JP2011119189A - Moisture adjusting device of direct methanol fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、ダイレクトメタノール型燃料電池の発電部における水分量を調整する装置に関するものである。 The present invention relates to an apparatus for adjusting the amount of water in a power generation unit of a direct methanol fuel cell.
電気化学反応によって電力を発生させる燃料電池の一例として、メタノールを燃料に用いるダイレクトメタノール型燃料電池(以下、DMFCと記す。)が知られている。DMFCは、アノードにおいて下記の(1)式に示す触媒反応が生じてプロトンと電子とを生じ、そのプロトンと電子とがカソードにおいて下記の(2)式に示す触媒反応を生じることにより発電するように構成されている。 As an example of a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction, a direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as DMFC) using methanol as a fuel is known. In the DMFC, a catalytic reaction represented by the following formula (1) occurs at the anode to generate protons and electrons, and the proton and electrons generate a catalytic reaction represented by the following formula (2) at the cathode. It is configured.
アノードにおける触媒反応
CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ 十 6e− …(1)式
Catalytic reaction at the anode CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + 16e − (1)
カソードにおける触媒反応
3/2O2 + 6H+ + 6e− → 3H2O …(2)式
Catalytic reaction at the
前述した(1)式および(2)式に示したように、DMFCは反応生成物として二酸化炭素1分子と水3分子とを生じ、特に反応にともなって生じる水分子は、水1分子が(1)式に示した触媒反応に用いられるとしても、水2分子が余ることになる。 As shown in the above formulas (1) and (2), DMFC generates 1 molecule of carbon dioxide and 3 molecules of water as a reaction product. Even if it is used for the catalytic reaction shown in the formula (1), two molecules of water remain.
また、燃料には、水で希釈されたメタノール水溶液を用いているため、いわゆるメタノールのクロスオーバーやプロトンの移動にともなって水もアノード側からカソード側へクロスオーバーすることが知られている。 In addition, since a methanol aqueous solution diluted with water is used as the fuel, it is known that water crosses over from the anode side to the cathode side in accordance with so-called methanol crossover or proton movement.
そのため、カソード側の水分量を調整することが従来検討されており、その一例が特許文献1ないし3に記載されている。特許文献1ないし3に記載された装置は、疎水性であって、マイクロメーターオーダーの細孔を有するエレメントをカソード側に配置するように構成されている。より具体的には、そのエレメントは、カソード側のガス拡散層(以下、GDLと記す。)とセルの外部から取り込んだ空気(酸素)を濾過するフィルタとの間に配置されており、アノードとカソードの間で水圧差を生じさせるように構成されている。そして、その水圧差によりカソード側で生成した水を発電部の電解質膜側に戻し、すなわち、電解質膜を透過させてアノード側に戻すように構成されている。 Therefore, adjustment of the moisture content on the cathode side has been conventionally studied, and examples thereof are described in Patent Documents 1 to 3. The devices described in Patent Documents 1 to 3 are configured so that an element having hydrophobicity and having micrometer-order pores is arranged on the cathode side. More specifically, the element is disposed between a cathode-side gas diffusion layer (hereinafter referred to as GDL) and a filter that filters air (oxygen) taken from the outside of the cell, A water pressure difference is generated between the cathodes. And it is comprised so that the water produced | generated by the cathode side by the water pressure difference may be returned to the electrolyte membrane side of an electric power generation part, ie, permeate | transmits an electrolyte membrane and returns to the anode side.
また、周辺技術として、特許文献4には、湿度調節ができるように構成されたカソード側エンドプレートが記載されている。より具体的には、カソード側エンドプレートの開口部周辺を発電部に対して相対的に低温の外気で冷却することにより、発電部で生成して蒸気化した水を凝縮させ、その凝縮した水を発電部に戻すように構成されている。非特許文献1には、厚みの薄い電解質膜を用いることによって、カソード側からアノード側への水の透過性が向上するように構成された発明が記載されている。
As a peripheral technique,
上述した特許文献1ないし3に記載された発明によれば、アノード側からカソード側への水のクロスオーバーを低減できる。しかしながら、DMFCは、前述したように、原理的に反応生成物として水を生成するから、特許文献1ないし3に記載された構成では、アノード側の水分濃度の上昇を招く虞があり、この点で改良の余地があった。 According to the inventions described in Patent Documents 1 to 3, the water crossover from the anode side to the cathode side can be reduced. However, since DMFC generates water as a reaction product in principle as described above, the configurations described in Patent Documents 1 to 3 may cause an increase in the moisture concentration on the anode side. There was room for improvement.
