JP2011113882A - Fuel cell - Google Patents

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亨 矢嶋
Risa Aoki
里紗 青木
Nobuyasu Negishi
信保 根岸
Yuichi Sato
雄一 佐藤
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    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of stably obtaining a high power by decreasing a temperature difference. <P>SOLUTION: The fuel cell includes a membrane electrode assembly 2 having an electrolyte membrane 17, an anode 13 arranged on one surface of the electrolyte membrane 17, and a cathode 16 arranged on the other surface of the electrolyte membrane 17; a fuel supply mechanism 3 arranged on the anode side of the membrane electrode assembly 2 and supplying fuel to the anode; and a heat conductor 40 arranged between the fuel supply mechanism 3 and the anode 13 and coming in contact with the fuel supply mechanism 3. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

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

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

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

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

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

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

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

DMFCにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はDMFCの小型化に対して有利である。パッシブ型DMFCは、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)を備えて構成されている。   As the liquid fuel supply method in the DMFC, there are known an active method such as a gas supply type and a liquid supply type, and a passive method such as an internal vaporization type in which the liquid fuel in the fuel container is vaporized inside the cell and supplied to the fuel electrode. It has been. Among these, passive methods such as an internal vaporization type are advantageous for downsizing the DMFC. The passive DMFC includes a membrane electrode assembly (MEA) having a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode, for example.

このような膜電極接合体の面内において、意図しない温度ばらつきが生じることがある。特に、膜電極接合体の周辺部では比較的放熱が促進されるのに対して、中央部では熱が逃げにくく、周辺部と中央部とで大きな温度差が生じやすくなる。   An unintended temperature variation may occur in the surface of such a membrane electrode assembly. In particular, heat dissipation is relatively promoted in the peripheral part of the membrane electrode assembly, whereas heat is difficult to escape in the central part, and a large temperature difference tends to occur between the peripheral part and the central part.

また、このような温度差に伴って液体の燃料が気化して生じる燃料の気化成分の蒸気圧にも差が生じ、膜電極接合体において発電反応に必要な燃料の授受が阻害され、結果として、出力の低下や不安定化を招くおそれがある。このような気化成分の供給の不安定は、燃料電池全体の温度が高く且つ気化燃料の蒸気圧が全体に高く保たれている場合には余り生じない。しかし、携帯用電子機器等の電源として用いる燃料電池では、安全性等の観点から、燃料電池全体の温度も低く抑制する必要があり、この場合には、気化成分の蒸気圧が全体に低いため、僅かな温度差による蒸気圧の差が、出力の安定性に対して大きく影響することになる。   In addition, due to such a temperature difference, a difference occurs in the vapor pressure of the vaporized component of the fuel generated by the vaporization of the liquid fuel, and the transfer of the fuel necessary for the power generation reaction in the membrane electrode assembly is hindered. There is a risk of lowering output or destabilization. Such unstable supply of vaporized components does not occur much when the temperature of the entire fuel cell is high and the vapor pressure of the vaporized fuel is kept high throughout. However, in a fuel cell used as a power source for portable electronic devices and the like, it is necessary to suppress the temperature of the entire fuel cell from the viewpoint of safety and the like. In this case, the vapor pressure of the vaporized component is low overall. A difference in vapor pressure due to a slight temperature difference greatly affects the output stability.

この発明の目的は、安定して高い出力を得ることが可能な燃料電池を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of stably obtaining a high output.

この発明の一態様によれば、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置されたアノードと、前記電解質膜の他方の面に配置されたカソードと、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体のアノード側に配置され、前記アノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構と、
前記燃料供給機構と前記アノードとの間に配置されるとともに前記燃料供給機構に接する熱伝導体と、
を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。
According to one aspect of the invention,
A membrane electrode assembly comprising: an electrolyte membrane; an anode disposed on one surface of the electrolyte membrane; and a cathode disposed on the other surface of the electrolyte membrane;
A fuel supply mechanism disposed on the anode side of the membrane electrode assembly and supplying fuel toward the anode;
A heat conductor disposed between the fuel supply mechanism and the anode and in contact with the fuel supply mechanism;
A fuel cell comprising: is provided.

この発明の他の態様によれば、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置されたアノードと、前記電解質膜の他方の面に配置されたカソードと、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体のアノード側に配置され、前記アノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構と、
前記燃料供給機構と前記アノードとの間に配置された気液分離膜と、
前記燃料供給機構と前記気液分離膜との間に配置されるとともに前記気液分離膜から離間した熱伝導体と、
を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。
According to another aspect of the invention,
A membrane electrode assembly comprising: an electrolyte membrane; an anode disposed on one surface of the electrolyte membrane; and a cathode disposed on the other surface of the electrolyte membrane;
A fuel supply mechanism disposed on the anode side of the membrane electrode assembly and supplying fuel toward the anode;
A gas-liquid separation membrane disposed between the fuel supply mechanism and the anode;
A heat conductor disposed between the fuel supply mechanism and the gas-liquid separation membrane and spaced from the gas-liquid separation membrane;
A fuel cell comprising: is provided.

この発明によれば、安定して高い出力を得ることが可能な燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, a fuel cell capable of stably obtaining a high output can be provided.

図1は、この発明の一実施の形態における燃料電池のカソード側の外観を示す平面図である。FIG. 1 is a plan view showing the appearance of the cathode side of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 図2は、図1に示した燃料電池を第1方向に沿って切断した構造を概略的に示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a structure in which the fuel cell shown in FIG. 1 is cut along the first direction. 図3は、図2に示した燃料電池の燃料供給機構における燃料分配板を膜電極接合体が重なる上面から見た上面図である。FIG. 3 is a top view of the fuel distribution plate in the fuel supply mechanism of the fuel cell shown in FIG. 2 as viewed from the top where the membrane electrode assemblies overlap. 図4は、図2に示した燃料電池に適用可能な熱伝導体の構造を概略的に示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view schematically showing a structure of a heat conductor applicable to the fuel cell shown in FIG. 図5は、他の実施形態における燃料電池を第1方向に沿って切断した構造を概略的に示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a structure in which a fuel cell according to another embodiment is cut along a first direction. 図6は、他の実施形態における燃料電池を第1方向に沿って切断した構造を概略的に示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a structure in which a fuel cell according to another embodiment is cut along a first direction. 図7は、他の実施形態における燃料電池を第1方向に沿って切断した構造を概略的に示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a structure in which a fuel cell according to another embodiment is cut along a first direction. 図8は、他の実施形態における燃料電池を第1方向に沿って切断した構造を概略的に示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a structure in which a fuel cell according to another embodiment is cut along a first direction. 図9は、他の実施形態における燃料電池を第1方向に沿って切断した構造を概略的に示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a structure in which a fuel cell according to another embodiment is cut along a first direction. 図10は、他の実施形態における燃料電池を第1方向に沿って切断した構造を概略的に示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing a structure in which a fuel cell according to another embodiment is cut along a first direction. 図11は、性能評価を行った際の出力密度の測定結果を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating a measurement result of the output density when the performance evaluation is performed.

以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。   A fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、この実施の形態に係る燃料電池(DMFC)1のカソード側の外観を示す平面図である。   FIG. 1 is a plan view showing the appearance of the cathode side of a fuel cell (DMFC) 1 according to this embodiment.

この燃料電池1は、略矩形平板状に形成されている。図1に示した平面図では、燃料電池1は、長方形状であり、第1方向Xに沿って延びた一対の長辺L1及び長辺L2と、第1方向Xに直交する第2方向Yに沿って延びた一対の短辺S1及び短辺S2と、を有している。   The fuel cell 1 is formed in a substantially rectangular flat plate shape. In the plan view shown in FIG. 1, the fuel cell 1 has a rectangular shape, a pair of long side L1 and long side L2 extending along the first direction X, and a second direction Y orthogonal to the first direction X. And a pair of short sides S1 and S2 extending along the line.

燃料電池1は、起電部を構成する膜電極接合体(MEA)2を備えている。この膜電極接合体2は、略矩形状に形成されている。この膜電極接合体2は、その詳細な構造については後に説明するが、ここでは複数、たとえば4つの単セルCL1乃至CL4を備えている。単セルCL1乃至CL4のそれぞれは、同一平面上において、第1方向Xに沿って延在した略長方形状であり、第2方向Yに間隔をおいて並んで配置されている。   The fuel cell 1 includes a membrane electrode assembly (MEA) 2 constituting an electromotive unit. The membrane electrode assembly 2 is formed in a substantially rectangular shape. The detailed structure of the membrane electrode assembly 2 will be described later, but here, a plurality of, for example, four single cells CL1 to CL4 are provided. Each of the single cells CL1 to CL4 has a substantially rectangular shape extending along the first direction X on the same plane, and is arranged side by side in the second direction Y.

膜電極接合体2のカソード側に位置する燃料電池1の表面には、カバープレート21が配置されている。カバープレート21は、外観が略矩形状であり、例えばステンレス鋼(SUS)によって形成されている。このカバープレート21には、主として酸化剤である空気、特に酸素の取り込みを可能とする複数の開口部21Hが形成されている。   A cover plate 21 is disposed on the surface of the fuel cell 1 located on the cathode side of the membrane electrode assembly 2. The cover plate 21 has a substantially rectangular appearance, and is made of, for example, stainless steel (SUS). The cover plate 21 is formed with a plurality of openings 21 </ b> H that can mainly take in air as an oxidant, particularly oxygen.

