JP2011096466A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池、特に小型の液体燃料直接供給型の燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a small liquid fuel direct supply type fuel cell.
近年、リチウムイオン二次電池に代わって、小型の燃料電池が注目を集めている。特に、メタノールを燃料として用いた直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)は、水素ガスを使用する燃料電池に比べ、水素ガスの取り扱いの困難さや、有機燃料を改質して水素を作り出す装置等が必要なく、小型化に優れている。 In recent years, small fuel cells have attracted attention in place of lithium ion secondary batteries. In particular, a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol as a fuel is more difficult to handle hydrogen gas than a fuel cell using hydrogen gas, and the organic fuel is reformed to generate hydrogen. There is no need for a device to create, and it is excellent in miniaturization.
DMFCでは、アノード(例えば燃料極)においてメタノールが酸化分解され、二酸化炭素、プロトンおよび電子が生成する。一方、カソード(例えば空気極)では、空気から得られる酸素と、電解質膜を経て燃料極から供給されるプロトン、および燃料極から外部回路を通じて供給される電子によって水が生成する。また、この外部回路を通る電子によって、電力が供給されることになる。 In DMFC, methanol is oxidized and decomposed at an anode (for example, a fuel electrode) to generate carbon dioxide, protons, and electrons. On the other hand, in the cathode (for example, the air electrode), water is generated by oxygen obtained from air, protons supplied from the fuel electrode through the electrolyte membrane, and electrons supplied from the fuel electrode through an external circuit. In addition, power is supplied by electrons passing through the external circuit.
ここで、出力を安定して高くする方法として、触媒量の増加という考えがある。しかしながら、触媒は一般的にPtなどの貴金属が用いられることもあり、高価となる傾向があるため、触媒量を抑制しながら高出力を生む方法が望ましい。さらに、小型化のためには、膜電極接合体の膜厚も極力薄くすることが望ましい。 Here, there is an idea of increasing the amount of catalyst as a method of stably increasing the output. However, since noble metals such as Pt are generally used for the catalyst and tend to be expensive, a method of producing high output while suppressing the amount of catalyst is desirable. Furthermore, for miniaturization, it is desirable to make the film electrode assembly as thin as possible.
特許文献1には、バインダーとしてポリエーテルスルホンを用いた触媒層の厚さと、当該触媒層のガス拡散層の厚さとを規定することが開示されている。また、特許文献2には、バインダーとしてポリビニリデンフルオライドを用いた触媒層の厚さと、当該触媒層のガス拡散層の厚さとを規定することが開示されている。
特許文献3は、導電性担体質量に対する高分子電解質質量の比が異なる複数層が、高分子電解質膜からガス拡散層の方向に沿って積層されたカソード触媒層を使用し、アノード触媒層の平均厚みをカソード触媒層の平均厚みより薄くした燃料電池用膜電極接合体を開示している。
特許文献4は、アノード触媒層の平均厚みがカソード触媒層の平均厚みよりも小さい燃料電池用膜−電極接合体を開示している。 Patent Document 4 discloses a fuel cell membrane-electrode assembly in which the average thickness of the anode catalyst layer is smaller than the average thickness of the cathode catalyst layer.
しかしながら、特許文献1,2で触媒層のバインダーに用いられているポリエーテルスルホンやポリビニリデンフルオライドは、プロトン伝導性に劣るため、高出力を得られない。また、特許文献3,4のようにアノード触媒層の平均厚みがカソード触媒層の平均厚みよりも小さいと、メタノールを含む燃料を用いる場合に燃料クロスオーバが顕著に生じるため、出力の低下を招く。
However, polyethersulfone and polyvinylidene fluoride used for the binder of the catalyst layer in
本発明は、出力性能に優れた燃料電池を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the fuel cell excellent in output performance.
本発明に係る燃料電池は、アノード触媒層、及び、前記アノード触媒層の一方の面に面して設けられたアノードガス拡散層を含むアノードと、
カソード触媒層、及び、前記カソード触媒層の一方の面に面して設けられたカソードガス拡散層を含むカソードと、
前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の間に配置された電解質膜と
を含む膜電極接合体を備え、
前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層は、少なくとも一方の貴金属重量密度が0.2g/cc以上0.8g/cc以下であり、かつ下記(1)式を満たすことを特徴とする。
A fuel cell according to the present invention includes an anode catalyst layer, and an anode including an anode gas diffusion layer provided facing one surface of the anode catalyst layer;
A cathode including a cathode catalyst layer, and a cathode gas diffusion layer provided facing one side of the cathode catalyst layer;
A membrane electrode assembly including an electrolyte membrane disposed between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer;
The anode catalyst layer and the cathode catalyst layer have a noble metal weight density of 0.2 g / cc or more and 0.8 g / cc or less, and satisfy the following formula (1).
1≦(Ta/Tc) (1)
但し、Tcは前記カソード触媒層の厚さで、Taは前記アノード触媒層の厚さである。
1 ≦ (T a / T c ) (1)
However, the T c in the thickness of the cathode catalyst layer, T a is the thickness of the anode catalyst layer.
本発明によれば、出力性能に優れた燃料電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell excellent in output performance can be provided.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池を示す内部透視断面図であり、図2は、図1の燃料電池の燃料分配機構を示す斜視図であり、図3は、図1の燃料電池の要部を示す断面模式図である。 1 is an internal perspective sectional view showing a fuel cell according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a perspective view showing a fuel distribution mechanism of the fuel cell of FIG. 1, and FIG. It is a cross-sectional schematic diagram which shows the principal part of a fuel cell.