この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、水のクロスオーバーを低減できるとともに、発電にともなって生成した水によって酸素の供給が阻害されて発電量が低下することを抑制できるダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made paying attention to the above technical problem, and can reduce the crossover of water and suppress the decrease in the amount of power generation due to the inhibition of the supply of oxygen by the water generated during power generation. An object of the present invention is to provide a water content adjustment device for a direct methanol fuel cell.
上記の目的を達成するために、請求項1の発明は、メタノール水溶液と酸素との電気化学反応によって発電をおこなう発電部のカソード側に、前記電気化学反応にともなって水が生成するダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置において、水に比較して気体の透過性が高い孔が形成されている多孔質膜の一方の面が前記発電部のカソード側に接触して設けられるとともに、前記発電部のカソード側に接触している前記多孔質膜の少なくとも一部分に、前記多孔質膜の一方の面と他方の面とを連通し、前記孔に比較して前記水の透過性が高い複数の連通孔が形成されていることを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the invention of claim 1 is directed to a direct methanol type in which water is generated by the electrochemical reaction on the cathode side of a power generation unit that generates power by an electrochemical reaction between an aqueous methanol solution and oxygen. In the water content adjustment device for a fuel cell, one surface of a porous membrane in which a hole having higher gas permeability than water is formed is in contact with the cathode side of the power generation unit, and the power generation A plurality of porous membranes that are in contact with at least a portion of the porous membrane that is in contact with the cathode side of the first portion and the other surface of the porous membrane, and that are more permeable to the water than the pores. A communication hole is formed.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記多孔質膜は、撥水性を有する合成樹脂材料によって形成されていることを特徴とするダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置である。 A second aspect of the present invention is the direct water fuel cell moisture content adjusting device according to the first aspect of the present invention, wherein the porous film is made of a synthetic resin material having water repellency.
請求項3の発明は、請求項1または2の発明において、前記発電部は、電解質膜と、その電解質膜を挟んで設けられた触媒層と、それら触媒層の電解質膜側とは反対側の表面にそれぞれ設けられたガス拡散層と、それらガス拡散層の触媒層側とは反対側の表面にそれぞれ設けられた集電板とを備え、前記発電部のカソード側に設けられたガス拡散層は撥水処理が施されており、前記カソード側に設けられた集電板に前記多孔質膜が接触して設けられていることを特徴とするダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置である。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the power generation unit includes an electrolyte membrane, a catalyst layer provided across the electrolyte membrane, and a side of the catalyst layer opposite to the electrolyte membrane side. A gas diffusion layer provided on the cathode side of the power generation unit, comprising a gas diffusion layer provided on each surface and a current collecting plate provided on a surface opposite to the catalyst layer side of the gas diffusion layer Is a water content adjusting device for a direct methanol fuel cell, wherein the water-repellent treatment is performed and the porous membrane is provided in contact with a current collector plate provided on the cathode side .
請求項4の発明は、請求項2の発明において、前記撥水性を有する合成樹脂材料は、膜状に形成された延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレンおよびシリコンゴムを含むことを特徴とするダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置である。 A fourth aspect of the present invention is the direct methanol type according to the second aspect, wherein the synthetic resin material having water repellency includes stretched porous polytetrafluoroethylene and silicon rubber formed in a film shape. This is a water content adjustment device for a fuel cell.
請求項5の発明は、請求項3の発明において、前記カソード側のガス拡散層は、粉末状のポリテトラフルオロエチレンと炭素微粒子とによって構成され、アノードとカソードとの間で水圧差を生じさせる多孔層を備えていることを特徴とするダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置である。 According to a fifth aspect of the present invention, in the third aspect of the invention, the gas diffusion layer on the cathode side is composed of powdered polytetrafluoroethylene and carbon fine particles, and causes a water pressure difference between the anode and the cathode. A water content adjusting device for a direct methanol fuel cell, comprising a porous layer.