なお、膜電極接合体2のアノード側には、膜電極接合体2に燃料を供給する燃料供給機構(図示しない)が配置されている。カバープレート21は、燃料供給機構との間に膜電極接合体2を保持した状態で、燃料電池1の各長辺L1及びL2、及び、各短辺S1及びS2において燃料供給機構に締結されている。   A fuel supply mechanism (not shown) that supplies fuel to the membrane electrode assembly 2 is disposed on the anode side of the membrane electrode assembly 2. The cover plate 21 is fastened to the fuel supply mechanism at each of the long sides L1 and L2 and the short sides S1 and S2 of the fuel cell 1 with the membrane electrode assembly 2 held between the cover plate 21 and the fuel supply mechanism. Yes.

図2は、図1に示した燃料電池1を第1方向Xに沿って切断した断面を概略的に示す図である。   FIG. 2 is a view schematically showing a cross section of the fuel cell 1 shown in FIG. 1 cut along the first direction X. As shown in FIG.

燃料電池1は、膜電極接合体2を備えている。膜電極接合体2は、アノード(燃料極)13と、カソード(空気極あるいは酸化剤極)16と、アノード13とカソード16とで挟持されたプロトン(水素イオン)伝導性の電解質膜17と、を備えて構成されている。アノード13は、アノード触媒層11と、このアノード触媒層11に積層されたアノードガス拡散層12とを有している。アノード触媒層11は、電解質膜17の一方の面17Aに積層されている。カソード16は、カソード触媒層14と、このカソード触媒層14に積層されたカソードガス拡散層15とを有している。カソード触媒層14は、電解質膜17の他方の面17Cに積層されている。   The fuel cell 1 includes a membrane electrode assembly 2. The membrane electrode assembly 2 includes an anode (fuel electrode) 13, a cathode (air electrode or oxidant electrode) 16, a proton (hydrogen ion) conductive electrolyte membrane 17 sandwiched between the anode 13 and the cathode 16, It is configured with. The anode 13 includes an anode catalyst layer 11 and an anode gas diffusion layer 12 laminated on the anode catalyst layer 11. The anode catalyst layer 11 is laminated on one surface 17A of the electrolyte membrane 17. The cathode 16 has a cathode catalyst layer 14 and a cathode gas diffusion layer 15 laminated on the cathode catalyst layer 14. The cathode catalyst layer 14 is laminated on the other surface 17C of the electrolyte membrane 17.

図1に示した各単セルCL1乃至CL4は、電解質膜17を挟んで対向するアノード13及びカソード16によって構成されている。つまり、図1に示した4つの単セルCL1乃至CL4を備えた膜電極接合体2では、詳述しない4つのアノード13が単一の電解質膜17における一方の面17Aの上において第2方向Yに間隔をおいて配置され、また、4つのカソード16が電解質膜17における他方の面17Cの上において第2方向Yに間隔をおいて配置されている。   Each of the single cells CL1 to CL4 shown in FIG. 1 includes an anode 13 and a cathode 16 that face each other with the electrolyte membrane 17 interposed therebetween. That is, in the membrane electrode assembly 2 including the four single cells CL1 to CL4 shown in FIG. 1, the four anodes 13 not described in detail are arranged in the second direction Y on the one surface 17A of the single electrolyte membrane 17. The four cathodes 16 are arranged on the other surface 17C of the electrolyte membrane 17 at intervals in the second direction Y.

このような膜電極接合体2は、本実施の形態においては集電体18によって挟持されている。集電体18は、ベース絶縁層BF、ベース絶縁層BFの上に配置されたアノード集電部18A、及び、ベース絶縁層BFのアノード集電部18Aが配置された同一面上に配置されたカソード集電部18Cを有している。   Such a membrane electrode assembly 2 is sandwiched between current collectors 18 in the present embodiment. The current collector 18 is disposed on the same surface where the base insulating layer BF, the anode current collector 18A disposed on the base insulating layer BF, and the anode current collector 18A of the base insulating layer BF are disposed. It has a cathode current collector 18C.

アノード集電部18A及びカソード集電部18Cは、例えば、金、銅、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をそれぞれ使用して形成可能であり、さらには、グラファイト(黒鉛)などの炭素質材料を使用して形成しても良い。   The anode current collector 18A and the cathode current collector 18C are made of, for example, a porous layer (for example, a mesh) or a foil body made of a metal material such as gold, copper, or nickel, or a conductive metal material such as stainless steel (SUS). It can be formed by using a composite material coated with a highly conductive metal such as gold, or may be formed by using a carbonaceous material such as graphite (graphite).

図2に示した例では、アノード集電部18Aは、アノードガス拡散層12に積層されている。このアノード集電部18Aには、アノード13に向けて発電反応に必要な燃料の供給を可能とする開口部18AHが形成されている。また、カソード集電部18Cは、カソードガス拡散層15に積層されている。このカソード集電部18Cには、カソード16に向けて発電反応に必要な酸素の供給を可能とするとともに発電反応に伴って生成された二酸化炭素や過剰な水蒸気などの気体の外部への排出を可能とする開口部18CHが形成されている。このような構成の集電体18は、図1に示したような膜電極接合体2に備えられた複数の単セルCL1乃至CL4を電気的に直列に接続している。   In the example shown in FIG. 2, the anode current collector 18 </ b> A is stacked on the anode gas diffusion layer 12. The anode current collector 18A is formed with an opening 18AH that enables supply of fuel necessary for power generation reaction toward the anode 13. The cathode current collector 18C is stacked on the cathode gas diffusion layer 15. The cathode current collector 18C can supply oxygen necessary for the power generation reaction toward the cathode 16, and can discharge carbon dioxide, excess water vapor, and other gases generated during the power generation reaction to the outside. A possible opening 18CH is formed. The current collector 18 having such a configuration electrically connects a plurality of single cells CL1 to CL4 provided in the membrane electrode assembly 2 as shown in FIG.

集電体18は、本実施の形態のように、集電体18を二つ折りして膜電極接合体2を挟持した構造となっているが、この構造に限られるものではない。例えば、アノード集電部18Aおよびカソード集電部18Cを個々に独立して設けた個別の集電体を準備し、その個別の集電体により膜電極接合体2を挟持し、それら集電体の集電部同士を導電性の接続部材により、図1に示したような膜電極接合体2に備えられた複数の単セルCL1乃至CL4を電気的に直列に接続しても良い。   The current collector 18 has a structure in which the current collector 18 is folded in half and the membrane electrode assembly 2 is sandwiched as in the present embodiment, but is not limited to this structure. For example, individual current collectors in which the anode current collector 18A and the cathode current collector 18C are individually provided are prepared, and the membrane electrode assembly 2 is sandwiched between the individual current collectors. The plurality of single cells CL1 to CL4 provided in the membrane electrode assembly 2 as shown in FIG. 1 may be electrically connected in series with each other by using a conductive connecting member.

膜電極接合体2は、電解質膜17の一方の面17Aと集電体18との間及び電解質膜17の他方の面17Cと集電体18との間にそれぞれ挟持されたゴム製のOリング等のシール部材19によってシールされている。これにより、膜電極接合体2からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。なお、膜電極接合体2において、電解質膜17のうち、アノード触媒層11及びカソード触媒層14にともに接しておらず、かつシール部材19によって囲まれた内側に相当する位置に、1個乃至複数個のガス排出孔(図示せず)を設けても良い。   The membrane electrode assembly 2 includes rubber O-rings sandwiched between one surface 17A of the electrolyte membrane 17 and the current collector 18 and between the other surface 17C of the electrolyte membrane 17 and the current collector 18. It is sealed by a sealing member 19 such as. Thereby, fuel leakage and oxidant leakage from the membrane electrode assembly 2 are prevented. In the membrane electrode assembly 2, one or more electrolyte membranes 17 are not in contact with the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 and at positions corresponding to the inside surrounded by the seal member 19. Individual gas discharge holes (not shown) may be provided.

膜電極接合体2のカソード16の側において、集電体18とカバープレート21との間には、通気性を有する絶縁材料によって形成された板状体20が配置されている。この板状体20は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体20は、カソード触媒層14で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制するとともに、カバープレート21の開口部21Hから取り込んだ空気のカソード触媒層14への取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するものである。このような板状体20は、例えば、ポリエチレン製多孔質フィルム等からなる平板で構成される。   On the cathode 16 side of the membrane electrode assembly 2, a plate-like body 20 made of a breathable insulating material is disposed between the current collector 18 and the cover plate 21. This plate-like body 20 mainly functions as a moisture retaining layer. That is, the plate-like body 20 is impregnated with a part of the water generated in the cathode catalyst layer 14 to suppress water evaporation and to the cathode catalyst layer 14 of air taken in from the opening 21H of the cover plate 21. The amount of air taken in is adjusted and the uniform diffusion of air is promoted. Such a plate-like body 20 is comprised by the flat plate which consists of a polyethylene-made porous film etc., for example.

膜電極接合体2のアノード13の側には、燃料供給機構3が配置されている。つまり、膜電極接合体2は、アノード13の側に配置された燃料供給機構3とカソード16の側に配置されたカバープレート21との間に配置されている。燃料供給機構3は、膜電極接合体2のアノード13に対して燃料を供給するように構成されているが、特に、特定の構成に限定されるものではない。このような燃料供給機構3は、液体燃料Fを収容する燃料収容部4に流路5を介して接続されている。   A fuel supply mechanism 3 is disposed on the anode 13 side of the membrane electrode assembly 2. That is, the membrane electrode assembly 2 is disposed between the fuel supply mechanism 3 disposed on the anode 13 side and the cover plate 21 disposed on the cathode 16 side. The fuel supply mechanism 3 is configured to supply fuel to the anode 13 of the membrane electrode assembly 2, but is not particularly limited to a specific configuration. Such a fuel supply mechanism 3 is connected to a fuel storage portion 4 that stores the liquid fuel F via a flow path 5.