燃料電池100は、膜電極接合体1と、液体燃料Fを収容する燃料収容部3と、燃料供給部2と燃料収容部3とを接続する流路4と、燃料導入部30と、燃料導入部30に燃料を供給する燃料供給部2と、酸化剤導入部(酸素導入部)40とを有する。
The
膜電極接合体1は、アノード(燃料極)5と、カソード(空気極)6と、アノード5及びカソード6の間に配置されたプロトン伝導性の電解質膜7とから構成される。
The
アノード5は、電解質膜7の一方の面に面して設けられたアノード触媒層8と、アノード触媒層8に積層されたアノードガス拡散層9とを有する。カソード6は、電解質膜7の他方の面に面して設けられたカソード触媒層11と、カソード触媒層11に積層されたカソードガス拡散層12とを有する。
The
電解質膜7にはプロトン伝導性材料が含まれ、例えば、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂(デュポン社製の商品名ナフィオン(登録商標)や旭硝子社製の商品名フレミオン(登録商標)のようなパーフルオロスルホン酸重合体等)、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂、無機物(例えば、タングステン酸、リンタングステン酸、硝酸リチウムなど)等が用いられるが、これらに限定されるものではない。
The
アノードガス拡散層9及びカソードガス拡散層12は、例えば、カーボンや導電性高分子などの繊維からなるペーパー、不織布、織布、編物、又は、導電性の多孔質膜から形成されることができるが、カーボンペーパーから形成されることが好ましい。何れのガス拡散層にも、撥水性を付与しても良いし、撥水性を付与しなくてもよい。撥水処理には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のようなフッ素系樹脂を使用することができる。
The anode
アノードガス拡散層9は、アノード触媒層8に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層8の集電体も兼ねている。
カソードガス拡散層12は、カソード触媒層11に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層11の集電体も兼ねている。
アノード触媒層8には、アノード触媒及びパーフルオロポリスルホン酸系の高分子電解質等の高分子電解質が含まれる。また、カソード触媒層11には、カソード触媒及びパーフルオロポリスルホン酸系の高分子電解質等の高分子電解質が含まれる。アノード触媒及びカソード触媒は、貴金属を含有する。貴金属は、例えば、白金族元素である、Pt、Ru、Rh、Ir、Os、Pd等の単体金属、白金族元素を含有する合金などが用いられる。具体的には、アノード側の触媒として、メタノールや一酸化炭素に対して強い耐性を有するPt−RuやPt−Moなど、カソード側の触媒として、白金やPt−Ni、Pt−Coなどが好適に用いられるが、これらに限定されるものではない。炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれを使用することもできる。担持体には、活性炭や黒鉛等の粒子状のカーボンまたは繊維状のカーボンを使用することができる。
The anode
The cathode
The
触媒層に使用する高分子電解質には、例えば、パーフルオロポリスルホン酸系の高分子電解質を使用することができる。パーフルオロポリスルホン酸系の高分子電解質は、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂を使用することができ、具体的にはデュポン社製の商品名ナフィオン(登録商標)や旭硝子社製の商品名フレミオン(登録商標)のようなパーフルオロスルホン酸重合体等が挙げられる。触媒層において、パーフルオロポリスルホン酸系の高分子電解質は、触媒をガス拡散層に結着させるとともに、電気化学反応によって発生するプロトンを伝導させるために用いられる。また、パーフルオロポリスルホン酸系の高分子電解質は、電極のプロトン伝導性を高めるため、出力性能の向上に寄与する。 As the polymer electrolyte used in the catalyst layer, for example, a perfluoropolysulfonic acid polymer electrolyte can be used. Perfluoropolysulfonic acid-based polymer electrolytes can use fluorine-based resins having sulfonic acid groups. Specifically, the product name Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont and the product name Flemion manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. Perfluorosulfonic acid polymers such as (registered trademark). In the catalyst layer, the perfluoropolysulfonic acid polymer electrolyte is used to bind the catalyst to the gas diffusion layer and to conduct protons generated by the electrochemical reaction. In addition, perfluoropolysulfonic acid-based polymer electrolytes increase the proton conductivity of the electrode and contribute to the improvement of output performance.
電解質膜7とカバープレート16の間、及び、電解質膜7と燃料供給部2の間には、膜電極接合体(MEA)1の周囲を取り囲むようにゴム製のOリング15が配置されており、これらによって燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。
A rubber O-
酸化剤導入部(酸素導入部)40は、外部から空気などの酸化剤を取入れ、MEA1に供給する機能を有し、燃料電池の外装(例えばカバープレート)から、空気極ガス拡散層12に隣接して配置される部材がこの酸化剤導入部40に含まれる。酸化剤導入部40は、例えば、カソードガス拡散層12に面して設けられた導電層13と、保湿層18と、カバープレート16とを有しているが、この構成に限られるものではなく、導電層13や保湿層18のない構成にすることができる。
The oxidant introduction part (oxygen introduction part) 40 has a function of taking in an oxidant such as air from the outside and supplying it to the
導電層13は、必要に応じて設けられるもので、例えば、金、ニッケルなどの金属材料からなる多孔質層(例えばメッシュ)または箔体、あるいはステンレス鋼(SUS)などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材などが用いられる。
The
保湿層18は、必要に応じて、カバープレート16とカソード6との間に配置される。保湿層18は、カソード触媒層11で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制すると共に、生成した水の一部をアノード側へ拡散させる機能を有する。また、カソードガス拡散層に酸化剤である空気を均一に導入し、カソード触媒層11への酸化剤の均一な拡散を促進する機能も有している。この保湿層18は、例えば、ポリエチレン多孔質膜等からなる平板で構成される。
The
カバープレート16は、酸化剤である空気を取り入れるための開口部としての貫通孔16aを複数有している。カバープレート16は、空気の取り入れ量を調整するものであり、その調整は、空気導入口の個数や大きさ等を変更することで行われる。また、MEAや保湿層を加圧して密着性を高める役割も果たしている。カバープレート16は、例えば、SUS304のような金属で構成することができるが、これに限定されるものではない。このようなカバープレート16を備えることにより、酸化剤を供給するためのブロワを用いることなく、酸化剤をカソード6に自然供給することができる。なお、酸化剤は、空気に限定されるものではなく、O2を含むガスを使用可能である。
The
膜電極接合体1のアノード5側には、燃料供給部としての燃料分配機構2が配置されている。燃料供給部2は、燃料導入部40の燃料取入面に面した燃料排出口を有し、燃料排出口を通して燃料導入部40に燃料を供給する。燃料分配機構2は配管のような液体燃料Fの流路4を介して燃料収容部3と接続されている。燃料分配機構2には燃料収容部3から流路4を介して液体燃料Fが導入される。流路4は燃料分配機構2や燃料収容部3と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料分配機構2と燃料収容部3とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料Fの流路であってもよい。燃料分配機構2は流路4を介して燃料収容部3と接続されていればよい。
A
液体燃料Fを燃料収容部3から燃料分配機構2まで送る機構は特に限定されるものではない。例えば、使用時の設置場所が固定される場合には、重力を利用して液体燃料Fを燃料収容部3から燃料分配機構2まで落下させて送液することができる。また、多孔体等を充填した流路4を用いることによって、毛細管現象で燃料収容部3から燃料分配機構2まで送液することができる。さらに、燃料収容部3から燃料分配機構2への送液は、図1に示すように、ポンプ17で実施してもよい。あるいは、燃料分配機構2から膜電極接合体1への燃料供給が行われる構成であればポンプ17に代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料Fの供給を制御するために設けられるものである。
The mechanism for feeding the liquid fuel F from the
ポンプ17は、燃料収容部3から燃料分配機構2に液体燃料を単に送液する供給ポンプとして機能するものであり、燃料電池セルに供給された過剰な液体燃料を循環する循環ポンプとしての機能を備えるものではない。このポンプを備えた燃料電池は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは構成が異なり、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも構成が異なる、いわゆるセミパッシブ型と呼ばれる方式に該当する。なお、燃料供給手段として機能するポンプの種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリベーンポンプは、モータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは、電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは、電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは、柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。上記したようにポンプを設ける場合、ポンプは、制御手段(図示しない)と電気的に接続され、この制御手段によって、燃料供給部に供給される液体燃料の供給量が制御される。
The
燃料分配機構2は、図1に示すように、液体燃料Fが流路4を介して流入する少なくとも1個の燃料注入口21と、液体燃料Fやその気化成分を排出する複数個の燃料排出口22とを有する燃料分配板23を備えている。燃料分配板23の内部には図1に示すように、燃料注入口21から導かれた液体燃料の通路となる空隙部24が設けられている。複数の燃料排出口22は燃料通路として機能する空隙部24にそれぞれ直接接続されている。