請求項6の発明は、請求項3の発明において、前記発電部のカソード側に設けられたガス拡散層の撥水処理は、ポリテトラフルオロエチレンを含む溶液に前記カソード側のガス拡散層を含浸させることにより、前記カソード側のガス拡散層の表面に前記ポリテトラフルオロエチレンを被覆させる処理であることを特徴とするダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置である。
The invention of
請求項1の発明によれば、水に比較して気体の透過性が高い孔が形成されている多孔質膜に、その孔よりも水の透過性が高い連通孔が形成されている。そのため、水のクロスオーバーによるアノード側からカソード側への水の移動を低減できるとともに、発電部において電気化学反応にともなって生成した水の少なくとも一部を、発電部側の一方の面から他方の面に流通させることができる。言い換えれば、発電部のカソード側における過剰な水を発電部からその外部に排出することができる。その結果、アノード側における水分濃度の上昇を低減できるとともに、過剰な水によって酸素の供給が妨げられることを抑制することができる。すなわち、水のクロスオーバーによってカソード側に移動した水や電気化学反応にともなって生成した水による発電量の低下を抑制することができる。 According to the first aspect of the present invention, the communicating holes having higher water permeability than the holes are formed in the porous film in which the holes having higher gas permeability than water are formed. Therefore, the movement of water from the anode side to the cathode side due to water crossover can be reduced, and at least part of the water generated by the electrochemical reaction in the power generation unit is transferred from one surface of the power generation unit side to the other. It can be distributed on the surface. In other words, excess water on the cathode side of the power generation unit can be discharged from the power generation unit to the outside. As a result, an increase in moisture concentration on the anode side can be reduced, and the supply of oxygen can be prevented from being hindered by excessive water. That is, it is possible to suppress a decrease in the amount of power generated by water that has moved to the cathode side due to water crossover or water that has been generated due to an electrochemical reaction.
請求項2の発明によれば、請求項1の発明による効果と同様の効果に加えて、多孔質膜に撥水性を有する合成樹脂材料を用いることにより、撥水処理が不要な多孔質膜を形成することができる。また、その撥水性により、水のクロスオーバーによってカソード側に水が移動することを防止もしくは抑制することができる。
According to the invention of
請求項3の発明によれば、請求項1または2の発明による効果と同様の効果に加えて、カソード側のガス拡散層は撥水処理が施されており、また、そのガス拡散層に接触して多孔質膜が設けられている。その結果、水のクロスオーバーによってカソード側に水が移動することを防止もしくは抑制することができる。また、カソード側のガス拡散層で生成した水を連通孔から速やかに排出できるので、カソード側のガス拡散層が水に浸漬されることを抑制できる。また、これにより発電部におけるカソード側に酸素の供給を維持することができる。さらにまた、発電量の低下を抑制することができる。
According to the invention of
請求項4の発明によれば、請求項2の発明による効果と同様の効果に加えて、合成樹脂材料に延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレンおよびシリコンゴムを用いることにより、撥水性を有し、水に比較して気体の透過性が高い孔を有する多孔質膜を形成することができる。また、耐薬品性、温度安定性を備えた多孔質膜を形成することができる。
According to the invention of
請求項5の発明によれば、請求項3の発明による効果と同様の効果に加えて、アノードとカソードとの間に水圧差を生じさせる多孔層が、カソード側のガス拡散層に設けられている。その結果、水のクロスオーバーによるアノードからカソードへ水の移動を防止もしくは抑制することができる。また、その多孔層は多孔構造を有する炭素微粒子と撥水性を有するポリテトラフルオロエチレン粉末とによって構成されているため、その配合比率および粒子径を調整することにより、任意の多孔構造および撥水性を有する多孔層13を形成することができる。
According to the invention of
請求項6の発明によれば、請求項3の発明による効果と同様の効果に加えて、いわゆるディップコートによって、カソード側のガス拡散層の表面にポリテトラフルオロエチレンを被覆することができる。これにより、カソード側のガス拡散層に撥水性を付与することができ、カソード側のガス拡散層が水に浸漬されることを抑制することができる。