流路5は、配管などで構成されている。流路5は、燃料供給機構3や燃料収容部4と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給機構3と燃料収容部4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。すなわち、燃料供給機構3は、流路等を介して燃料収容部4と連通されていればよい。   The flow path 5 is comprised by piping etc. The flow path 5 is not limited to piping independent of the fuel supply mechanism 3 and the fuel storage unit 4. For example, when the fuel supply mechanism 3 and the fuel storage unit 4 are laminated and integrated, a flow path of the liquid fuel F that connects them may be used. That is, the fuel supply mechanism 3 only needs to communicate with the fuel storage unit 4 through a flow path or the like.

燃料収容部4に収容された液体燃料Fは、重力を利用して流路5を介して燃料供給機構3まで落下させて送液することができる。また、流路5に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料収容部4に収容された液体燃料Fを燃料供給機構3まで送液してもよい。さらに、流路5の一部にポンプ6を介在させて、燃料収容部4に収容された液体燃料Fを燃料供給機構3まで強制的に送液してもよい。   The liquid fuel F accommodated in the fuel accommodating portion 4 can be dropped and sent to the fuel supply mechanism 3 through the flow path 5 using gravity. Alternatively, the flow path 5 may be filled with a porous body or the like, and the liquid fuel F stored in the fuel storage unit 4 may be fed to the fuel supply mechanism 3 by capillary action. Further, the liquid fuel F stored in the fuel storage unit 4 may be forcibly sent to the fuel supply mechanism 3 by interposing a pump 6 in a part of the flow path 5.

なお、適用されるポンプ6は、燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部4から燃料供給機構3に向けて液体燃料Fを送液する燃料供給ポンプである。燃料供給機構3から膜電極接合体2に供給された燃料は、発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部4に戻されることはない。ポンプ6の種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料F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なものが好ましい。   The applied pump 6 is not a circulation pump that circulates fuel, but is a fuel supply pump that sends liquid fuel F from the fuel storage unit 4 toward the fuel supply mechanism 3 to the last. The fuel supplied from the fuel supply mechanism 3 to the membrane electrode assembly 2 is used for the power generation reaction, and is not circulated thereafter and returned to the fuel storage unit 4. The type of the pump 6 is not particularly limited, but a pump that can feed a small amount of liquid fuel F with good controllability and can be reduced in size and weight is preferable.

この実施の形態の燃料電池1は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、液体燃料の供給にポンプ6を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。図2に示す燃料電池1は、例えばセミパッシブ型と呼称される方式を適用したものである。   The fuel cell 1 of this embodiment is different from the conventional active method because it does not circulate the fuel, and does not impair the downsizing of the device. Further, the pump 6 is used to supply the liquid fuel, which is different from a pure passive system such as a conventional internal vaporization type. The fuel cell 1 shown in FIG. 2 employs a system called a semi-passive type, for example.

また、燃料供給機構3において、ポンプ6と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。また、燃料収容部4や流路5には、燃料収容部4内の圧力を外気とバランスさせるバランスバルブを装着してもよい。   In the fuel supply mechanism 3, a fuel cutoff valve may be disposed in series with the pump 6. Further, a balance valve that balances the pressure in the fuel storage unit 4 with the outside air may be attached to the fuel storage unit 4 and the flow path 5.

燃料収容部4には、膜電極接合体2に応じた液体燃料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。なお、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Fであってもよい。いずれにしても、燃料収容部4には、膜電極接合体2に応じた液体燃料Fが収容される。   Liquid fuel F corresponding to the membrane electrode assembly 2 is stored in the fuel storage portion 4. Examples of the liquid fuel F include methanol fuels such as methanol aqueous solutions having various concentrations and pure methanol. The liquid fuel F is not necessarily limited to methanol fuel. The liquid fuel F may be, for example, an ethanol fuel such as an ethanol aqueous solution or pure ethanol, a propanol fuel such as a propanol aqueous solution or pure propanol, a glycol fuel such as a glycol aqueous solution or pure glycol, dimethyl ether, formic acid, or other liquid fuel F. Good. In any case, the fuel containing portion 4 contains the liquid fuel F corresponding to the membrane electrode assembly 2.

以下に、燃料供給機構3の一例について説明する。   Hereinafter, an example of the fuel supply mechanism 3 will be described.

燃料供給機構3は、箱状に形成された容器30、及び、膜電極接合体2のアノード13の面方向(つまり、図中のX−Y平面内の方向)に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料分配板31を備えている。容器30は、流路5が接続される図示しない燃料導入口を有している。このような容器30を形成する樹脂材料としては、例えばポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、環状オレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルペンテン、ポリフェニルサルファイド(PPS)などが挙げられる。また、この容器30は、樹脂材料に代えてステンレス(SUS)や金属クラッド材などの金属材料を用いて形成することも可能である。   The fuel supply mechanism 3 disperses and diffuses fuel in the surface direction of the container 30 formed in a box shape and the anode 13 of the membrane electrode assembly 2 (that is, the direction in the XY plane in the drawing). A fuel distribution plate 31 is provided. The container 30 has a fuel inlet (not shown) to which the flow path 5 is connected. Examples of the resin material forming such a container 30 include polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), cyclic olefin copolymer, cycloolefin polymer, polymethylpentene, and polyphenyl sulfide (PPS). The container 30 can also be formed using a metal material such as stainless steel (SUS) or a metal clad material instead of the resin material.

燃料分配板31は、容器30の内側に形成された凹部に配置されている。この燃料分配板31は、平板状に形成されている。このような燃料分配板31には、複数の燃料排出口33が形成されている。このような燃料分配板31は、容器30の燃料導入口から供給された液体燃料をアノード13に向けて燃料排出口33から排出する。このような燃料分配板31は、液体燃料やその気化成分を透過させない材料によって形成され、例えば、ポリエチレンナフタレート(PEN)樹脂、ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂、ポリイミド系樹脂などの各種樹脂材料を用いて形成されている。   The fuel distribution plate 31 is disposed in a recess formed inside the container 30. The fuel distribution plate 31 is formed in a flat plate shape. The fuel distribution plate 31 has a plurality of fuel discharge ports 33 formed therein. Such a fuel distribution plate 31 discharges the liquid fuel supplied from the fuel introduction port of the container 30 toward the anode 13 from the fuel discharge port 33. Such a fuel distribution plate 31 is formed of a material that does not allow liquid fuel and its vaporized components to permeate. Is formed.

なお、この燃料分配板31は、たとえば、液体燃料とその気化成分とを分離し、気化成分を膜電極接合体2に向けて透過させる気液分離膜で構成しても良い。この気液分離膜には、例えば、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン(LDPE)薄膜、ポリ塩化ビニル(PVC)薄膜、ポリエチレンテレフタレート(PET)薄膜、フッ素樹脂(たとえばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)など)微多孔膜などが適用可能である。   The fuel distribution plate 31 may be constituted by a gas-liquid separation membrane that separates liquid fuel and its vaporized component and allows the vaporized component to permeate toward the membrane electrode assembly 2. Examples of the gas-liquid separation membrane include silicone rubber, low density polyethylene (LDPE) thin film, polyvinyl chloride (PVC) thin film, polyethylene terephthalate (PET) thin film, fluororesin (for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoro An ethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA) or the like) microporous film or the like is applicable.

燃料供給機構3と膜電極接合体2のアノード13との間には、熱伝導体40が配置されている。この熱伝導体40は、燃料供給機構3に接している。このような熱伝導体40は、X−Y平面に略平行な平板状に形成されている。ここで、『熱伝導体40が燃料供給機構3に接している』状態とは、X−Y平面における熱伝導体40の下面が燃料供給機構3に接している状態に相当し、図2に示した例では、熱伝導体40は、燃料分配板31に接している。   A heat conductor 40 is disposed between the fuel supply mechanism 3 and the anode 13 of the membrane electrode assembly 2. The heat conductor 40 is in contact with the fuel supply mechanism 3. Such a heat conductor 40 is formed in a flat plate shape substantially parallel to the XY plane. Here, the state in which “the heat conductor 40 is in contact with the fuel supply mechanism 3” corresponds to a state in which the lower surface of the heat conductor 40 in the XY plane is in contact with the fuel supply mechanism 3. In the illustrated example, the heat conductor 40 is in contact with the fuel distribution plate 31.

上述した熱伝導体40としては、液体燃料や水、酸素等によって溶解や腐食、酸化等を生じることがなく、かつ熱伝導率の高い材料によって形成されることが望ましい。また、熱伝導体40は、少なくとも燃料の気化成分を透過するための通気性を確保する必要があり、多孔質性の材料あるいは貫通孔を有する材料によって形成されている。このうち、多孔質性の熱伝導体40としては、炭素繊維素材が好適であり、例えば、東レ社製のカーボンペーパー(TGP−Hシリーズ)や、SGLカーボンジャパン社製のカーボンペーパー(GDLシリーズ)などが適用可能である。また、貫通孔を有する熱伝導体40としては、黒鉛(グラファイト)などの炭素質の材料をシート状に加工したグラファイトシート(例えば、グラフテック社製のグラファイトシート(eGrafシリーズ)に貫通孔を形成したものなどが適用可能である。図2に示した例では、熱伝導体40には貫通孔40Hが形成されている。   The above-described heat conductor 40 is desirably formed of a material that does not dissolve, corrode, oxidize, or the like due to liquid fuel, water, oxygen, or the like and that has high thermal conductivity. Moreover, the heat conductor 40 needs to ensure the air permeability for permeate | transmitting the vaporization component of a fuel at least, and is formed with the material which has a porous material or a through-hole. Among these, as the porous heat conductor 40, a carbon fiber material is suitable. For example, carbon paper (TGP-H series) manufactured by Toray Industries, Inc. or carbon paper (GDL series) manufactured by SGL Carbon Japan Co., Ltd. Etc. are applicable. Moreover, as the heat conductor 40 having a through hole, a through hole was formed in a graphite sheet (for example, a graphite sheet (eGraf series) manufactured by Graphtec Co., Ltd.) obtained by processing a carbonaceous material such as graphite into a sheet shape. A thing etc. are applicable.In the example shown in FIG.