As shown in FIG. 1, the
燃料分配板23は、例えば、液体燃料の気化成分や液体燃料を透過させない材料で構成され、具体的には、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂、ポリエチレンナフタレート(PEN)樹脂、ポリイミド系樹脂等で構成される。ここで、燃料電池において、燃料分配機構2に導入された液体燃料は、燃料分配板23の複数の開口部から燃料導入部30に導かれ、液体燃料の気化成分がアノード(燃料極)の全面に対して供給される。このように、燃料分配板23によって、アノード(燃料極)に供給される燃料供給量を均一化することが可能となる。
The
燃料注入口21から燃料分配機構2に導入された液体燃料Fは空隙部24に入り、この燃料通路として機能する空隙部24を介して複数の燃料排出口22にそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口22には、例えば液体燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体(図示せず)を配置してもよい。これによって、膜電極接合体1のアノード5には液体燃料の気化成分が供給される。液体燃料の気化成分は複数の燃料排出口22から燃料導入部30の複数個所に向けて排出される。
The liquid fuel F introduced into the
燃料排出口22は膜電極接合体1の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板23の燃料導入部30と対向する面に複数設けられている。燃料排出口22の個数は2個以上であればよいが、膜電極接合体1の面内における燃料供給量を均一化する上で、0.1〜10個/cm2の燃料排出口22が存在するように形成することが好ましい。
A plurality of
上述した燃料分配機構2に導入された液体燃料Fは空隙部24を介して複数の燃料排出口22に導かれる。燃料分配機構2の空隙部24はバッファとして機能するため、複数の燃料排出口22からそれぞれ規定濃度の燃料が排出される。そして、複数の燃料排出口22は膜電極接合体1の全面に燃料が供給されるように配置されているため、膜電極接合体1に対する燃料供給量を均一化することができる。
The liquid fuel F introduced into the
燃料収容部3には、膜電極接合体1に対応した液体燃料Fが収容されている。液体燃料Fとしては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料Fは必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料Fは、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部3には膜電極接合体1に応じた液体燃料Fが収容される。
The
液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。ただし、複数の燃料排出口22を有する燃料分配機構2の特徴がより顕在化するのは燃料濃度が濃い場合である。このため、燃料電池は、濃度が80%以上のメタノール水溶液もしくは純メタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。
The type and concentration of the liquid fuel are not limited. However, the characteristics of the
燃料導入部30は、燃料分配機構2の燃料排出口22から排出された燃料をMEA1に供給する機能を有し、燃料極ガス拡散層9と燃料分配機構2との間に配置される部材がこの燃料導入部30に含まれる。燃料導入部30は、燃料極ガス拡散層9に面して設けられ、燃料分配機構2の燃料排出口22と接する燃料取入れ面を有する。ここで燃料取入れ面とは、燃料分配機構2の燃料排出口22と接する層の燃料排出口22側の表面を指す。
The
図1に示す燃料導入部30には、アノードガス拡散層9に面して設けられた導電層14及び燃料拡散層19が含まれている。しかしながらこれに限定されず、燃料拡散層19が含まれなくてもよく、或いは他の層を含んでいてもよい。
The
導電層14は、必要に応じて設けられるもので、例えば、金、ニッケルなどの金属材料からなる多孔質層(例えばメッシュ)または箔体、あるいはステンレス鋼(SUS)などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材などが用いられる。
The
燃料拡散層19は、燃料供給部2の燃料排出口22と接する表面を有し、燃料排出口22から排出された燃料を気化燃料としてアノード5に均一に拡散させる役割をなす。
The
燃料分配機構2から放出された燃料は、燃料導入部30を介してMEA1に導入される。MEA1において燃料はアノードガス拡散層9を拡散してアノード触媒層8に供給される。燃料としてメタノール燃料を使用する場合には、次の式(A)に示すメタノールの内部改質反応が生じる。
The fuel released from the
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e− …式(A)
内部改質反応で生成されたプロトン(H+)は、電解質膜7を伝導し、カソード触媒層11に到達する。カソードガス拡散層12から供給される気体燃料(たとえば空気)は、カソードガス拡散層12を拡散して、カソード触媒に供給される。カソード触媒に供給された空気は、次の式(B)に示す反応を生じる。この反応によって、水が生成され、発電反応が生じる。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − Formula (A)
Protons (H + ) generated by the internal reforming reaction are conducted through the
(3/2)O2+6H++6e− → 3H2O …式(B)
発電反応により生じた水は、カソード6から電解質膜7を通してアノード触媒層8に供給される。
(3/2) O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O Formula (B)
Water generated by the power generation reaction is supplied from the
以上説明した燃料電池は、アノード触媒層、及び、前記アノード触媒層の一方の面に面して設けられたアノードガス拡散層を有するアノードと、カソード触媒層、及び、前記カソード触媒層の一方の面に面して設けられたカソードガス拡散層を有するカソードと、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の間に配置された電解質膜とを含む膜電極接合体を備える。前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層は、少なくとも一方の貴金属重量密度が0.2g/cc以上0.8g/cc以下であり、かつ下記(1)式を満たす。 The fuel cell described above includes an anode catalyst layer, an anode having an anode gas diffusion layer provided facing one side of the anode catalyst layer, a cathode catalyst layer, and one of the cathode catalyst layer. A membrane electrode assembly is provided that includes a cathode having a cathode gas diffusion layer provided facing the surface, and an anode catalyst layer and an electrolyte membrane disposed between the cathode catalyst layer. The anode catalyst layer and the cathode catalyst layer have a noble metal weight density of 0.2 g / cc or more and 0.8 g / cc or less, and satisfy the following formula (1).
1≦(Ta/Tc) (1)
但し、Tcは前記カソード触媒層の厚さで、Taは前記アノード触媒層の厚さである。
1 ≦ (T a / T c ) (1)
However, the T c in the thickness of the cathode catalyst layer, T a is the thickness of the anode catalyst layer.
本発明は、アノード触媒層の厚さTaがカソード触媒層の厚さTcと等しいか、厚い場合に、アノード触媒層及びカソード触媒層の少なくとも一方の貴金属重量密度を0.2g/cc以上0.8g/cc以下にすると、燃料電池の初期出力及び出力維持率の双方が改善されることを見出したものである。 In the present invention, when the thickness T a of the anode catalyst layer is equal to or thicker than the thickness T c of the cathode catalyst layer, the weight density of at least one of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer is 0.2 g / cc or more. It has been found that when the amount is 0.8 g / cc or less, both the initial output and the output retention rate of the fuel cell are improved.
すなわち、前記(1)式を満たしている場合に、アノード触媒層及びカソード触媒層双方の貴金属重量密度が0.2g/cc未満であると、触媒量が足りず、十分な出力を得ることができない。一方、アノード触媒層及びカソード触媒層双方の貴金属重量密度が0.8g/ccを超えていると、アノード触媒層及びカソード触媒層の双方が過剰に圧縮された状態になる。その結果、アノード触媒層における燃料拡散効率とカソード触媒層における空気取り入れ効率が低下するため、出力が低下する。 That is, when the above formula (1) is satisfied, if the noble metal weight density of both the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer is less than 0.2 g / cc, the catalyst amount is insufficient and sufficient output can be obtained. Can not. On the other hand, when the noble metal weight density of both the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer exceeds 0.8 g / cc, both the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer are compressed excessively. As a result, the fuel diffusion efficiency in the anode catalyst layer and the air intake efficiency in the cathode catalyst layer are reduced, so that the output is reduced.