According to the invention of
つぎに、この発明を、より具体的に説明する。図1に、この発明に係る装置を適用したダイレクトメタノール型燃料電池の要部構成例を模式的に示してある。図1において、DMFC1の発電部(以下、MEAと記す。)2を挟んでその両側に、メッシュ形状に形成された集電板(電極)3,4がMEA2に接触して設けられている。集電板3,4は、アノード側において、前述した(1)式に示す触媒反応によって生じた電子を集めてカソード側あるいは外部に伝導させるためのものであり、例えば、金、白金、チタン、ステンレス(SUS)あるいは金および白金でコーティングされたチタン、ステンレス(SUS)などの導電性材料によって形成されている。また、メッシュ形状の部材に導電性材料を被覆したものであってもよい。要は、MEA2に接触して設けられて、アノード側の触媒反応によって生じた電子を伝導できるものであればよい。
Next, the present invention will be described more specifically. FIG. 1 schematically shows a configuration example of a main part of a direct methanol fuel cell to which an apparatus according to the present invention is applied. In FIG. 1, current collecting plates (electrodes) 3 and 4 formed in a mesh shape are provided in contact with the
カソード側に設けられた集電板3,4のMEA2側とは反対側の面に、水に比較して気体の透過性が高い孔が形成されている多孔質膜5が設けられている。すなわち、この多孔質膜5は、いわゆる気液分離膜として作用するように構成されたものであり、例えば、撥水性を有し、かつ液体状の水の透過性(浸透性)が低く、気体の透過性が高い延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン(以下、ePTFEと記す。)5aによって形成されている。また、この多孔質膜5には、MEA2の発電にともなって生成した水を、多孔質膜5におけるMEA2側の面からその反対側の面に流通(排出)させる複数の連通孔5bが形成されている。この連通孔5bは、前述した気液分離をおこなう孔に比較して、水の透過性が高くなるように形成されている。より具体的には、連通孔5bは、前述したePTFE膜5aに打ち抜き加工によって形成された孔であってもよく、要は、水を透過(流通)させる孔であればよい。
On the surface of the
多孔質膜5のMEA2側とは反対側の面に、バイポーラープレート(双極板)6が設けられており、そのカソード側には、空気(酸素)を流通させる空気供給チャンネル6aが形成されている。そして、そのチャンネル6a間のリブ6bと多孔質膜5とが接触するようになっている。言い換えれば、多孔質膜5で空気供給チャンネル6aの開口部6cを塞ぐようになっている。そして、前述した多孔質膜5に形成される連通孔5bは、この空気供給チャンネル6aの開口部6cに対向する位置に複数形成されている。
A bipolar plate (bipolar plate) 6 is provided on the surface opposite to the
なお、この多孔質膜5は、膜状に形成されたシリコンゴム、ナイロンフィルム、ポリエチレンフィルムなどであってもよい。要は、撥水性を有し、かつ水に比較して気体の透過性が高い孔が形成されたものであればよく、言い換えれば、その膜は、撥水性で、かつ水のクラスター分子が通過できない分子サイズを有する膜であればよく、さらに、そのフィルムに前述した孔に比較して水を透過(流通)させる連通孔5bが形成されていればよい。この多孔質膜5が、この発明に係る水分量調整装置に相当する。
The
一方、アノード側に設けられた集電板3,4のMEA2側とは反対側の面に、液相のメタノールと気相のメタノールとを分離する分離膜7が設けられている。この分離膜7のMEA2側とは反対側の面に、バイポーラープレート6が設けられており、そのアノード側に形成され、燃料を流通させる燃料供給チャンネル6d間のリブ6eと分離膜7とが接触するようになっている。言い換えれば、分離膜7によって燃料供給チャンネル6dの開口部6fを塞ぐようになっている。
On the other hand, a
図2に、前述した多孔質膜5の構成例を模式的に示してある。図2に示した多孔質膜5は、前述したePTFE膜5aを挟んでその両側に、そのePTFE膜5aに比較して相対的に水の透過性(浸透性)が高いePTFE膜5cが設けられている例を示してある。なお、多孔質膜5は、前述したePTFE膜5aのいずれか一方の面に、そのePTFE膜5aに比較して相対的に水の透過性が高いePTFE膜5cが設けられていてもよい。この場合において、ePTFE膜5aに比較して相対的に水の透過性が高いePTFE膜5c側をMEA2に接触して配置することが好ましい。
FIG. 2 schematically shows a configuration example of the
図3は、前述したように構成されたDMFCの作用を説明するための模式図である。なお、図3に示す例は、前述した図1に示す構成の一部を変更したものであり、したがって図1に示す部分と同一の部分には図3に図1と同様の符号を付してその説明を省略する。 FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the operation of the DMFC configured as described above. Note that the example shown in FIG. 3 is obtained by changing a part of the configuration shown in FIG. 1 described above. Therefore, the same parts as those shown in FIG. The description is omitted.