さらに、熱伝導体40としては、熱伝導性に優れた金、アルミニウム、銅、タングステン、モリブデン等の金属、または、ステンレスなどのこれらの金属の合金に貫通孔を形成したものなどが適用可能である。   Furthermore, as the heat conductor 40, a metal such as gold, aluminum, copper, tungsten, and molybdenum having excellent heat conductivity, or an alloy of these metals such as stainless steel formed with a through hole is applicable. is there.

熱伝導体40として金属材料を用いた場合、カソード16で生成した水や、アノードにおける反応の副生成物であるギ酸等によって酸化、腐食を生じる可能性がある。それを防ぐために、熱伝導体40としては、ステンレス等の腐食しにくい材料を用いるか、または、熱伝導体40の表面に、金などの酸化しにくい金属をメッキしたり、炭素質の物質や、樹脂もしくはゴムでコーティングを施したり、液体燃料の気化成分に溶解しない塗料で塗装する等しても良い。   When a metal material is used as the thermal conductor 40, there is a possibility that oxidation or corrosion may occur due to water generated at the cathode 16 or formic acid as a by-product of the reaction at the anode. In order to prevent this, the heat conductor 40 is made of a material that is not easily corroded, such as stainless steel, or the surface of the heat conductor 40 is plated with a metal that is not easily oxidized, such as gold, Alternatively, it may be coated with resin or rubber, or coated with a paint that does not dissolve in the vaporized component of the liquid fuel.

上記のようにコーティングを施すための樹脂もしくはゴムとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK:ヴィクトレックス社商標)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリ塩化ビニル、ポリイミド、シリコーン樹脂等の樹脂、エチレン・プロピレンゴム(EPDM)、フッ素ゴム等のゴムが使用可能である。これらの樹脂やゴムは、金属材料に比べて熱伝導率が低いため、コーティングを施す場合には、コーティングする樹脂もしくはゴムはできるだけ薄くするのが望ましい。   As the resin or rubber for coating as described above, polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyethylene terephthalate, nylon, polyetheretherketone (PEEK: trademark of Victorex), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene -Resin such as perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), polyvinyl chloride, polyimide, silicone resin, rubber such as ethylene / propylene rubber (EPDM), fluorine rubber, etc. can be used. Since these resins and rubbers have a lower thermal conductivity than metal materials, it is desirable to make the resin or rubber to be coated as thin as possible.

また、図2に示した例のように、熱伝導体40がアノード集電部18Aに接する構成の場合、膜電極接合体2の単セル間でのショートを防止するために、熱伝導体40が絶縁体として構成される、あるいは、熱伝導体40の少なくともアノード集電部18Aに接する面が上述したような樹脂やゴムなどの絶縁体によって覆われていることが望ましい。   Further, as in the example shown in FIG. 2, when the thermal conductor 40 is in contact with the anode current collector 18 </ b> A, the thermal conductor 40 is prevented in order to prevent a short circuit between the single cells of the membrane electrode assembly 2. Is configured as an insulator, or at least the surface of the heat conductor 40 that is in contact with the anode current collector 18A is preferably covered with an insulator such as resin or rubber as described above.

この熱伝導体40は、燃料供給機構3に平行な平面方向(つまり、図2に示した例ではX−Y平面と平行な方向)の熱伝導率λplが、10W/mK以上であることが望ましい。熱伝導率λplの値が大きいほど、X−Y平面と平行な面内での熱分布の均一化に対する効果が大きいためである。   This thermal conductor 40 has a thermal conductivity λpl of 10 W / mK or more in a plane direction parallel to the fuel supply mechanism 3 (that is, a direction parallel to the XY plane in the example shown in FIG. 2). desirable. This is because the greater the value of the thermal conductivity λpl, the greater the effect on the uniform heat distribution in the plane parallel to the XY plane.

更に、この熱伝導体40において、その厚み方向(つまり、図2に示した例ではZ方向)の熱伝導率λtよりも面内での熱伝導率λplの方が大きい熱伝導異方性を有していればなお望ましい。これは、厚み方向の熱伝導率λtの方が面内での熱伝導率λplよりも大きい場合には、厚み方向への熱の移動が促進され、面内つまり膜電極接合体2の高温部から低温部への熱の移動が阻害されてしまうおそれがあるためである。なお、ここで説明した熱伝導率λpl及びλtは、レーザーフラッシュ法によって測定したものである。   Further, in this thermal conductor 40, the thermal conductivity λpl in the plane is larger than the thermal conductivity λt in the thickness direction (that is, the Z direction in the example shown in FIG. 2). It is still desirable to have it. This is because, when the thermal conductivity λt in the thickness direction is larger than the thermal conductivity λpl in the plane, the movement of heat in the thickness direction is promoted, and in-plane, that is, the high-temperature portion of the membrane electrode assembly 2 This is because the movement of heat from the heat to the low temperature part may be hindered. The thermal conductivities λpl and λt described here are measured by a laser flash method.

また、この熱伝導体40において、その中央部での気孔率(または開口率)が周辺部より小さいことが望ましい。すなわち、膜電極接合体2のアノード13の側に配置される熱伝導体40は、アノード13への燃料の導入を阻害しないように通気性を有している。その一方で、熱伝導体40の気孔率は、その熱伝導率をコントロールするファクターの1つであり、気孔率が高いほど熱伝導体40の内部が気体成分で満たされ、放熱性能の低下を招く。つまり、気孔率が高いほど熱伝導率は低下する。このように、熱伝導体40には、熱伝導性を確保しつつ、通気性を確保することが要求される。   Moreover, in this heat conductor 40, it is desirable that the porosity (or aperture ratio) at the center portion thereof is smaller than the peripheral portion. That is, the heat conductor 40 disposed on the anode 13 side of the membrane electrode assembly 2 has air permeability so as not to inhibit the introduction of fuel into the anode 13. On the other hand, the porosity of the thermal conductor 40 is one of the factors that control the thermal conductivity. The higher the porosity, the more the inside of the thermal conductor 40 is filled with gas components, and the lower the heat dissipation performance. Invite. That is, the higher the porosity, the lower the thermal conductivity. As described above, the heat conductor 40 is required to ensure air permeability while ensuring heat conductivity.

膜電極接合体2の面内の温度分布は、中央部で高く、その周辺部(つまり、容器30に近接する部分)で低い場合が多い。これに対応するため、熱伝導体40においては、その中央部での気孔率が周辺部より小さいことが望ましい。つまり、熱伝導体40において、膜電極接合体2の中央部に対向する部分では比較的熱伝導率が高く、熱の移動を促進するとともに、周辺部に対向する部分では比較的熱伝導率が低い半面、通気性が高く発電反応を促進することが可能となる。   In many cases, the in-plane temperature distribution of the membrane electrode assembly 2 is high in the central portion and low in the peripheral portion (that is, the portion close to the container 30). In order to cope with this, in the heat conductor 40, it is desirable that the porosity at the central portion is smaller than the peripheral portion. That is, in the heat conductor 40, the portion facing the central portion of the membrane electrode assembly 2 has a relatively high thermal conductivity and promotes the movement of heat, and the portion facing the peripheral portion has a relatively high heat conductivity. On the other hand, the air permeability is high and the power generation reaction can be promoted.

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

図2に示したように、熱伝導体40に形成された貫通孔40Hは、燃料分配板31の燃料排出口33の直上に位置している。   As shown in FIG. 2, the through hole 40 </ b> H formed in the heat conductor 40 is located immediately above the fuel discharge port 33 of the fuel distribution plate 31.

図3は、燃料供給機構3における燃料分配板31の上面図である。   FIG. 3 is a top view of the fuel distribution plate 31 in the fuel supply mechanism 3.

燃料分配板31は、第1方向Xに延びた略長方形状に形成されている。このような燃料分配板31には、燃料注入口32及び燃料排出口33が形成されている。燃料注入口32は、例えば1箇所に形成されている。この燃料注入口32は、容器30の燃料導入口30Aに連通している。燃料排出口33は、複数、ここでは128個(16×8)形成されている。これらの燃料排出口33は、燃料注入口32と流路34を介して接続されている。この流路34は、燃料分配板31の容器30と密着する面に形成された溝であっても良いし、燃料分配板31の内部を通る管であっても良く、特に形態に制限はない。   The fuel distribution plate 31 is formed in a substantially rectangular shape extending in the first direction X. The fuel distribution plate 31 has a fuel inlet 32 and a fuel outlet 33 formed therein. The fuel injection port 32 is formed in one place, for example. The fuel inlet 32 communicates with the fuel inlet 30 </ b> A of the container 30. A plurality of fuel discharge ports 33, here 128 (16 × 8), are formed. These fuel discharge ports 33 are connected to the fuel injection port 32 via a flow path 34. The flow path 34 may be a groove formed on the surface of the fuel distribution plate 31 that is in close contact with the container 30 or may be a pipe that passes through the inside of the fuel distribution plate 31, and the form is not particularly limited. .

図4は、熱伝導体40の斜視図である。   FIG. 4 is a perspective view of the heat conductor 40.