アノード触媒層及びカソード触媒層の少なくとも一方の貴金属重量密度を0.2g/cc以上にすることによって、アノード触媒層か、カソード触媒層の少なくともいずれかの触媒量が十分なものになるため、初期出力を向上することができる。また、アノード触媒層及びカソード触媒層の少なくとも一方の貴金属重量密度を0.8g/cc以下にすることによって、燃料拡散効率もしくは空気取り入れ効率が向上するため、初期出力及び出力維持率を向上することができる。特に、アノード触媒層及びカソード触媒層双方の貴金属重量密度を0.2g/cc以上0.8g/cc以下にすることによって、アノード触媒層及びカソード触媒層双方の触媒量が十分なものになると共に、燃料拡散効率と空気取り入れ効率の双方が向上するため、初期出力及び出力維持率を大幅に向上することができる。 By making the noble metal weight density of at least one of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer 0.2 g / cc or more, the catalyst amount of at least one of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer becomes sufficient. The output can be improved. In addition, by making the noble metal weight density of at least one of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer 0.8 g / cc or less, the fuel diffusion efficiency or the air intake efficiency is improved, so that the initial output and the output maintenance ratio are improved. Can do. In particular, when the noble metal weight density of both the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer is 0.2 g / cc or more and 0.8 g / cc or less, the amount of catalyst in both the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer becomes sufficient. Since both the fuel diffusion efficiency and the air intake efficiency are improved, the initial output and the output maintenance rate can be greatly improved.
アノード触媒層中の貴金属重量密度(ρa)のより好ましい範囲は、0.5g/cc以上0.7g/cc以下である。カソード触媒層中の触媒貴金属重量密度(ρc)のより好ましい範囲は、0.3g/cc以上0.6g/cc以下である。 A more preferable range of the noble metal weight density (ρa) in the anode catalyst layer is 0.5 g / cc or more and 0.7 g / cc or less. A more preferable range of the catalyst noble metal weight density (ρc) in the cathode catalyst layer is 0.3 g / cc or more and 0.6 g / cc or less.
(Ta/Tc)の上限値は、7にすることが望ましい。(Ta/Tc)の値を7以下にすることによって、カソード触媒層に対するアノード触媒層の厚さが適切なものになり、燃料拡散が円滑に進行するため、十分な出力を得ることができる。(Ta/Tc)の上限値は、4.25にすることがより望ましい。4.25以下にすることによって、カソードの触媒量が相対的に少なくなるのを回避することができるため、寿命特性を向上することができる。 The upper limit value of (T a / T c ) is desirably 7. By setting the value of (T a / T c ) to 7 or less, the thickness of the anode catalyst layer relative to the cathode catalyst layer becomes appropriate, and fuel diffusion proceeds smoothly, so that sufficient output can be obtained. it can. The upper limit value of (T a / T c ) is more preferably 4.25. By setting the amount to 4.25 or less, it is possible to avoid a relatively small amount of the catalyst on the cathode, thereby improving the life characteristics.
アノード触媒層の貴金属重量密度(ρa)が0.2g/cc以上0.8g/cc以下で、かつカソードが下記(2)式を満たすことが望ましい。 It is desirable that the noble metal weight density (ρa) of the anode catalyst layer is 0.2 g / cc or more and 0.8 g / cc or less, and the cathode satisfies the following formula (2).
0.1≦(Tc/Cd)≦0.5 (2)
但し、Cdは前記カソードの厚さで、Tcは前記カソード触媒層の厚さである。
0.1 ≦ (T c / C d ) ≦ 0.5 (2)
Where C d is the thickness of the cathode and T c is the thickness of the cathode catalyst layer.
アノード触媒層の貴金属重量密度(ρa)を0.2g/cc以上0.8g/cc以下にした際に、(Tc/Cd)の比の値を0.1以上にすることによって、カソードでの反応効率を高めることができるため、カソードとアノードの相乗効果によって、初期出力と出力維持率の双方をより向上することができる。一方、(Tc/Cd)の比の値を0.5以下にすることによって、発電反応によって生じたH2Oが液体水となってカソードガス拡散層を覆う、いわゆるフラッディングを防止することができるため、空気取り入れ効率が良好になり、初期出力と出力維持率の双方をより向上することができる。カソードの厚さCdは、250μm以上400μm以下であることが望ましい。これにより、初期出力と出力維持率をさらに向上することができる。 By setting the value of the ratio of (T c / C d ) to 0.1 or more when the noble metal weight density (ρa) of the anode catalyst layer is 0.2 g / cc or more and 0.8 g / cc or less, the cathode Thus, both the initial output and the output retention ratio can be further improved by the synergistic effect of the cathode and the anode. On the other hand, by making the value of the ratio of (T c / C d ) 0.5 or less, so-called flooding in which H 2 O generated by the power generation reaction becomes liquid water and covers the cathode gas diffusion layer is prevented. Therefore, the air intake efficiency is improved, and both the initial output and the output maintenance rate can be further improved. The cathode thickness C d is desirably 250μm or 400μm or less. As a result, the initial output and the output maintenance ratio can be further improved.
また、カソード触媒層の貴金属重量密度が0.2g/cc以上0.8g/cc以下で、かつアノードが下記(3)式を満たすことが望ましい。 Moreover, it is desirable that the noble metal weight density of the cathode catalyst layer is 0.2 g / cc or more and 0.8 g / cc or less, and the anode satisfies the following formula (3).
0.1≦(Ta/Ad)≦0.6 (3)
但し、Adは前記アノードの厚さで、Taは前記アノード触媒層の厚さである。
0.1 ≦ (T a / A d ) ≦ 0.6 (3)
However, the A d in the thickness of the anode, T a is the thickness of the anode catalyst layer.
カソード触媒層中の触媒貴金属重量密度(ρc)を0.2g/cc以上0.8g/cc以下にした際に、(Ta/Ad)の値を0.1以上にすることによって、アノードでの反応効率を高めることができるため、カソードとアノードの相乗効果によって、初期出力と出力維持率の双方をより向上することができる。一方、(Ta/Ad)の値を0.6以下にすることによって、アノード触媒層のプロトン導電能力とアノードガス拡散層のガス拡散能力の双方を高くすることができるため、クロスオーバーを抑えることができ、燃料効率を向上することができる。その結果、初期出力と出力維持率の双方をより向上することができる。アノードの厚さAdは、330μm以上650μm以下であることが望ましい。これにより、初期出力と出力維持率をさらに向上することができる。 By setting the value of (T a / A d ) to 0.1 or more when the catalyst noble metal weight density (ρc) in the cathode catalyst layer is 0.2 g / cc or more and 0.8 g / cc or less, the anode Thus, both the initial output and the output retention ratio can be further improved by the synergistic effect of the cathode and the anode. On the other hand, by setting the value of (T a / A d ) to 0.6 or less, it is possible to increase both the proton conductive ability of the anode catalyst layer and the gas diffusion ability of the anode gas diffusion layer. It is possible to suppress the fuel efficiency. As a result, both the initial output and the output maintenance rate can be further improved. The thickness A d of the anode is preferably not less than 330 [mu] m 650 .mu.m or less. As a result, the initial output and the output maintenance ratio can be further improved.