MEA2は、電解質膜8を挟んでその両側に、それぞれ触媒層9,10およびGDL11,12が設けられている。そして、そのカソード側GDL11側の集電板に前述した多孔質膜5が接触して設けられている。その多孔質膜5は、前述したように水の透過性が気体の透過性よりも相対的に小さいため、アノード側からカソード側にクロスオーバーによって移動した水が透過し難いようになっている。したがって、MEA2を挟んでアノード側とカソード側との間で水圧差が生じ、これによりカソード側に移動した水や発電にともなって生成した水の一部がカソード側からアノード側に戻されるようになっている。また、水のクロスオーバーによってカソード側に移動した水や発電にともなってカソード側に生成した水の少なくとも一部は、前述した多孔質膜5に形成された連通孔5bから空気供給チャンネル6aに排出されるようになっている。その結果、過剰な水をMEA2から、すなわちカソード側GDL11から排出することができるとともに、その過剰な水によってカソード側GDL11および集電板3が水に浸漬されたり、酸素の供給が妨げられることを防止もしくは抑制することができる。また、これにより、MEA2に過剰な水が存在することによる発電のいわゆるバラツキ(不安定性)や、酸素欠乏による発電量の低下を防止もしくは抑制することができる。
図4に、前述したePTFE膜5aとこれに比較して相対的に水の透過性が高いePTFE膜5cとによって二層に形成した多孔質膜5をダイレクトメタノール型燃料電池に適用した場合の構成例を模式的に示してある。図4において、ePTFE膜5aに比較して相対的に水の透過性が高いePTFE膜5c側がMEA2に、すなわち、カソード側GDL11に接触して設けられている。カソード側GDL11に接触してePTFE膜5cを設けることにより、その透過性によって気体である酸素の供給を確保し、また、空気供給チャンネル6a側にePTFE膜5aを設けることにより、過剰な水がMEA2からカソード側に溢れ出ることを防止もしくは抑制するようになっている。また、カソード側GDL11には、主として炭素微粒子とPTFE粉末とから構成される多孔層13が被覆(形成)されており、その多孔構造によってアノードとカソードとの間で水圧差を生じさせるようになっている。
FIG. 4 shows a configuration in which the
このように多孔質膜5を二層に構成することにより、気体の透過性を確保するとともに、MEA2から過剰な水がカソード側に溢れ出てカソード側GDL11およびカソード側集電板3が浸漬されることを防止もしくは抑制することができる。また、これにより、MEA2に過剰な水が存在することによる発電のいわゆるバラツキ(不安定性)や、酸素欠乏による発電量の低下を防止もしくは抑制することができる。
By forming the
一般的に、気体および水の透過性は、孔のサイズおよび空隙率ならびに膜厚によって変化する。ePTFE膜5aは、ePTFE膜5cよりも相対的に孔のサイズが小さく、気体および水の透過性が低い。言い換えれば、ePTFE膜5aは、ePTFE膜5cよりもその多孔構造によって保持される水分量(含水率)が少なく、これにともなって空気の透過性も低い。これとは反対に、ePTFE膜5cは、ePTFE膜5aよりも相対的に孔のサイズが大きく、気体および水の透過性が高い。言い換えれば、ePTFE膜5cは、ePTFE膜5aよりもその多孔構造によって保持される水分量(含水率)が多く、これにともなって空気の透過性も高い。すなわち、気体の透過性は水の透過性と同様に変化する。
In general, gas and water permeability varies with pore size and porosity and film thickness. The
図5に、多孔質膜5における気体および水の透過性を評価した結果を示してある。図5から、孔のサイズが小さいほど、気体および水の透過性(浸透性)が減少することが認められた。
FIG. 5 shows the results of evaluating the permeability of gas and water in the
前述した多孔質膜5を適用したDMFC1の実験機を作製し、その発電量を評価した。図6には、その評価に用いたDMFC1の実験機の構成例を模式的に示してある。発電部は、実質的な燃料電池に相当する部分であり、高分子電解質膜8を備え、その電解質膜8と電極(集電板)3,4とを一体化した膜・電極接合体(Membrane Electrode Assembly;MEA)2により構成されている。MEA2は、その電解質膜8に、パーフルオロスルホン酸系高分子膜であるNafion 106(登録商標)を用いた。なお、電解質膜8には、ポリベンゾイミダゾール(PBI)を用いることもできる。電解質膜8を挟んで、カソード側の触媒層(膜)9には、白金を主成分として構成されたものを用いた。また、アノード側の触媒層(膜)10には、白金と酸化ルテニウムとの等量混合物によって構成されたものを用いた。
An experimental machine of DMFC1 to which the
触媒層9,10は、前述した白金粉末と酸化ルテニウム粉末との等量混合物もしくは白金粉末をそれぞれアルコール類と混合してインク化(スラリー化)し、これをスクリーン印刷機によりテフロン(登録商標)シート上にプリントして作製した。次いで、このテフロン(登録商標)シート上に作製した触媒膜を前述したパーフルオロスルホン酸系高分子膜に重ね合わせ、ホットプレス機で160℃、6分間、加熱加圧した。その後、その加圧状態を保った状態で静置して室温まで冷却し、触媒層9,10を電解質膜8に転写した。
The catalyst layers 9 and 10 are made into an ink (slurry) by mixing an equal mixture of the above-described platinum powder and ruthenium oxide powder or platinum powder with alcohols, and this is made into Teflon (registered trademark) by a screen printer. Printed on a sheet. Subsequently, the catalyst film produced on this Teflon (trademark) sheet | seat was piled up on the perfluorosulfonic acid type polymer film mentioned above, and it heat-pressed for 6 minutes at 160 degreeC with the hot press machine. Thereafter, the