この熱伝導体40は、第1方向Xに延びた略長方形状に形成されている。このような熱伝導体40には、複数、ここでは128個(16×8)の貫通孔40Hが形成されている。これらの貫通孔40Hのそれぞれは、燃料排出口33の直上に位置している。このような貫通孔40Hは、燃料排出口33の径と同等以上の径を有している。なお、熱伝導体40には、図示した128個の貫通孔40Hに加えて、さらに複数の貫通孔が形成されても良い。熱伝導体40に形成される貫通孔40Hの個数は、熱伝導体40に要求される熱伝導性を考慮して適宜設定しても良い。   The heat conductor 40 is formed in a substantially rectangular shape extending in the first direction X. In such a heat conductor 40, a plurality of, here 128 (16 × 8) through holes 40H are formed. Each of these through holes 40H is located immediately above the fuel discharge port 33. Such a through hole 40H has a diameter equal to or larger than the diameter of the fuel discharge port 33. In addition to the 128 through holes 40H shown in the drawing, a plurality of through holes may be further formed in the heat conductor 40. The number of through holes 40H formed in the heat conductor 40 may be appropriately set in consideration of the heat conductivity required for the heat conductor 40.

上述した燃料電池1においては、燃料収容部4から流路5を介して燃料分配板31に導入された液体燃料Fは、液体成分のまま、もしくは液体成分と気体成分とが混在する状態で、燃料分配板31の燃料排出口33から排出される。排出された燃料は、熱伝導体40及び集電体18のアノード集電部18Aを介して膜電極接合体2のアノード13に供給される。   In the fuel cell 1 described above, the liquid fuel F introduced into the fuel distribution plate 31 from the fuel storage unit 4 via the flow path 5 remains in the liquid component or in a state where the liquid component and the gas component are mixed. The fuel is discharged from the fuel discharge port 33 of the fuel distribution plate 31. The discharged fuel is supplied to the anode 13 of the membrane electrode assembly 2 through the heat conductor 40 and the anode current collector 18A of the current collector 18.

アノード13に供給された燃料の気体成分は、アノードガス拡散層12を拡散してアノード触媒層11に供給される。燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層11で下記の(1)式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層14で生成した水や電解質膜17中の水をメタノールと反応させて(1)式の内部改質反応を生起させる、あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。   The gaseous component of the fuel supplied to the anode 13 diffuses through the anode gas diffusion layer 12 and is supplied to the anode catalyst layer 11. When methanol fuel is used as the fuel, an internal reforming reaction of methanol shown in the following formula (1) occurs in the anode catalyst layer 11. When pure methanol is used as the methanol fuel, the water generated in the cathode catalyst layer 14 or the water in the electrolyte membrane 17 is reacted with methanol to cause the internal reforming reaction of the formula (1), or The internal reforming reaction is caused by another reaction mechanism that does not require water.

CH3OH+H2O → CO2+6H++6e- …(1)
この反応で生成した電子(e-)は、集電体18を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、集電体18を経由してカソード16に導かれる。(1)式の内部改質反応で生成したプロトン(H+)は、電解質膜17を経てカソード16に導かれる。カソード16には、酸化剤として空気が供給される。カソード16に到達した電子(e-)とプロトン(H+)は、カソード触媒層14で空気中の酸素と下記の(2)式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e (1)
The electrons (e ) generated by this reaction are guided to the outside via the current collector 18, and after operating a portable electronic device or the like as so-called electricity, the electrons (e ) Led. Proton (H + ) generated by the internal reforming reaction of the formula (1) is guided to the cathode 16 through the electrolyte membrane 17. Air is supplied to the cathode 16 as an oxidant. Electrons (e ) and protons (H + ) that have reached the cathode 16 react with oxygen in the air in the cathode catalyst layer 14 according to the following formula (2), and water is generated with this reaction.

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

本実施形態によれば、膜電極接合体2の面内においては、その中央部は比較的放熱されにくく高温となりやすく、逆に、その周辺部は中央部と比較して低温となりやすい。この場合、熱伝導体40を配置したことにより、膜電極接合体2の中央部から周辺部への熱移動が促進され、膜電極接合体2の中央部と周辺部とでの温度差を低減することが可能となる。つまり、膜電極接合体2の面内における温度分布を均一化することが可能となる。   According to the present embodiment, in the surface of the membrane electrode assembly 2, the central portion is relatively difficult to dissipate heat and is likely to be at a high temperature, and conversely, the peripheral portion is likely to be at a lower temperature than the central portion. In this case, by disposing the heat conductor 40, heat transfer from the central part of the membrane electrode assembly 2 to the peripheral part is promoted, and the temperature difference between the central part and the peripheral part of the membrane electrode assembly 2 is reduced. It becomes possible to do. That is, the temperature distribution in the surface of the membrane electrode assembly 2 can be made uniform.

また、温度差に起因した液体燃料の気化成分の蒸気圧差も低減され、膜電極接合体2の面内の中央部及び周辺部のいずれにおいても、発電反応に必要な物質の授受を促進することが可能となる。特に、携帯用電子機器などの電源として用いる燃料電池1において、燃料電池全体の温度を低く抑制したとしても、蒸気圧差が低減されているため、安定して高い出力を得ることが可能となる。   In addition, the vapor pressure difference of the vaporized component of the liquid fuel due to the temperature difference is also reduced, and the exchange of substances necessary for the power generation reaction is promoted in both the central part and the peripheral part in the surface of the membrane electrode assembly 2. Is possible. In particular, in the fuel cell 1 used as a power source for a portable electronic device or the like, even if the temperature of the entire fuel cell is kept low, the vapor pressure difference is reduced, so that a high output can be stably obtained.

次に、本実施形態で採用可能な燃料電池1のバリエーションについて説明する。なお、図2に示した例と同一の構成については同一の参照符号を付して詳細な説明を省略する。   Next, variations of the fuel cell 1 that can be employed in the present embodiment will be described. Note that the same components as those in the example shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図5は、他の実施形態における燃料電池1を第1方向Xに沿って切断した断面を概略的に示す図である。   FIG. 5 is a view schematically showing a cross section of the fuel cell 1 according to another embodiment cut along the first direction X. FIG.

図5に示した例は、図2に示した例と比較して、熱伝導体40と集電体18との間に絶縁体50が配置されている点で相違している。この絶縁体50は、熱伝導体40の上面に接し、且つ、アノード集電部18Aの背面側に接している。このような絶縁体50は、例えば、燃料拡散板あるいは気液分離膜として機能するものが適用可能である。また、この絶縁体50は、熱伝導体40と略同一の形状であって且つ略同一の外形寸法に形成されている。   The example shown in FIG. 5 is different from the example shown in FIG. 2 in that an insulator 50 is disposed between the thermal conductor 40 and the current collector 18. The insulator 50 is in contact with the upper surface of the heat conductor 40 and in contact with the back side of the anode current collector 18A. As such an insulator 50, for example, one that functions as a fuel diffusion plate or a gas-liquid separation membrane can be applied. Further, the insulator 50 has substantially the same shape as the heat conductor 40 and has substantially the same outer dimensions.

燃料拡散板である絶縁体50は、例えば、ポリエチレン製多孔質フィルム等からなる平板で構成される。このような絶縁体50は、気化した燃料の平面方向(図1のX−Y平面と平行な方向)に拡散させ、このような気化燃料の供給の均一性を促進する役割を果たす。   The insulator 50, which is a fuel diffusion plate, is composed of a flat plate made of, for example, a polyethylene porous film. Such an insulator 50 serves to promote the uniformity of the supply of vaporized fuel by diffusing in the plane direction of the vaporized fuel (direction parallel to the XY plane in FIG. 1).

気液分離膜である絶縁体50は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製の微多孔膜などの上述したような各種材料からなる平板で構成される。このような絶縁体50は、燃料供給機構3からアノード13に向けて供給される燃料のうち、液体燃料とその気化成分とを分離し、燃料の気化成分をアノード13に向けて透過するものである。   The insulator 50, which is a gas-liquid separation membrane, is composed of a flat plate made of various materials as described above, such as a microporous membrane made of polytetrafluoroethylene (PTFE). Such an insulator 50 separates liquid fuel and its vaporized component from the fuel supplied from the fuel supply mechanism 3 toward the anode 13, and transmits the fuel vaporized component toward the anode 13. is there.

図6は、他の実施形態における燃料電池1を第1方向Xに沿って切断した断面を概略的に示す図である。   FIG. 6 is a view schematically showing a cross section of the fuel cell 1 according to another embodiment cut along the first direction X. FIG.

図6に示した例は、図2に示した例と比較して、熱伝導体40と集電体18との間に空気層61を形成するためのスペーサ60が配置されている点で相違している。このスペーサ60は、燃料供給機構3から供給された燃料が膜電極接合体2に向かって供給される経路よりも外側に配置されている。   The example shown in FIG. 6 differs from the example shown in FIG. 2 in that a spacer 60 for forming an air layer 61 is disposed between the heat conductor 40 and the current collector 18. is doing. The spacer 60 is disposed outside the path through which the fuel supplied from the fuel supply mechanism 3 is supplied toward the membrane electrode assembly 2.

すなわち、スペーサ60は、熱伝導体40の貫通孔40Hよりも外側の外縁部に沿った上面に接し、且つ、アノード集電部18Aの外縁部に沿った背面側に接している。このようなスペーサ60は、例えばOリングなどの絶縁性の弾性体によって形成されている。   That is, the spacer 60 is in contact with the upper surface along the outer edge portion outside the through hole 40H of the heat conductor 40, and is in contact with the back surface side along the outer edge portion of the anode current collector 18A. Such a spacer 60 is formed of an insulating elastic body such as an O-ring, for example.