電解質膜の厚さTeは180μm以下であることが望ましい。 The thickness T e of the electrolyte membrane is preferably not more than 180 [mu] m.
酸化剤導入部40の開口部16aを有する外表面から燃料導入部30の燃料取入面までの厚さT、すなわち、酸化剤導入部40の厚さCoと、膜電極接合体の厚さTMと、燃料導入部30の厚さAfとの合計厚さ(以下、セル厚さTと称す)は、特に限定されるものではないが、700μm以上900μm以下にすることができる。
The thickness T from the outer surface to Irimen preparative fuel in the
本実施形態に係る燃料電池は、図1〜図3に示す構造に限定されるものではなく、例えば、図4に示す構成にすることができる。なお、図1〜図3で説明したのと同様な部材は同符号を付して説明を省略する。 The fuel cell according to the present embodiment is not limited to the structure shown in FIGS. 1 to 3, and can be configured as shown in FIG. 4, for example. In addition, the same member as demonstrated in FIGS. 1-3 is attached | subjected the same code | symbol, and description is abbreviate | omitted.
燃料導入部30の燃料拡散層19は、燃料供給部2側から、拡散シート(日東電工製の商品名サンマップ)51、気液分離膜52、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)膜53がこの順番で積層されたものである。PTFE膜53に導電層14が積層されている。拡散シート51の表面は、燃料供給部2の燃料排出口22と接している。気液分離膜は、液体燃料の気化成分と液体燃料とを分離し、その気化成分をアノード(燃料極)側に通過させるものである。この気液分離膜は、液体燃料に対して不活性で溶解しない材料でシート状に構成され、具体的には、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン(LDPE)薄膜、ポリ塩化ビニル(PVC)薄膜、ポリエチレンテレフタレート(PET)薄膜、フッ素樹脂(例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)など)微多孔膜などの材料で構成される。また、気液分離膜は、周縁から燃料などが漏れないように構成されている。PTFE膜は、水蒸気の透過を抑制し、アノードに過剰量の水蒸気が供給されるのを防止する。
The
なお、気液分離膜とアノードとの間に、樹脂製のフレーム(図示しない)を設けてもよい。フレームで囲まれた空間は、気液分離膜を拡散してきた気化燃料を一時的に収容する気化燃料収容室(いわゆる蒸気だまり)として機能するとともに、膜電極接合体を密着させる補強板としても機能する。この気化燃料収容室および気液分離膜の透過メタノール量抑制効果により、一度に多量の気化燃料がアノード触媒層に供給されるのを回避することができる。なお、フレームは、短形のフレームで、例えばポリエーテルエーテルケトン(PEEK:ヴィクトレックス社商標)等の耐薬性の高いエンジニアリングプラスチックで構成される。 A resin frame (not shown) may be provided between the gas-liquid separation membrane and the anode. The space surrounded by the frame functions as a vaporized fuel storage chamber (so-called vapor pool) that temporarily stores the vaporized fuel that has diffused through the gas-liquid separation membrane, and also functions as a reinforcing plate that tightly contacts the membrane electrode assembly To do. Due to the effect of suppressing the amount of permeated methanol in the vaporized fuel storage chamber and the gas-liquid separation membrane, it is possible to avoid supplying a large amount of vaporized fuel to the anode catalyst layer at once. The frame is a short frame, and is made of engineering plastic having high chemical resistance such as polyetheretherketone (PEEK: trademark of Victorex).
酸化剤導入部40は、カソード6側から、導電層13、PTFE膜54、保湿層18、補強板55、カバープレート56がこの順番に積層された多層構造を有する。補強板55及びカバープレート56は、例えば、SUSから形成され、いずれも、酸化剤である空気を取り入れるための開口部(図示しない)を複数有している。PTFE膜54は、カソード触媒層11で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層11への空気の均一拡散を促進する。
The
まず、各構成部材の厚さは、以下の方法で測定される。 First, the thickness of each constituent member is measured by the following method.
MEAを燃料電池から取り出し、切断して断面が見えるようにして樹脂に埋め込む。この樹脂に埋め込んだMEAをその断面が平坦になるよう研磨し測定試料とする。例えば電極が矩形状の場合、長手方向と直交する方向の中央部において長手方向と平行に切断する。そして、その切断面の中央部および両端から長手方向の長さの10%中央寄りの位置の合計3箇所の切断面を取り出す。以降の結果は、それら3箇所の平均値とする。 The MEA is taken out of the fuel cell, cut and embedded in the resin so that the cross section can be seen. The MEA embedded in the resin is polished so that the cross section becomes flat to obtain a measurement sample. For example, when the electrode has a rectangular shape, the electrode is cut parallel to the longitudinal direction at the center in the direction orthogonal to the longitudinal direction. Then, a total of three cut surfaces at positions near the center of 10% of the length in the longitudinal direction are taken out from the center and both ends of the cut surface. The subsequent results are the average values of these three locations.
測定試料について、切断面のSEI(2次電子像)、BEI(反射電子像)によるSEM写真(1000倍)を確認し、視野で見られた像内の中央部から視野の左右25%内の対象物の断面を9等分した位置(10箇所)の厚みおよびこの範囲における最大厚みと最小厚みを測定し、その平均値をその平均厚みとし、これを各構成部材の厚さとする。 SEM photograph (1000 times) of SEI (secondary electron image) and BEI (reflected electron image) of the cut surface is confirmed for the measurement sample, and within 25% of the left and right of the field of view from the center in the image seen in the field of view. The thickness at the position (10 locations) obtained by dividing the cross section of the object into nine equal parts and the maximum thickness and the minimum thickness in this range are measured, and the average value is defined as the average thickness, which is the thickness of each component.
次に、貴金属目付け量、貴金属重量密度は、以下の方法で測定される。 Next, the noble metal weight and the noble metal weight density are measured by the following methods.
前記厚さを測定した燃料電池のMEAから、貴金属量測定用に切り出したMEAを、先ずアノードとカソードに引き剥がす。次に全体の面積が2cm2になるよう切り出して容器に入れ、塩酸・硝酸混合溶液250mLを加え、140℃,2hの加熱分解処理を実施する。ここで、MEAからの切り出しは、MEAが複数のセルで構成されている場合には、各セルの平面方向での中央部とする。なお、MEAからアノードとカソードの引き剥がしの際に、アノード触媒層の一部あるいはカソード触媒層の一部が残留した場合には、その部分を治具により掻き取り加えるものとする。 From the MEA of the fuel cell whose thickness has been measured, the MEA cut out for measuring the amount of noble metal is first peeled off to the anode and the cathode. Next, the whole area is cut out to 2 cm 2 and placed in a container, 250 mL of a hydrochloric acid / nitric acid mixed solution is added, and a thermal decomposition treatment is performed at 140 ° C. for 2 hours. Here, when the MEA is composed of a plurality of cells, the cut-out from the MEA is the central portion in the planar direction of each cell. When part of the anode catalyst layer or part of the cathode catalyst layer remains when the anode and cathode are peeled from the MEA, the part is scraped off with a jig.