これらの触媒層9,10における前述した電解質膜8とは反対側の表面には、それぞれGDL11,12が設けられている。GDL11,12は、触媒層9,10に燃料であるメタノールや酸素(酸化剤)を流通させる空隙(空間)を確保するためのものであり、したがって、GDL11,12には、それぞれ撥水処理が施されたカーボンクロスを用いた。具体的に説明すると、GDL11,12には、粒径1μmのPTFE粉末をアルコール、トルエンなどの有機溶媒にて構成された溶媒あるいは水に懸濁化させて作製した60%PTFE溶液にカーボンクロスを浸漬し、ついで120℃、60分間乾燥させることにより、カーボンクロスの表面にPTFEが被覆されたものを用いた。
GDLs 11 and 12 are provided on the surfaces of the catalyst layers 9 and 10 opposite to the above-described
また、カソード側GDL11には、主として炭素微粒子とPTFE粉末とから構成され、アノードとカソードとの間で水圧差を生じさせる多孔層13を更に被覆(形成)させた。具体的に説明すると、先ず、炭素微粒子よりも粒径の小さいPTFE粒子をコロイド状態になるように溶液調整し、このPTFE粒子のコロイド溶液に炭素微粒子を浸漬させた。ついで、これを室温から200℃の温度範囲で乾燥させることにより、炭素微粒子の表面にPTFE粒子を担持させた。そして、このPTFE粒子を担持した炭素微粒子を、アルコールなどの溶媒を用いてインク化してカソード側GDL11に塗布し、室温から100℃の温度範囲で真空乾燥させることにより、カソード側GDL11に多孔層13を被覆(形成)させた。なお、その多孔層13は、その60%がPTFEであり、厚みが30μmになるように調整した。
Further, the
これら触媒層9,10における電解質膜8側とは反対側に、それぞれ集電板3,4が設けられている。この集電板3,4はチタン製のメッシュ構造体に白金メッキが施されたものを用いた。なお、メッシュ構造体の表面に白金もしくは金などの導電性材料を被覆する場合に、イオンプレーティング法を用いることが好ましい。集電板3,4は燃料および酸化剤(酸素)に暴露されるので、要は、ピンホールなどの欠損を生じさせずに、均一な被膜を形成することができる方法であればよい。
On the opposite side of the catalyst layers 9 and 10 to the
これら各層および集電板3,4を重ね合わせてホットプレス機で加熱加圧することにより、一体構造化してMEA2を作製した。MEA2のカソード側に、前述した多孔質膜5が設けられている。その多孔質膜5は、前述した図4に示したように、ePTFE膜5aとePTFE膜5cとによって二層に形成されたものを用いた。ePTFE膜5aに比較して相対的に水の透過性が高いePTFE膜5c側が、カソード側集電板3に接触して設けられている。また、ePTFE膜5aには、例えばその周縁に連通孔5bが形成されており、その連通孔5bは、前述したようにバイポーラープレート6の空気供給チャンネル6aの開口部6cに対向する位置に複数形成されている。なお、連通孔5bの数および孔の大きさならびにその配置を調整することにより、連通孔5bから排出させる水の量を調整することができる。
These layers and
そして、MEA2およびそのカソード側に設けられた多孔質膜5を挟んでその両側に、バイポーラープレート6がそれぞれ設けられている。バイポーラープレート6は、例えば繊維あるいは樹脂とプラスチック(合成樹脂)との複合材料によって構成されるいわゆる繊維強化プラスチック(FRP)であって、例えば繊維が敷き詰められた型にプラスチック樹脂を注入して成形するインジェクション成形などによって形成されている。バイポーラープレート6のカソード側には、外部から取り入れた空気を流通させるための空気供給チャンネル6aが互いに平行な直線形状に形成されている。その空気供給チャンネル6aの幅は、1.0mm、リブ6bの幅は1.0mmになるように作製した。
一方、アノード側には、燃料タンク(図示せず)に貯留されたメタノール水溶液を流通させるための燃料供給チャンネル6dが蛇状に蛇行して形成されている。その燃料供給チャンネル6dの幅は、2.0mm、リブ6eの幅は1.2mmになるように作製した。なお、これらの空気供給チャンネル6aと燃料供給チャンネルとは、空気供給チャンネル6aの直線部分と燃料供給チャンネル6dの直線部分とが互いに直交するように形成されている。
On the other hand, on the anode side, a
そして、これらを樹脂製のエンドプレート(図示せず)により挟み込んで固定化し実験機を作製し、その継続的な放電圧もしくは放電流を測定し、その発電特性を評価した。なお、空気供給チャンネル6aに空気(酸素)を供給するために、消費電力が0.3Wの小型ファンを用いた。また、燃料には水で希釈した2wt%メタノール水溶液を用い、その送液にダイアフラムポンプを用いた。
And these were pinched | interposed and fixed with resin-made end plates (not shown), the experimental machine was produced, the continuous discharge voltage or discharge current was measured, and the power generation characteristic was evaluated. A small fan with power consumption of 0.3 W was used to supply air (oxygen) to the
図7に、前述したように作製した本発明例のDMFC1の実験機の発電特性を示してある。DMFC1の実験機は、室温で稼働(発電)させ、電圧を0.4Vで一定にした場合の放電流を計測した。図7に示したように、約9時間に亘って発電を継続したが、約9時間後において1.0A以上の電流値が認められ、また、明らかな電流値の低下あるいは大きな変動は認められなかった。すなわち、連通孔5bが形成された多孔質膜5をカソード側に設けることにより、水のクロスオーバーによって移動した水および発電にともなって生成した水によってカソード側GDL11が浸漬され、また、それらの水によって酸素の供給が妨げられることが防止もしくは抑制されることが確認された。また、連通孔5bを流通した水は、バイポーラープレート6の空気供給チャンネル6aから排出されることが確認された。言い換えれば、連通孔5bが形成された多孔質膜5をカソード側に設けることにより、発電量の低下を防止もしくは抑制できることが確認された。