図7は、他の実施形態における燃料電池1を第1方向Xに沿って切断した断面を概略的に示す図である。   FIG. 7 is a view schematically showing a cross section of the fuel cell 1 according to another embodiment cut along the first direction X. FIG.

図7に示した例は、図2に示した例と比較して、熱伝導体40と集電体18との間に絶縁体50として気液分離膜が配置され、しかも、燃料供給機構3が燃料分配板31と熱伝導体40との間に配置された燃料拡散板35を有している点で相違している。   In the example shown in FIG. 7, compared with the example shown in FIG. 2, a gas-liquid separation film is disposed as the insulator 50 between the heat conductor 40 and the current collector 18, and the fuel supply mechanism 3. Is different in that it has a fuel diffusion plate 35 disposed between the fuel distribution plate 31 and the heat conductor 40.

絶縁体50は、平板状に形成され、熱伝導体40の上面に接し、且つ、アノード集電部18Aの背面側に接している。また、この絶縁体50は、熱伝導体40と略同一の形状であって且つ略同一の外形寸法に形成されている。このような絶縁体50は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製の微多孔膜などの上述したような各種材料で構成される。   The insulator 50 is formed in a flat plate shape, is in contact with the upper surface of the heat conductor 40, and is in contact with the back surface side of the anode current collector 18A. Further, the insulator 50 has substantially the same shape as the heat conductor 40 and has substantially the same outer dimensions. Such an insulator 50 is made of various materials as described above, such as a microporous membrane made of polytetrafluoroethylene (PTFE).

燃料拡散板35は、平板状に形成され、燃料分配板31の上面に接し、且つ、熱伝導体40の背面に接している。このような燃料拡散板35は、例えば、ポリエチレン製多孔質フィルム等で構成される。   The fuel diffusion plate 35 is formed in a flat plate shape, is in contact with the upper surface of the fuel distribution plate 31, and is in contact with the back surface of the heat conductor 40. Such a fuel diffusion plate 35 is made of, for example, a polyethylene porous film.

なお、この図7に示した例においては、絶縁体50として気液分離膜を適用したが、図5で示した例と同様に絶縁体50として燃料拡散板を適用しても良い。また、この例においては、熱伝導体40と集電体18との間に絶縁体50を配置したが、図6に示した例と同様に空気層61を形成するためのスペーサ60が配置されても良い。   In the example shown in FIG. 7, a gas-liquid separation membrane is applied as the insulator 50. However, a fuel diffusion plate may be applied as the insulator 50 as in the example shown in FIG. In this example, the insulator 50 is disposed between the heat conductor 40 and the current collector 18, but the spacer 60 for forming the air layer 61 is disposed as in the example shown in FIG. 6. May be.

図8は、他の実施形態における燃料電池1を第1方向Xに沿って切断した断面を概略的に示す図である。   FIG. 8 is a view schematically showing a cross section of the fuel cell 1 according to another embodiment cut along the first direction X. FIG.

図8に示した例は、図2に示した例と比較して、熱伝導体40と集電体18との間に絶縁体50としての気液分離膜及びアノードフィルム70が配置された点で相違している。   8 is different from the example shown in FIG. 2 in that a gas-liquid separation membrane and an anode film 70 as the insulator 50 are disposed between the heat conductor 40 and the current collector 18. Is different.

アノードフィルム70は、平板状に形成され、熱伝導体40の上面に接している。このアノードフィルム70は、熱伝導体40と略同一の形状であって且つ略同一の外形寸法に形成されている。   The anode film 70 is formed in a flat plate shape and is in contact with the upper surface of the heat conductor 40. The anode film 70 has substantially the same shape as the heat conductor 40 and has substantially the same outer dimensions.

このアノードフィルム70には、複数の開孔70Hが形成されている。ここでは、アノードフィルム70には、燃料分配板31の燃料排出口33と同数である128個(16×8)の開孔70Hが形成されている。これらの開孔70Hのそれぞれは、燃料排出口33の直上に位置している。このような開孔70Hは、燃料排出口33の径と同等以上の径を有している。なお、アノードフィルム70には、128個の開孔70Hに加えて、さらに複数の開孔が形成されても良い。   A plurality of apertures 70H are formed in the anode film 70. Here, the anode film 70 is formed with 128 (16 × 8) openings 70 </ b> H that are the same number as the fuel discharge ports 33 of the fuel distribution plate 31. Each of these openings 70 </ b> H is located immediately above the fuel discharge port 33. Such an opening 70 </ b> H has a diameter equal to or larger than the diameter of the fuel discharge port 33. The anode film 70 may be further formed with a plurality of openings in addition to the 128 openings 70H.

このようなアノードフィルム70は、メタノールなどの燃料に対して十分な耐性を有する材料によって形成され、例えば、ポリフェニルサルファイド(PPS)、ポリイミド(PI)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、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)、液晶ポリマー(LCP)などによって形成されている。また、アノードフィルム70は、表面に耐酸性処理が施された金属板や、ガラス、シリコンなどを用いて形成しても良い。   Such an anode film 70 is formed of a material having sufficient resistance to a fuel such as methanol. For example, polyphenyl sulfide (PPS), polyimide (PI), polyethylene terephthalate (PET), polypropylene (PP), It is formed of polyethylene naphthalate (PEN), polyetheretherketone (PEEK: trademark of Victorex), liquid crystal polymer (LCP), or the like. The anode film 70 may be formed using a metal plate whose surface is subjected to acid resistance treatment, glass, silicon, or the like.

絶縁体50は、平板状に形成され、アノードフィルム70の上面に接し、アノードフィルム70の開孔70Hを塞ぐように配置されている。この絶縁体50は、熱伝導体40及びアノードフィルム70と略同一の形状であって且つ略同一の外形寸法に形成されている。   The insulator 50 is formed in a flat plate shape, is in contact with the upper surface of the anode film 70, and is disposed so as to close the opening 70 </ b> H of the anode film 70. The insulator 50 has substantially the same shape as the heat conductor 40 and the anode film 70 and has substantially the same outer dimensions.

図9は、他の実施形態における燃料電池1を第1方向Xに沿って切断した断面を概略的に示す図である。   FIG. 9 is a diagram schematically showing a cross section of the fuel cell 1 according to another embodiment cut along the first direction X. FIG.

図9に示した例は、図2に示した例と比較して、熱伝導体40と集電体18との間に絶縁体50及び空気層61を形成するためのスペーサ60が配置された点で相違している。   9, the spacer 60 for forming the insulator 50 and the air layer 61 is disposed between the heat conductor 40 and the current collector 18, as compared with the example shown in FIG. It is different in point.

絶縁体50は、例えば、気液分離膜であり、平板状に形成されている。この絶縁体50は、アノード集電部18Aの背面側に接している。   The insulator 50 is a gas-liquid separation film, for example, and is formed in a flat plate shape. The insulator 50 is in contact with the back side of the anode current collector 18A.

スペーサ60は、図6に示した例と同様に、燃料供給機構3から供給された燃料が膜電極接合体2に向かって供給される経路よりも外側に位置し、熱伝導体40の貫通孔40Hよりも外側の外縁部に沿った上面に接し、且つ、絶縁体50の外縁部に沿った背面に接している。   As in the example shown in FIG. 6, the spacer 60 is located outside the path through which the fuel supplied from the fuel supply mechanism 3 is supplied toward the membrane electrode assembly 2, and the spacer 60 is a through hole of the heat conductor 40. It is in contact with the upper surface along the outer edge portion outside 40H and in contact with the back surface along the outer edge portion of the insulator 50.

図10は、他の実施形態における燃料電池1を第1方向Xに沿って切断した断面を概略的に示す図である。   FIG. 10 is a view schematically showing a cross section of the fuel cell 1 according to another embodiment cut along the first direction X. FIG.

図10に示した例は、図2に示した例と比較して、熱伝導体40と集電体18との間に絶縁体50としての気液分離膜及びアノードフィルム70が配置され、且つ、燃料供給機構3が燃料分配板31と熱伝導体40との間に配置された燃料拡散板35を有している点で相違している。   In the example shown in FIG. 10, compared with the example shown in FIG. 2, a gas-liquid separation membrane and an anode film 70 as the insulator 50 are disposed between the heat conductor 40 and the current collector 18, and The fuel supply mechanism 3 is different in that it has a fuel diffusion plate 35 disposed between the fuel distribution plate 31 and the heat conductor 40.

燃料拡散板35は、平板状に形成され、燃料分配板31の上に配置され、燃料分配板31に形成されたすべての燃料排出口33に重なっている。熱伝導体40は、燃料拡散板35の上に配置されている。図示した例では、燃料拡散板35と熱伝導体40とが接している。熱伝導体40に形成された貫通孔40Hは、燃料排出口33の直上に位置している。   The fuel diffusion plate 35 is formed in a flat plate shape, is disposed on the fuel distribution plate 31, and overlaps all the fuel discharge ports 33 formed in the fuel distribution plate 31. The heat conductor 40 is disposed on the fuel diffusion plate 35. In the illustrated example, the fuel diffusion plate 35 and the heat conductor 40 are in contact with each other. The through hole 40 </ b> H formed in the heat conductor 40 is located immediately above the fuel discharge port 33.

アノードフィルム70は、熱伝導体40の上に配置されている。図示した例では、熱伝導体40とアノードフィルム70とは接している。アノードフィルム70に形成された開孔70Hは、燃料排出口33の直上に位置している。つまり、燃料排出口33、貫通孔40H、及び、開孔70Hは、Z方向に沿って同軸上に位置している。   The anode film 70 is disposed on the heat conductor 40. In the illustrated example, the heat conductor 40 and the anode film 70 are in contact with each other. The opening 70 </ b> H formed in the anode film 70 is located immediately above the fuel discharge port 33. That is, the fuel discharge port 33, the through hole 40H, and the opening 70H are coaxially positioned along the Z direction.