得られた加熱分解後の液体を(xmL)ICP測定にかける(加圧酸分解−ICP発光分光法)。装置は、サーモフィッシャーサイエンティフィック(株)製 IRIS Advantageを使用した。 The obtained liquid after thermal decomposition is subjected to (xmL) ICP measurement (pressure acid decomposition-ICP emission spectroscopy). As the apparatus, IRIS Advantage manufactured by Thermo Fisher Scientific Co., Ltd. was used.
測定条件は以下に示す通りである。 The measurement conditions are as shown below.
白金(Ptの場合)
積分時間 2sec
積分回数 5times
ホトマル電圧 H
高周波出力 1.2kW
測光高さ 10mm
キャリアガス流量 0.9L/min
プラズマガス流量 16L/min
補助ガス流量 0.5L/min
スリット幅 常
波長 214.4nm
ルテニウム(Ru)の場合
積分時間 2sec
積分回数 5times
ホトマル電圧 H
高周波出力 1.2kW
測光高さ 15mm
キャリアガス流量 0.9L/min
プラズマガス流量 16L/min
補助ガス流量 0.5L/min
スリット幅 常
波長 240.3nm
ICP測定で得られた貴金属量(yμg)とICP測定に使用したサンプル量(XmL)、さらに溶解用酸容量250mLから、サンプル中の貴金属量を次の式で算出する。
Platinum (in the case of Pt)
Number of integrations 5times
Photomal voltage H
High frequency output 1.2kW
Metering height 10mm
Carrier gas flow rate 0.9L / min
Plasma gas flow rate 16L / min
Auxiliary gas flow rate 0.5L / min
Slit width Normal wavelength 214.4nm
Ruthenium (Ru)
Number of integrations 5times
Photomal voltage H
High frequency output 1.2kW
Metering height 15mm
Carrier gas flow rate 0.9L / min
Plasma gas flow rate 16L / min
Auxiliary gas flow rate 0.5L / min
Slit width Normal wavelength 240.3nm
From the amount of precious metal obtained by ICP measurement (y μg), the amount of sample used for ICP measurement (XmL), and the acid volume for dissolution of 250 mL, the amount of precious metal in the sample is calculated by the following equation.
サンプル中の貴金属量(μg)=(y/X)×250で得ることができる。得られた貴金属量(μg)とサンプル面積から、貴金属目付け量(mg/cm2)を算出する。 The amount of noble metal in the sample (μg) = (y / X) × 250. A precious metal weight per unit area (mg / cm 2 ) is calculated from the obtained precious metal amount (μg) and the sample area.
そして、貴金属重量密度は以下の式により算出する。 And precious metal weight density is computed by the following formula | equation.
貴金属重量密度ρ(g/cm3)=ρ(g/cc)=サンプル中の貴金属量/サンプル面積/触媒層厚さ
本発明に適用可能な燃料電池は、その形態から、液体燃料と酸化剤の供給をポンプなどの補器を用いて行うアクティブ型燃料電池、液体燃料の気化成分をアノードに供給するパッシブ型(内部気化型)燃料電池、図1に示すセミパッシブ型の燃料電池などが挙げられる。アクティブ型燃料電池では、メタノール水溶液からなる燃料について、その量が一定になるようにポンプで調整しながらMEAのアノードへ供給する一方、カソードに対しても空気をポンプで供給する方式が採られる。パッシブ型燃料電池では、MEAのアノードに気化したメタノールを自然供給で送り、一方カソードに対しても外部の空気を自然供給することで、ポンプなどの余計な機器を装備しない方式が採られる。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料収容部から膜電極接合体に供給された燃料は発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部に戻されることはない。セミパッシブ型の燃料電池では、燃料を循環させないことから、アクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、セミパッシブ型の燃料電池は、燃料の供給にポンプを使用しており、内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。なお、このセミパッシブ型の燃料電池では、燃料収容部から膜電極接合体への燃料供給が行われる構成であればポンプに代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられる。
Noble metal weight density ρ (g / cm 3 ) = ρ (g / cc) = Noble metal amount in sample / sample area / catalyst layer thickness The fuel cell applicable to the present invention has a liquid fuel and an oxidant because of its form. Active type fuel cell that supplies the fuel using an auxiliary device such as a pump, a passive type (internal vaporization type) fuel cell that supplies a vaporized component of liquid fuel to the anode, and a semi-passive type fuel cell shown in FIG. It is done. The active fuel cell employs a system in which a fuel made of an aqueous methanol solution is supplied to the anode of the MEA while being adjusted by a pump so that the amount thereof is constant, and air is also supplied to the cathode by a pump. In the passive type fuel cell, a system in which vaporized methanol is naturally supplied to the anode of the MEA and natural air is also supplied to the cathode and no extra equipment such as a pump is provided. In the semi-passive type fuel cell, the fuel supplied from the fuel storage part to the membrane electrode assembly is used for the power generation reaction, and is not circulated thereafter and returned to the fuel storage part. The semi-passive type fuel cell is different from the active method because it does not circulate the fuel, and does not impair the downsizing of the device. Further, the semi-passive type fuel cell uses a pump for supplying fuel, and is different from a pure passive type such as an internal vaporization type. In this semi-passive type fuel cell, a fuel cutoff valve may be arranged in place of the pump as long as fuel is supplied from the fuel storage portion to the membrane electrode assembly. In this case, the fuel cutoff valve is provided to control the supply of liquid fuel through the flow path.
上述した実施形態の燃料電池は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。さらに、上述した実施形態は、燃料電池本体の構成として燃料の供給にポンプを使用したセミパッシブ型のものを例に挙げて説明したが、内部気化型のような純パッシブ型の燃料電池に対しても本発明を適用することが可能である。 The fuel cell of the above-described embodiment is effective when various liquid fuels are used, and the type and concentration of the liquid fuel are not limited. Further, the above-described embodiment has been described by taking a semi-passive type using a pump for supplying fuel as an example of the configuration of the fuel cell main body, but for a purely passive type fuel cell such as an internal vaporization type However, the present invention can be applied.