FIG. 7 shows the power generation characteristics of the DMFC 1 experimental machine of the present invention manufactured as described above. The DMFC1 experimental machine was operated (power generation) at room temperature, and the discharge current was measured when the voltage was kept constant at 0.4V. As shown in FIG. 7, power generation was continued for about 9 hours, but after about 9 hours, a current value of 1.0 A or more was observed, and a clear decrease or large fluctuation in current value was observed. There wasn't. That is, by providing the
図8に、前述したように作製した本発明例のDMFC1の実験機を用いて発電をおこなった場合における異なる電流値ごとの放電圧特性を示してある。DMFC1の実験機は、室温で稼働(発電)させ、電流値を1.0A,1.3A,1.5A,1.7Aにした場合の放電圧を計測した。図8に示したように、長時間に亘って、低電流領域では放電圧に大きな変化は認められず、安定して発電がおこなわれていることが認められた。電流値を1.7Aに設定した場合に、いくぶん放電圧に変化が見られたが、大きな放電圧の低下は認められなかった。すなわち、連通孔5bが形成された多孔質膜5をカソード側に設けることにより、水のクロスオーバーによって移動した水および発電にともなって生成した水によってカソード側GDL11が浸漬され、また、それらの水によって酸素の供給が妨げられることが防止もしくは抑制されることが確認された。言い換えれば、連通孔5bが形成された多孔質膜5をカソード側に設けることにより、発電量の低下を防止もしくは抑制できることが確認された。
FIG. 8 shows discharge voltage characteristics for different current values when power generation is performed using the DMFC1 experimental machine of the present invention example manufactured as described above. The DMFC1 experimental machine was operated (power generation) at room temperature, and the discharge voltage was measured when the current values were 1.0 A, 1.3 A, 1.5 A, and 1.7 A. As shown in FIG. 8, it was recognized that a large change in discharge voltage was not observed in a low current region over a long period of time, and power generation was stably performed. When the current value was set to 1.7 A, a slight change in the discharge voltage was observed, but no significant decrease in discharge voltage was observed. That is, by providing the
前述したように構成した多孔質膜5およびMEA2を16個(組)積層して16セルDMFC1を作製その発電特性を評価した。図9に、16セルDMFC1の各セルごとの放電圧特性を示してある。図9に示したように、約7時間に亘って各セルの放電圧を測定したが、各セルの放電圧は、0.45V前後であり、放電圧の低下は認められなかった。これは、各セルごとの発電量が均一であり、言い換えれば、各セルごとに一様に過剰な水が排出され、また酸素が供給されていることを示している。すなわち、発電量のバラツキが小さく、各セルごとの発電量が一定である(安定している)ことが確認された。また、連通孔5bが形成された多孔質膜5をカソード側に設けることにより、各セルごとの発電量のバラツキを抑え、また、各セルごとの発電量の低下を防止もしくは抑制できることが確認された。
Sixteen (set)
(比較例1)
図10に、比較例1として、前述したように作製した本発明例のDMFC1の実験機において、多孔質膜5を除いた構成のDMFC1の発電特性を示してある。図10に示したように、時間の経過とともに、電流値が低下することが認められた。この比較例1に用いた実験機を目視により確認したところ、カソード側GDL11およびバイポーラープレート6の空気供給チャンネル6aに多量の水が認められた。すなわち、水のクロスオーバーによって移動した水および発電にともなって生成した水によってカソード側GDL11および集電板3が浸漬され、また酸素の供給が妨げられたことにより発電量が低下したものと確認された。
(Comparative Example 1)
FIG. 10 shows, as Comparative Example 1, the power generation characteristics of the DMFC 1 having the configuration excluding the
(比較例2)
図11に、比較例2として、前述したように作製した本発明例のMDFC実験機において、連通孔5bを形成していない多孔質膜5を適用した構成のDMFC1の発電特性を示してある。図11において、比較例2の発電特性を実線で示してあり、また、従来構成のDMFC1の発電特性を破断線で示してある。図11に示したように、約8時間後において、本発明例のDMFC1の実験機では0.6A以上の電流値が認められた。一方、従来構成のDMFC1は、時間の経過とともにその発電量が低下することが認められた。また、前述した比較例1と比較して、電流値の低下が小さく抑えられており、相対的に発電が安定していることが認められた。すなわち、その結果から、連通孔5bが形成された多孔質膜5をカソード側に配置することにより、水のクロスオーバーによって移動した水および発電にともなって生成した水によるカソード側GDL11および集電板3の浸漬が抑制でき、また酸素の供給が妨げられることを防止もしくは抑制できることが確認された。
(Comparative Example 2)
