330 gap, 150 gas permeation prevention layer, 202, 402 electrolyte membrane, 203, 403 anode electrode, 204, 404 cathode electrode, 205, 405, 905 anode current collecting layer, 206, 906 through-hole, 207, 407, 907, 1101 discharge flow path, 208, 408, 1007 fuel Road, 209,409 gas-liquid separation layer, 210,410,910 fuel permeation layer, 600, 700 electronic device, 601, 701 fuel cell system or a fuel cell stack, 602 display.

Claims (18)

燃料電池スタックとガス集約部とを備え、
前記燃料電池スタックが有する単位電池のアノード極と前記ガス集約部とは、前記燃料電池スタックに設けられる生成ガス排出用流路によって連通している燃料電池システム。
A fuel cell stack and a gas concentrator,
A fuel cell system in which an anode electrode of the unit cell included in the fuel cell stack and the gas collecting part are communicated with each other through a generated gas discharge channel provided in the fuel cell stack.
カソード極、電解質膜、アノード極およびアノード集電層をこの順で備える2以上の単位電池を同一平面上に配置してなる燃料電池層を1以上含む燃料電池スタックと、
内部に空洞部を有する中空体であって、前記空洞部と連通する開口部を備えるガス集約部と、を備え、
前記ガス集約部が有する前記空洞部と、前記燃料電池層のうち、少なくとも1つの燃料電池層が有するすべての単位電池のアノード極とは、前記燃料電池スタックに設けられる生成ガス排出用流路によって連通している請求項1に記載の燃料電池システム。
A fuel cell stack including one or more fuel cell layers in which two or more unit cells each having a cathode electrode, an electrolyte membrane, an anode electrode, and an anode current collecting layer in this order are arranged on the same plane;
A hollow body having a hollow portion therein, and a gas collecting portion including an opening communicating with the hollow portion,
The hollow portion of the gas aggregation portion and the anode electrodes of all unit cells of at least one fuel cell layer among the fuel cell layers are formed by a generated gas discharge flow path provided in the fuel cell stack. The fuel cell system according to claim 1, which is in communication.
前記燃料電池スタックは、2以上の前記単位電池を同一平面上に配置してなる燃料電池層と、1以上のスペーサからなるスペーサ層とを、前記単位電池のアノード集電層が前記スペーサに接するように積層してなる燃料電池を1以上含み、
前記ガス集約部が有する前記空洞部と、前記少なくとも1つの燃料電池層が有するすべての単位電池のアノード極とは、前記燃料電池の内部に設けられる生成ガス排出用流路によって連通している請求項2に記載の燃料電池システム。
In the fuel cell stack, a fuel cell layer in which two or more unit cells are arranged on the same plane and a spacer layer composed of one or more spacers are in contact with an anode current collecting layer of the unit cell. Including one or more fuel cells,
The hollow portion of the gas concentrating portion and the anode electrodes of all unit cells of the at least one fuel cell layer are communicated with each other by a generated gas discharge channel provided in the fuel cell. Item 3. The fuel cell system according to Item 2.
前記ガス集約部は、少なくとも1つのスペーサ層が有するすべてのスペーサの端部と接続されており、
前記生成ガス排出用流路は、
前記単位電池のアノード集電層を厚み方向に貫通する貫通孔と、
前記貫通孔と連通し、かつ、前記ガス集約部と接続される前記端部まで延びる、前記スペーサに形成される流路と、
から構成される、請求項3に記載の燃料電池システム。
The gas concentrating portion is connected to end portions of all the spacers included in at least one spacer layer,
The product gas discharge flow path is
A through hole penetrating the anode current collecting layer of the unit cell in the thickness direction;
A flow path formed in the spacer, which communicates with the through-hole and extends to the end connected to the gas collecting portion;
The fuel cell system according to claim 3, comprising:
前記ガス集約部は、少なくとも1つの燃料電池層が有するすべての単位電池の端部と接続されており、
前記生成ガス排出用流路は、前記単位電池のアノード極に接するように前記アノード集電層内に形成され、前記ガス集約部と接続される前記端部まで延びる流路から構成される、請求項2または3に記載の燃料電池システム。
The gas concentrating portion is connected to end portions of all unit cells included in at least one fuel cell layer,
The generated gas discharge channel is formed of a channel formed in the anode current collecting layer so as to be in contact with the anode electrode of the unit cell and extending to the end connected to the gas collecting unit. Item 4. The fuel cell system according to Item 2 or 3.