以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(例1)
<アノードの作製>
白金担持カーボン(カーボン担体:ケッチェンブラック、白金含有量:50質量%)粒子8%と、DE2020(デュポン社製)からなるパーフルオロスルホン酸重合体と、溶媒とをホモジナイザで混合して約20%固形分のスラリーを作製し、これをアノードガス拡散層である圧縮加工されたカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−120)の一方の面にダイコーターを用いて塗布した。そしてこれを常温乾燥してアノード触媒層を形成した。
(Example 1)
<Production of anode>
A platinum-supporting carbon (carbon carrier: ketjen black, platinum content: 50% by mass)
<カソードの作製>
白金ルテニウム担持カーボン(カーボン担体:ケッチェンブラック、白金含有量:50質量%)粒子7%と、DE2020(デュポン社製)からなるパーフルオロスルホン酸重合体とをホモジナイザで混合して約15%のスラリーを作製し、これをカソードガス拡散層であるカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−090)の一方の面にダイコーター法により塗布、乾燥してカソード触媒層を形成した。
<Production of cathode>
Platinum ruthenium-supported carbon (carbon carrier: ketjen black, platinum content: 50% by mass)
<MEAの作製>
電解質膜として、ナフィオン112(デュポン社製)からなる固体電解質膜を用い、最初にこの電解質膜とカソードを触媒層が電解質膜側になるように重ね合わせ、さらに、電解質膜のカソードを重ね合わせたのと逆の面に触媒層が電解質膜側になるようにアノードを重ね合わせ、温度が150℃、圧力が40kgf/cm2の条件でプレスし、膜電極接合体(MEA)を作製した。なお、電極面積は、カソード、アノードともに12cm2とした。
<Production of MEA>
As the electrolyte membrane, a solid electrolyte membrane made of Nafion 112 (manufactured by DuPont) was used. First, the electrolyte membrane and the cathode were overlapped so that the catalyst layer was on the electrolyte membrane side, and the electrolyte membrane cathode was further overlapped. An anode was placed on the opposite side of the anode so that the catalyst layer was on the electrolyte membrane side, and pressed under conditions of a temperature of 150 ° C. and a pressure of 40 kgf / cm 2 to prepare a membrane electrode assembly (MEA). The electrode area was 12 cm 2 for both the cathode and anode.
この膜電極接合体を、空気および気化したメタノールを取り入れるための複数の開孔を有する金箔で挟み、厚さが60μmのアノード導電層および厚さが60μmのカソード導電層を形成した。 This membrane / electrode assembly was sandwiched between gold foils having a plurality of openings for taking in air and vaporized methanol to form an anode conductive layer having a thickness of 60 μm and a cathode conductive layer having a thickness of 60 μm.
上記の膜電極接合体(MEA)、アノード導電層、カソード導電層が積層された積層体を樹脂製の2つのフレームで挟み込んだ。なお、膜電極接合体のカソード側と一方のフレームとの間、膜電極接合体のアノード側と他方のフレームとの間には、それぞれゴム製のOリングを挟持してシールを施した。 The laminate in which the membrane electrode assembly (MEA), the anode conductive layer, and the cathode conductive layer were laminated was sandwiched between two resin frames. A rubber O-ring was sandwiched between the cathode side of the membrane electrode assembly and one frame, and between the anode side of the membrane electrode assembly and the other frame, respectively.
また、アノード側のフレームは、気液分離膜を介して液体燃料収容室にネジ止めによって固定した。気液分離膜には、厚さ0.2mmのシリコーンシートを使用した。一方、カソード側のフレーム上には、気孔率が28%で、厚さが750μmの多孔質板を配置し、保湿層を形成した。この保湿層上には、空気取り入れのための空気導入口(口径4mm、口数64個)が形成された厚さが2mmのステンレス板(SUS304)を配置してカバープレートを形成し、ネジ止めによって固定した。 The anode side frame was fixed by screwing to the liquid fuel storage chamber through a gas-liquid separation membrane. A 0.2 mm thick silicone sheet was used for the gas-liquid separation membrane. On the other hand, on the cathode side frame, a porous plate having a porosity of 28% and a thickness of 750 μm was arranged to form a moisture retaining layer. On this moisturizing layer, a stainless steel plate (SUS304) having a thickness of 2 mm with air inlets (4 mm diameter, 64 holes) for air intake is arranged to form a cover plate, and screwed Fixed.
上記したように形成された燃料電池の液体燃料収容室に、純メタノールをポンプでカソード温度が55℃になるように制御しながら注入する。温度25℃、相対湿度50%の環境で、初期出力及び出力維持率を下記の方法で測定し、その結果を下記表1に示す。 Pure methanol is injected into the liquid fuel storage chamber of the fuel cell formed as described above while controlling the cathode temperature to 55 ° C. with a pump. In an environment of a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%, the initial output and the output retention rate were measured by the following method, and the results are shown in Table 1 below.
温度が25℃、相対湿度が50%の環境の下、上記したように作製した燃料電池に、純度99.9重量%の純メタノールを供給した。また、定電圧電源を接続して、燃料電池の出力電圧が0.35V(1MEAにつき)で一定になるように、燃料電池に流れる電流を制御し、このとき、燃料電池から得られる出力密度を計測した。ここで、燃料電池の出力密度(mW/cm2)とは、燃料電池に流れる電流密度(発電部の面積1cm2当りの電流値(mA/cm2))に燃料電池の出力電圧を乗じたものである。初期出力は発電開始から10〜20hの出力密度を平均したものとする。出力維持率は、1000h後の出力密度を初期出力で割ったものを%で表したものである。 In an environment where the temperature was 25 ° C. and the relative humidity was 50%, pure methanol having a purity of 99.9% by weight was supplied to the fuel cell produced as described above. A constant voltage power supply is connected to control the current flowing through the fuel cell so that the output voltage of the fuel cell becomes constant at 0.35 V (per 1 MEA). At this time, the output density obtained from the fuel cell is controlled. Measured. Here, the output density (mW / cm 2 ) of the fuel cell is obtained by multiplying the current density flowing through the fuel cell (current value per 1 cm 2 area of the power generation unit (mA / cm 2 )) by the output voltage of the fuel cell. Is. The initial output is obtained by averaging the output density of 10 to 20 hours from the start of power generation. The output maintenance ratio is obtained by dividing the output density after 1000 hours by the initial output in%.
また、前述した方法により各構成部材の厚さを測定し、セル厚さT、触媒層の厚さ比(Ta/Tc)、カソードの厚さ比(Tc/Cd)及びアノードの厚さ比(Ta/Ad)を下記表1に併記する。なお、酸素導入部40は、カバープレート、保湿層、導電層及びフレームを有し、酸素導入部40の厚さCoは1710μmであった。カソードの厚さCdが310μm、アノードの厚さAdが470μm、電解質膜Teの厚さが50μm、膜電極接合体の厚さTMが830μmであった。燃料導入部30は、気液分離膜、導電層及びフレームを有し、燃料導入部30の厚さAfが450μmであった。
Further, the thickness of each constituent member is measured by the method described above, and the cell thickness T, the catalyst layer thickness ratio (T a / T c ), the cathode thickness ratio (T c / C d ), and the anode The thickness ratio (T a / A d ) is also shown in Table 1 below. The
さらに、カソード触媒層及びアノード触媒層それぞれの貴金属重量密度を前述した方法で測定し、その結果を下記表1に示す。 Further, the noble metal weight density of each of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer was measured by the method described above, and the results are shown in Table 1 below.
(例2〜9)
MEA作製時のプレス条件を変更することでカソード触媒層及びアノード触媒層の厚さを変化させることにより、セル厚さT、貴金属重量密度、触媒層の厚さ比(Ta/Tc)、カソードの厚さ比(Tc/Cd)及びアノードの厚さ比(Ta/Ad)を下記表1に示すように変更すること以外は、例1と同様にして燃料電池を製造した。得られた燃料電池の初期出力及び出力維持率を例1と同様な条件で測定し、その結果を下記表1に示す。
(Examples 2-9)
By changing the thickness of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer by changing the pressing conditions during MEA fabrication, the cell thickness T, the noble metal weight density, the catalyst layer thickness ratio (T a / T c ), A fuel cell was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the cathode thickness ratio (T c / C d ) and the anode thickness ratio (T a / A d ) were changed as shown in Table 1 below. . The initial output and output retention rate of the obtained fuel cell were measured under the same conditions as in Example 1, and the results are shown in Table 1 below.