FIG. 11 shows, as Comparative Example 2, the power generation characteristics of the DMFC 1 having a configuration in which the
したがって、本発明例によれば、多孔質膜5(ePTFE膜5a)は、水に比較して気体の透過性が高いので、酸化剤である酸素は多孔質膜5を透過してMEA2に供給される。また、水のクロスオーバーによってカソード側に移動した水およびMEA2で発電にともなって生成した水の一部は、主として多孔質膜5に形成された連通孔5bを流通し、バイポーラープレート6の空気供給チャンネル6aを介して外部に排出される。さらにまた、過剰な水は、多孔質膜5およびカソード側GDL11に設けられた多孔層13がアノードとカソードとの間で発生させる水圧差によってアノード側に戻される。
Therefore, according to the example of the present invention, the porous membrane 5 (
前述した多孔質膜5は、水の透過性よりも気体の透過性が高い多孔構造を有しているため、これにより酸素の供給を維持することができる。また、連通孔5bが形成されているので、この連通孔5bから過剰な水を排出することができる。言い換えれば、一つの多孔質膜5で酸素の供給と水の排出とを両立することができる。
Since the
その結果、連通孔5bが形成された多孔質膜5をカソード側に設けることにより、水のクロスオーバーによって移動した水および発電にともなって生成した水によってカソード側GDL11が浸漬され、また、それらの水によって酸素の供給が妨げられることが防止もしくは抑制される。そしてこれにより、発電量の低下を防止もしくは抑制することができる。
As a result, by providing the
1…DMFC、 2…発電部(MEA)、 3,4…集電板、 5…多孔質膜、 5b…連通孔、 13…多孔層。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... DMFC, 2 ... Electric power generation part (MEA), 3, 4 ... Current collecting plate, 5 ... Porous membrane, 5b ... Communication hole, 13 ... Porous layer.
Claims (6)
水に比較して気体の透過性が高い孔が形成されている多孔質膜の一方の面が前記発電部のカソード側に接触して設けられるとともに、
前記発電部のカソード側に接触している前記多孔質膜の少なくとも一部分に、前記多孔質膜の一方の面と他方の面とを連通し、前記孔に比較して前記水の透過性が高い複数の連通孔が形成されている
ことを特徴とするダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置。 In a direct methanol fuel cell moisture content adjustment device in which water is generated along with the electrochemical reaction on the cathode side of a power generation unit that generates power by an electrochemical reaction between an aqueous methanol solution and oxygen,
One surface of a porous membrane in which a hole having a high gas permeability compared to water is provided in contact with the cathode side of the power generation unit,
One surface and the other surface of the porous membrane communicate with at least a part of the porous membrane in contact with the cathode side of the power generation unit, and the water permeability is higher than that of the hole. A device for adjusting the amount of water in a direct methanol fuel cell, wherein a plurality of communication holes are formed.
前記発電部のカソード側に設けられたガス拡散層は撥水処理が施されており、前記カソード側に設けられた集電板に前記多孔質膜が接触して設けられている
ことを特徴とする請求項1または2に記載のダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置。 The power generation unit includes an electrolyte membrane, a catalyst layer provided across the electrolyte membrane, a gas diffusion layer provided on the surface of the catalyst layer opposite to the electrolyte membrane side, and a gas diffusion layer A current collector plate provided on the surface opposite to the catalyst layer side,
The gas diffusion layer provided on the cathode side of the power generation unit is subjected to water repellent treatment, and the porous film is provided in contact with a current collector plate provided on the cathode side. The water content adjustment device for a direct methanol fuel cell according to claim 1 or 2.
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