前記燃料電池スタックは、前記燃料電池を2以上積層してなり、
前記ガス集約部は、前記燃料電池スタックが有するすべてのスペーサの端部、または前記燃料電池スタックが有するすべての単位電池の端部と接続されており、
前記ガス集約部が有する前記空洞部と、前記燃料電池スタックが有するすべての単位電池のアノード極とが、各燃料電池の内部に設けられる生成ガス排出用流路によって連通している請求項3〜5のいずれかに燃料電池システム。
The fuel cell stack is formed by stacking two or more fuel cells,
The gas concentrating portion is connected to the end portions of all the spacers included in the fuel cell stack or the end portions of all unit cells included in the fuel cell stack,
The hollow portion of the gas collecting portion and the anode electrodes of all unit cells of the fuel cell stack are communicated with each other by a product gas discharge flow path provided inside each fuel cell. 5. A fuel cell system in any one of 5.
前記燃料電池層は、2以上の前記単位電池を同一平面上に隙間を設けて配置してなる請求項2〜6のいずれかに記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 2 to 6, wherein the fuel cell layer is formed by arranging two or more unit cells with a gap on the same plane. 1または2以上の前記ガス集約部を備え、
前記ガス集約部のすべては、前記燃料電池スタックの1つの側面に隣接して配置される請求項2〜7のいずれかに記載の燃料電池システム。
Comprising one or more gas concentrators,
The fuel cell system according to any one of claims 2 to 7, wherein all of the gas concentrating portions are disposed adjacent to one side surface of the fuel cell stack.
前記ガス集約部は、前記開口部と接続される中空状の生成ガス誘導路を備える請求項2〜8のいずれかに燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 2 to 8, wherein the gas collecting part includes a hollow product gas guide path connected to the opening. 前記生成ガス誘導路における前記開口部側とは反対側の開口に、有害成分除去フィルタを備える請求項9に記載の燃料電池システム。   10. The fuel cell system according to claim 9, wherein a harmful component removal filter is provided in an opening opposite to the opening in the product gas guiding path. 前記生成ガス誘導路の内壁面は、撥水処理が施されている請求項9または10に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 9 or 10, wherein an inner wall surface of the generated gas guide path is subjected to water repellent treatment. 前記スペーサ層は、2以上のスペーサを同一平面上に隙間を設けて配置してなり、
前記燃料電池において、前記燃料電池層が有する2以上の単位電池と、前記スペーサ層が有する2以上のスペーサとは、交差するように配置される請求項3〜11のいずれかに燃料電池システム。
The spacer layer is formed by arranging two or more spacers with a gap on the same plane,
The fuel cell system according to any one of claims 3 to 11, wherein in the fuel cell, two or more unit cells included in the fuel cell layer and two or more spacers included in the spacer layer are arranged so as to intersect each other.
請求項1〜12のいずれかに記載の燃料電池システムを備える電子機器。   An electronic device comprising the fuel cell system according to claim 1. 請求項9〜11のいずれかに記載の燃料電池システムを備え、
前記生成ガス誘導路は、内部に空洞部を形成した電子機器を構成するいずれかの構成部材からなる電子機器。
A fuel cell system according to any one of claims 9 to 11, comprising:
The generated gas guide path is an electronic device made of any one of the constituent members constituting an electronic device having a hollow portion formed therein.
前記生成ガス誘導路における前記開口部側とは反対側の開口は、電子機器の外縁に配置される請求項14に記載の電子機器。   The electronic device according to claim 14, wherein an opening on the side opposite to the opening in the generated gas guiding path is disposed at an outer edge of the electronic device. 前記生成ガス誘導路における前記開口部側とは反対側の開口は、電子機器の裏側に配置される請求項14または15に記載の電子機器。   The electronic device according to claim 14, wherein an opening opposite to the opening in the product gas guiding path is disposed on the back side of the electronic device. 前記燃料電池システムは、電子機器内において、電子機器外部から前記燃料電池スタックの外面の少なくとも一部へ、空気を供給可能な位置に配置されており、
前記ガス集約部は、電子機器外部から空気が供給される燃料電池スタックの前記外面とは、異なる外面に隣接して配置される請求項13〜16のいずれかに記載の電子機器。
In the electronic device, the fuel cell system is disposed at a position where air can be supplied from the outside of the electronic device to at least a part of the outer surface of the fuel cell stack,
The electronic device according to any one of claims 13 to 16, wherein the gas collecting unit is disposed adjacent to an outer surface different from the outer surface of the fuel cell stack to which air is supplied from the outside of the electronic device.
前記燃料電池システムまたは前記燃料電池スタックを収容する電池収容室を備え、
前記電池収容室は、前記電池収容室の内部と電子機器外部とを連通する開口を有する請求項17に記載の電子機器。
A battery storage chamber for storing the fuel cell system or the fuel cell stack;
The electronic device according to claim 17, wherein the battery housing chamber has an opening that communicates the inside of the battery housing chamber with the outside of the electronic device.
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