(例10)
触媒層の厚さ比(Ta/Tc)が1.55で、アノード触媒層の貴金属重量密度が0.889g/ccのアノードを含む膜電極接合体の作製を試みたところ、プレス成形の際にアノード触媒層が破壊され、膜電極接合体を得ることができなかった。
(Example 10)
An attempt was made to produce a membrane electrode assembly including an anode having a catalyst layer thickness ratio (T a / T c ) of 1.55 and an anode catalyst layer having a noble metal weight density of 0.889 g / cc. At this time, the anode catalyst layer was destroyed, and a membrane electrode assembly could not be obtained.
表1から明らかな通りに、カソード触媒層及びアノード触媒層の少なくとも一方の貴金属重量密度が0.2g/cc以上0.8g/cc以下であり、かつ厚さ比(Ta/Tc)が1以上の例1〜例8は、アノード触媒層の貴金属重量密度が前記範囲内にあるものの、厚さ比(Ta/Tc)が1未満の例9に比して初期出力または出力維持率が高く、出力性能に優れていることがわかる。 As is apparent from Table 1, the weight density of at least one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer is 0.2 g / cc or more and 0.8 g / cc or less, and the thickness ratio (T a / T c ) is One or more Examples 1 to 8 have an initial output or an output maintaining as compared with Example 9 in which the thickness ratio (T a / T c ) is less than 1 although the noble metal weight density of the anode catalyst layer is within the above range. It can be seen that the rate is high and the output performance is excellent.
例1〜例7の比較により、カソード触媒層及びアノード触媒層の双方の貴金属重量密度が0.2g/cc以上0.8g/cc以下の例1〜例5は、初期出力と出力維持率の双方が、カソード触媒層またはアノード触媒層の一方のみの貴金属重量密度が前記範囲を満たす例6,7に比して優れていることがわかる。 By comparing Examples 1 to 7, Examples 1 to 5 in which the noble metal weight density of both the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer is 0.2 g / cc to 0.8 g / cc It can be seen that both are superior to Examples 6 and 7 in which the noble metal weight density of only one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer satisfies the above range.
また、例1〜例5,例8の比較により、カソードの厚さ比(Tc/Cd)及びアノードの厚さ比(Ta/Ad)が(2)、(3)式を満たす例1〜例5は、初期出力と出力維持率の双方が、例8(カソードの厚さ比(Tc/Cd)が(2)式を満たさない)に比して優れていることがわかる。 Further, by comparing Example 1 to Example 5 and Example 8, the cathode thickness ratio (T c / C d ) and the anode thickness ratio (T a / A d ) satisfy the expressions (2) and (3). In Examples 1 to 5, both the initial output and the output retention ratio are superior to Example 8 (the cathode thickness ratio (T c / C d ) does not satisfy the formula (2)). Recognize.
本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではない。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜組み合わせたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除する等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。 The present invention can be applied to various fuel cells using liquid fuel. Further, the specific configuration of the fuel cell, the supply state of the fuel, and the like are not particularly limited. In the implementation stage, the constituent elements can be modified and embodied without departing from the technical idea of the present invention. Furthermore, various modifications are possible, such as appropriately combining a plurality of constituent elements shown in the above embodiment, or deleting some constituent elements from all the constituent elements shown in the embodiment. Embodiments of the present invention can be expanded or modified within the scope of the technical idea of the present invention, and these expanded and modified embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
1…膜電極接合体(MEA)、2…燃料供給部(燃料分配機構)、3…燃料収容部、4…流路、5…アノード、6…カソード、7…電解質膜、8…アノード触媒層、9…アノードガス拡散層、11…カソード触媒層、12…カソードガス拡散層、13…カソード導電層、14…アノード導電層、15…Oリング、16…カバープレート、16a…開口部、17…ポンプ、18…保湿層、21…燃料注入口、22…燃料排出口、23…燃料分配板、24…空隙部、30…燃料導入部、40…酸化剤導入部、100…燃料電池。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
カソード触媒層、及び、前記カソード触媒層の一方の面に面して設けられたカソードガス拡散層を含むカソードと、
前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の間に配置された電解質膜と
を含む膜電極接合体を備え、
前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層は、少なくとも一方の貴金属重量密度が0.2g/cc以上0.8g/cc以下であり、かつ下記(1)式を満たすことを特徴とする燃料電池。
1≦(Ta/Tc) (1)
但し、Tcは前記カソード触媒層の厚さで、Taは前記アノード触媒層の厚さである。 An anode including an anode catalyst layer, and an anode gas diffusion layer provided facing one side of the anode catalyst layer;
A cathode including a cathode catalyst layer, and a cathode gas diffusion layer provided facing one side of the cathode catalyst layer;
A membrane electrode assembly including an electrolyte membrane disposed between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer;
The anode catalyst layer and the cathode catalyst layer have a noble metal weight density of 0.2 g / cc or more and 0.8 g / cc or less and satisfy the following formula (1).
1 ≦ (T a / T c ) (1)
However, the T c in the thickness of the cathode catalyst layer, T a is the thickness of the anode catalyst layer.
0.1≦(Tc/Cd)≦0.5 (2)
但し、Cdは前記カソードの厚さで、Tcは前記カソード触媒層の厚さである。 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the anode catalyst layer has a noble metal weight density of 0.2 g / cc or more and 0.8 g / cc or less, and the cathode satisfies the following expression (2).
0.1 ≦ (T c / C d ) ≦ 0.5 (2)
Where C d is the thickness of the cathode and T c is the thickness of the cathode catalyst layer.
0.1≦(Ta/Ad)≦0.6 (3)
但し、Adは前記アノードの厚さで、Taは前記アノード触媒層の厚さである。 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the cathode catalyst layer has a noble metal weight density of 0.2 g / cc or more and 0.8 g / cc or less, and the anode satisfies the following expression (3).
0.1 ≦ (T a / A d ) ≦ 0.6 (3)
However, the A d in the thickness of the anode, T a is the thickness of the anode catalyst layer.
前記アノード拡散層に面して設けられ、燃料取入面を有する燃料導入部と
前記燃料導入部の前記燃料取入面に面した燃料排出口を有し、前記燃料排出口を通して前記燃料導入部に燃料を供給する燃料供給部とを備え、
前記酸化剤導入部の前記外表面から前記燃料導入部の前記燃料取入面までの厚さが700μm以上900μm以下であることを特徴とする請求項1〜6いずれか1項記載の燃料電池。 An oxidant introduction part provided facing the cathode diffusion layer and having an opening for taking in an oxidant on the outer surface;
A fuel introduction portion provided facing the anode diffusion layer and having a fuel intake surface; and a fuel discharge port facing the fuel intake surface of the fuel introduction portion, and the fuel introduction portion passing through the fuel discharge port. A fuel supply unit for supplying fuel to
The fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein a thickness from the outer surface of the oxidant introduction portion to the fuel intake surface of the fuel introduction portion is 700 µm or more and 900 µm or less.
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