気液分離膜である絶縁体50は、平板状に形成され、アノードフィルム70の上面に接し、アノードフィルム70の開孔70Hを塞ぐように配置されている。図示した例では、絶縁体50は、アノード集電部18Aの背面側で接している。   The insulator 50, which is a gas-liquid separation membrane, is formed in a flat plate shape, is in contact with the upper surface of the anode film 70, and is disposed so as to close the opening 70H of the anode film 70. In the illustrated example, the insulator 50 is in contact with the back side of the anode current collector 18A.

以上、図5乃至図10に示した各バリエーションにおいても、上記したのと同様の効果が得られる。   As described above, the same effects as described above can be obtained in the variations shown in FIGS.

《性能評価》
(実施例1)
アノード用触媒粒子(Pt:Ru=1:1)を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、アノード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをアノードガス拡散層12としての多孔質カーボンペーパ(55.5mm×8.7mmの長方形)に塗布することにより、厚さが100μmのアノード触媒層11を得た。
<Performance evaluation>
Example 1
To the carbon black supporting the anode catalyst particles (Pt: Ru = 1: 1), a perfluorocarbon sulfonic acid solution as a proton conductive resin and water and methoxypropanol as a dispersion medium were added to support the anode catalyst particles. A paste was prepared by dispersing carbon black. The obtained paste was applied to porous carbon paper (55.5 mm × 8.7 mm rectangle) as the anode gas diffusion layer 12 to obtain an anode catalyst layer 11 having a thickness of 100 μm.

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

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

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

このように作成した膜電極接合体2は、集電体18によって挟持され、アノードガス拡散層12とアノード集電部18Aとが対向するとともに、カソードガス拡散層15とカソード集電部18Cとが対向している。すなわち、カソード集電部18Cとして、カソードガス拡散層15の上に金箔を積層した。また、アノード集電部18Aとして、アノードガス拡散層12の上に金箔を積層した。これらのアノード集電部18A及びカソード集電部18Cは、上記した4対のアノード触媒層11とカソード触媒層14とが電気的に直列に接続されるように形成されている。なお、アノード集電部18Aには、燃料分配板31の燃料排出口33に対応した位置に開口が形成されている。また、カソード集電部18Cには、カバープレート21の開口部21Hに対応した位置に開口が形成されている。   The membrane electrode assembly 2 thus prepared is sandwiched by the current collector 18, the anode gas diffusion layer 12 and the anode current collector 18A are opposed to each other, and the cathode gas diffusion layer 15 and the cathode current collector 18C are connected to each other. Opposite. That is, a gold foil was laminated on the cathode gas diffusion layer 15 as the cathode current collector 18C. Further, a gold foil was laminated on the anode gas diffusion layer 12 as the anode current collector 18A. The anode current collector 18A and the cathode current collector 18C are formed so that the four pairs of the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 are electrically connected in series. The anode current collector 18A has an opening at a position corresponding to the fuel discharge port 33 of the fuel distribution plate 31. The cathode current collector 18C has an opening at a position corresponding to the opening 21H of the cover plate 21.

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

カソード集電部18Cの上には、板状体20として、厚さが0.75mmであり、透気度が3.0秒/100cm(JIS P 8117:2009に規定の測定方法による)であり、透湿度が3000g/(m・24h)(JIS L 1099:2006 A−1に規定の測定方法による)のポリエチレン製多孔質フィルムを、長さ59.5mm、幅42.4mmの長方形に切り、積層した。外気からカソード16に供給される空気は、この板状体20を透過することとなる。 On the cathode current collector 18C, as a plate-like body 20, the thickness is 0.75 mm, and the air permeability is 3.0 seconds / 100 cm 3 (according to the measurement method specified in JIS P 8117: 2009). Yes, a polyethylene porous film having a moisture permeability of 3000 g / (m 2 · 24 h) (according to the measurement method defined in JIS L 1099: 2006 A-1) is formed into a rectangle having a length of 59.5 mm and a width of 42.4 mm. Cut and laminated. Air supplied from the outside air to the cathode 16 passes through the plate-like body 20.

この板状体20の上には、カバープレート21として、外形が64.5mm×44.5mmの長方形であり、厚さが0.3mmのステンレス板(SUS304)を積層した。このカバープレート21には、5.6mm×2.8mmの長方形の64個の開口部21Hが均等に形成されている。   On the plate-like body 20, a stainless plate (SUS304) having a rectangular outer shape of 64.5 mm × 44.5 mm and a thickness of 0.3 mm was laminated as the cover plate 21. The cover plate 21 is uniformly formed with 64 rectangular openings 21H of 5.6 mm × 2.8 mm.

燃料分配板31の上には、熱伝導体40として、厚さが80μmのグラファイトシート(グラフテック社製;型番SS400)を59.5mm×42.4mmの長方形状に切り抜き、積層した。この熱伝導体40であるグラファイトシートは、平面方向(図5に示したX−Y平面に平行な方向)の熱伝導率λplが400W/mKであり、その厚み方向(図5のZ方向)の熱伝導率λtが3.5W/mKである。この熱伝導体40には、燃料分配板31の燃料排出口33に対応した位置に直径1.8mmの開口が形成されている。   On the fuel distribution plate 31, as a heat conductor 40, a graphite sheet having a thickness of 80 μm (manufactured by Graphtec; model number SS400) was cut into a rectangular shape of 59.5 mm × 42.4 mm and laminated. The graphite sheet as the thermal conductor 40 has a thermal conductivity λpl of 400 W / mK in the plane direction (direction parallel to the XY plane shown in FIG. 5), and its thickness direction (Z direction in FIG. 5). Has a thermal conductivity λt of 3.5 W / mK. An opening having a diameter of 1.8 mm is formed in the heat conductor 40 at a position corresponding to the fuel discharge port 33 of the fuel distribution plate 31.

熱伝導体40とアノード集電部18Aとの間には、燃料拡散板である絶縁体50として、厚さ0.5mm、気孔率26%のポリエチレン製多孔質フィルムを挿入した。この絶縁体50は、熱伝導体40と同一形状かつ同一の大きさである。この絶縁体50は、電気的な絶縁と共に、気化した燃料を平面方向に拡散させ、気化燃料の供給の均一性を促進する役割を果たす。   Between the heat conductor 40 and the anode current collector 18A, a polyethylene porous film having a thickness of 0.5 mm and a porosity of 26% was inserted as an insulator 50 which is a fuel diffusion plate. The insulator 50 has the same shape and the same size as the heat conductor 40. The insulator 50 plays a role of diffusing the vaporized fuel in the planar direction together with electrical insulation and promoting the uniformity of the supply of the vaporized fuel.

上述した構成の実施例1は、図5に示した燃料電池1に相当する。   The first embodiment having the above-described configuration corresponds to the fuel cell 1 shown in FIG.

(実施例2)
実施例2では、実施例1で説明した燃料電池1において、熱伝導体40とアノード集電部18Aとの間に絶縁体50を配置する代わりに、熱伝導体40とアノード集電部18Aとの間に、Z方向の距離が0.5mmの空気層61を形成するためのスペーサ60を設けた以外は、実施例1と同様である。
(Example 2)
In Example 2, in the fuel cell 1 described in Example 1, instead of disposing the insulator 50 between the heat conductor 40 and the anode current collector 18A, the heat conductor 40 and the anode current collector 18A In the same manner as in Example 1, except that a spacer 60 for forming the air layer 61 having a distance in the Z direction of 0.5 mm is provided.

上述した構成の実施例2は、図6に示した燃料電池1に相当する。   The second embodiment having the above-described configuration corresponds to the fuel cell 1 shown in FIG.

(実施例3)
実施例3では、実施例1で説明した燃料電池1において、燃料分配板31と熱伝導体40との間に燃料拡散板35を配置し、熱伝導体40とアノード集電部18Aとの間に気液分離膜である絶縁体50を配置した以外は、実施例1と同様である。絶縁体50としては、厚さ0.1mm、気孔率68%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製の微多孔膜を適用した。
(Example 3)
In the third embodiment, in the fuel cell 1 described in the first embodiment, the fuel diffusion plate 35 is disposed between the fuel distribution plate 31 and the heat conductor 40, and between the heat conductor 40 and the anode current collector 18A. Example 1 is the same as Example 1 except that the insulator 50, which is a gas-liquid separation membrane, is disposed. As the insulator 50, a microporous film made of polytetrafluoroethylene (PTFE) having a thickness of 0.1 mm and a porosity of 68% was applied.

上述した構成の実施例3は、図7に示した燃料電池1に相当する。   The third embodiment having the above-described configuration corresponds to the fuel cell 1 shown in FIG.

(比較例)
実施例1で説明した燃料電池1において、熱伝導体40を設けない以外は、実施例1と同様である。
(Comparative example)
The fuel cell 1 described in the first embodiment is the same as the first embodiment except that the heat conductor 40 is not provided.

上述した実施例1乃至3及び比較例の各燃料電池1について、性能評価を行った。   Performance evaluation was performed about each fuel cell 1 of Examples 1 thru | or 3 mentioned above and a comparative example.

まず、温度が25℃、相対湿度が50%の環境の下、上記したように作成した各燃料電池1に、純度99.9重量%の純メタノールを供給した。ここで、カバープレート21の中央部の表面に熱電対を取り付け、この熱電対で測定した温度が45℃で一定になるように、純メタノールの供給量を制御した場合と、熱電対で測定した温度が50℃で一定になるように、純メタノールの供給量を制御した場合との2つの条件に対して、以下の測定を行なっている。   First, pure methanol having a purity of 99.9% by weight was supplied to each fuel cell 1 produced as described above in an environment where the temperature was 25 ° C. and the relative humidity was 50%. Here, a thermocouple was attached to the surface of the central portion of the cover plate 21, and the case where the supply amount of pure methanol was controlled so that the temperature measured with this thermocouple was constant at 45 ° C. was measured with a thermocouple. The following measurements are performed under two conditions, that is, when the supply amount of pure methanol is controlled so that the temperature is constant at 50 ° C.

そして、定電圧電源を接続して、燃料電池1の出力電圧が直列に接続した4対の単セルの中の1対あたり0.35Vで一定になるように、燃料電池1に流れる電流を制御し、このとき、燃料電池1から得られる出力密度を計測した。   Then, a constant voltage power supply is connected, and the current flowing through the fuel cell 1 is controlled so that the output voltage of the fuel cell 1 is constant at 0.35 V per pair in the four pairs of single cells connected in series. At this time, the output density obtained from the fuel cell 1 was measured.

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

以上の測定結果を纏めて示したものが、図11である。なお、燃料電池1の出力密度を計測した結果は、それぞれの制御温度で測定した比較例の値を100とした相対値で示してある。   FIG. 11 collectively shows the above measurement results. The result of measuring the output density of the fuel cell 1 is shown as a relative value with the value of the comparative example measured at each control temperature as 100.

カバープレート21の表面温度が45℃になるように燃料供給を制御した際には、比較例の出力密度を100%としたとき、実施例1では107%となり、実施例2では109%となり、実施例3では102%となり、いずれの実施例においても比較例より高い出力密度が得られることを確認した。   When the fuel supply is controlled so that the surface temperature of the cover plate 21 is 45 ° C., when the output density of the comparative example is 100%, it is 107% in Example 1, 109% in Example 2, In Example 3, it was 102%, and it was confirmed that in any Example, a higher output density than that of the comparative example was obtained.

カバープレート21の表面温度が50℃になるように燃料供給を制御した際には、比較例の出力密度を100%としたとき、実施例1では104%となり、実施例2では105%となり、実施例3では102%となり、いずれの実施例においても比較例より高い出力密度が得られることを確認した。   When the fuel supply is controlled so that the surface temperature of the cover plate 21 is 50 ° C., when the output density of the comparative example is 100%, it becomes 104% in the first example and 105% in the second example. In Example 3, it was 102%, and it was confirmed that in any Example, a higher output density than that of the comparative example was obtained.

このように、特に50℃よりも低い温度になるように燃料供給を制御した際には、実施例1乃至3の構成は、比較例の構成よりも大きな出力密度が得られている点で、効果が高い。   Thus, particularly when the fuel supply is controlled to be lower than 50 ° C., the configurations of Examples 1 to 3 have a higher output density than the configuration of the comparative example. High effect.

なお、図11に示した測定結果では、比較例に対する相対値のみが示されているが、出力密度の絶対値では、どの構成であっても45℃制御よりも50℃制御の方が高い出力密度が得られる。   In the measurement results shown in FIG. 11, only the relative value with respect to the comparative example is shown. However, in the absolute value of the output density, the output of 50 ° C. control is higher than that of 45 ° C. control in any configuration. Density is obtained.

以上説明したように、この実施の形態によれば、燃料電池1の温度を低く抑制した場合においても、安定して高い出力を得ることが可能となる。   As described above, according to this embodiment, even when the temperature of the fuel cell 1 is kept low, it is possible to stably obtain a high output.

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

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

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

1…燃料電池
2…膜電極接合体 13…アノード 16…カソード 17…電解質膜
18…集電体 18A…アノード集電部 18C…カソード集電部
21…カバープレート 21H…開口部
3…燃料供給機構 30…容器 31…燃料分配板 35…燃料拡散板
40…熱伝導体 40H…貫通孔
50…絶縁体(気液分離膜または燃料拡散板)
60…スペーサ 61…空気層
70…アノードフィルム 70H…開孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell 2 ... Membrane electrode assembly 13 ... Anode 16 ... Cathode 17 ... Electrolyte membrane 18 ... Current collector 18A ... Anode current collector 18C ... Cathode current collector 21 ... Cover plate 21H ... Opening 3 ... Fuel supply mechanism DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 ... Container 31 ... Fuel distribution plate 35 ... Fuel diffusion plate 40 ... Thermal conductor 40H ... Through-hole 50 ... Insulator (gas-liquid separation membrane or fuel diffusion plate)
60 ... Spacer 61 ... Air layer 70 ... Anode film 70H ... Open hole

Claims (10)

電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置されたアノードと、前記電解質膜の他方の面に配置されたカソードと、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体のアノード側に配置され、前記アノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構と、
前記燃料供給機構と前記アノードとの間に配置されるとともに前記燃料供給機構に接する熱伝導体と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
A membrane electrode assembly comprising: an electrolyte membrane; an anode disposed on one surface of the electrolyte membrane; and a cathode disposed on the other surface of the electrolyte membrane;
A fuel supply mechanism disposed on the anode side of the membrane electrode assembly and supplying fuel toward the anode;
A heat conductor disposed between the fuel supply mechanism and the anode and in contact with the fuel supply mechanism;
A fuel cell comprising:
さらに、前記カソードに接するカソード集電部及び前記アノードと前記熱伝導体との間に配置されるとともに前記膜電極接合体の前記アノードに接するアノード集電部を有し、
前記アノード集電部と前記熱伝導体との間に配置された気液分離膜または燃料拡散板からなる絶縁体、あるいは、前記熱伝導体と前記アノード集電部との間に空気層を形成するためのスペーサと、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
And a cathode current collector that is in contact with the cathode and an anode current collector that is disposed between the anode and the thermal conductor and is in contact with the anode of the membrane electrode assembly,
An insulator composed of a gas-liquid separation membrane or a fuel diffusion plate disposed between the anode current collector and the heat conductor, or an air layer formed between the heat conductor and the anode current collector A spacer for
The fuel cell according to claim 1, further comprising:
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置されたアノードと、前記電解質膜の他方の面に配置されたカソードと、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体のアノード側に配置され、前記アノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構と、
前記燃料供給機構と前記アノードとの間に配置された気液分離膜と、
前記燃料供給機構と前記気液分離膜との間に配置されるとともに前記気液分離膜から離間した熱伝導体と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
A membrane electrode assembly comprising: an electrolyte membrane; an anode disposed on one surface of the electrolyte membrane; and a cathode disposed on the other surface of the electrolyte membrane;
A fuel supply mechanism disposed on the anode side of the membrane electrode assembly and supplying fuel toward the anode;
A gas-liquid separation membrane disposed between the fuel supply mechanism and the anode;
A heat conductor disposed between the fuel supply mechanism and the gas-liquid separation membrane and spaced from the gas-liquid separation membrane;
A fuel cell comprising:
さらに、前記カソードに接するカソード集電部及び前記アノードと前記気液分離膜との間に配置されるとともに前記膜電極接合体の前記アノードに接するアノード集電部を有し、
前記気液分離膜との間に配置されたアノードフィルム、あるいは、前記熱伝導体と前記気液分離膜との間に空気層を形成するためのスペーサと、
を備えたことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池。
And a cathode current collector that is in contact with the cathode and an anode current collector that is disposed between the anode and the gas-liquid separation membrane and is in contact with the anode of the membrane electrode assembly,
An anode film disposed between the gas-liquid separation membrane, or a spacer for forming an air layer between the thermal conductor and the gas-liquid separation membrane;
The fuel cell according to claim 3, further comprising:
前記燃料供給機構は、前記アノードに向けて燃料を排出する複数の燃料排出口が形成された燃料分配板と、前記燃料分配板と前記熱伝導体との間に配置されるとともに前記熱伝導体と接する燃料拡散板と、を有することを特徴とする請求項1または3に記載の燃料電池。   The fuel supply mechanism is disposed between a fuel distribution plate formed with a plurality of fuel discharge ports for discharging fuel toward the anode, the fuel distribution plate and the heat conductor, and the heat conductor. The fuel cell according to claim 1, further comprising a fuel diffusion plate in contact with the fuel cell. 前記熱伝導体には、前記燃料分配板に形成された燃料排出口の直上に位置する複数の貫通孔が形成されたことを特徴とする請求項5に記載の燃料電池。   6. The fuel cell according to claim 5, wherein the heat conductor is formed with a plurality of through holes located immediately above a fuel discharge port formed in the fuel distribution plate. 前記アノードフィルムには、複数の開孔が形成されたことを特徴とする請求項4に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 4, wherein the anode film is formed with a plurality of apertures. 前記熱伝導体は、前記燃料供給機構に平行な平面方向の熱伝導率が10W/mK以上であることを特徴とする請求項1または3に記載の燃料電池。   4. The fuel cell according to claim 1, wherein the thermal conductor has a thermal conductivity of 10 W / mK or more in a planar direction parallel to the fuel supply mechanism. 前記熱伝導体は、多孔質性の部材、あるいは、貫通孔を有する部材によって形成されたことを特徴とする請求項1または3に記載の燃料電池。   4. The fuel cell according to claim 1, wherein the heat conductor is formed of a porous member or a member having a through hole. 前記熱伝導体において、その中央部での気孔率または開口率が周辺部より小さいことを特徴とする請求項1または3に記載の燃料電池。   4. The fuel cell according to claim 1, wherein the thermal conductor has a porosity or an opening ratio at a central portion thereof smaller than that of a peripheral portion.
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