JP2011175838A - Unit cell, compound unit cell and fuel cell stack using them - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、調湿層を備えた単位電池および複合単位電池、ならびにこれらを用いた燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a unit cell and a composite unit cell having a humidity control layer, and a fuel cell stack using them.
近年、情報化社会を支える携帯電子機器等に用いられる小型電源として、燃料電池に対する期待が高まっている。燃料電池は、携帯電子機器等に電子を供給する化学電池であり、単独の発電装置で高い発電効率を得ることができる。燃料電池は、アノード極で燃料(たとえば水素、メタノール、エタノール、ヒドラジン、ホルマリン、ギ酸等)を酸化し、カソード極で空気中の酸素を還元するという電気化学反応を利用する。 In recent years, there is an increasing expectation for a fuel cell as a small power source used in portable electronic devices and the like that support the information society. A fuel cell is a chemical cell that supplies electrons to a portable electronic device or the like, and high power generation efficiency can be obtained with a single power generation device. The fuel cell utilizes an electrochemical reaction in which fuel (for example, hydrogen, methanol, ethanol, hydrazine, formalin, formic acid, etc.) is oxidized at the anode electrode and oxygen in the air is reduced at the cathode electrode.
多種ある燃料電池の中でも、電解質膜としてプロトン交換したイオン交換膜を用いる固体高分子型燃料電池(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)は、100℃以下の低温動作においても高い発電効率が得られる。このことから、リン酸型燃料電池や固体酸化物型燃料電池等の高温で動作させる燃料電池に比べて、外部から熱を与える必要がないという点、および大掛かりな補機類を必要としないという点等にメリットがあり、小型電源として実用化されることが期待されている。 Among various fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) using a proton exchange ion exchange membrane as an electrolyte membrane can obtain high power generation efficiency even at low temperature operation of 100 ° C. or less. Therefore, compared to fuel cells that operate at high temperatures such as phosphoric acid fuel cells and solid oxide fuel cells, it is not necessary to apply heat from the outside, and large-scale accessories are not required. There are merits in the point, etc., and it is expected to be put to practical use as a small power source.
PEMFCに用いる燃料は、高圧ガスボンベを用いた水素ガスの他、有機液体燃料を改質器により分解して得られる水素ガスと二酸化炭素ガスとの混合ガス等を用いることが一般的である。 As a fuel used for the PEMFC, in addition to hydrogen gas using a high-pressure gas cylinder, a mixed gas of hydrogen gas and carbon dioxide gas obtained by decomposing an organic liquid fuel with a reformer is generally used.
一方、直接メタノール型燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)は、アノード極にメタノール水溶液を供給し、メタノール水溶液から直接プロトンと電子とを取り出すことにより発電を行なうため、改質器を備える必要がない。これによりDMFCは、PEMFC以上に小型化することができることから、最も実用化が期待されている燃料電池とも言われている。そして、DMFCは、携帯電子機器のような小型電源への応用、特に携帯電子機器用の2次電池代替用途に注目が集まっている。 On the other hand, a direct methanol fuel cell (DMFC) needs to be equipped with a reformer because it generates power by supplying a methanol aqueous solution to the anode electrode and extracting protons and electrons directly from the methanol aqueous solution. Absent. As a result, the DMFC can be made smaller than the PEMFC, and is therefore said to be the fuel cell that is most expected to be put to practical use. DMFC is attracting attention for its application to small power sources such as portable electronic devices, especially for secondary battery replacement for portable electronic devices.
また、DMFCは、大気圧下で液体であるメタノール水溶液を燃料として用いることから、高い体積エネルギー密度を有した燃料を小型の簡易容器で取り扱うことができる。このためDMFCは、高圧ガスボンベを用いなくてもよいことから安全性の面でも優れている。 In addition, since the DMFC uses a methanol aqueous solution that is liquid at atmospheric pressure as a fuel, a fuel having a high volumetric energy density can be handled in a small simple container. For this reason, the DMFC is superior in terms of safety because it does not require the use of a high-pressure gas cylinder.
ところで、DMFCではアノード極およびカソード極でそれぞれ以下のような反応が起きる。 By the way, in DMFC, the following reactions occur at the anode and cathode, respectively.
アノード極:CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
カソード極:(3/2)O2+6H++6e-→3H2O
このように、DMFCはアノード極においてメタノールと水が反応して二酸化炭素とプロトンと電子を生成する。一方、カソード極において酸素とプロトンと電子が反応して水が生成する。
Anode electrode: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e −
Cathode: (3/2) O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O
Thus, in the DMFC, methanol and water react at the anode electrode to generate carbon dioxide, protons and electrons. On the other hand, oxygen, protons, and electrons react at the cathode electrode to produce water.
アノード極には、メタノールを含む燃料が供給されるが、この燃料は大別して、メタノールの分子量よりも水の分子量を多い割合で混合した低濃度メタノール水溶液と、水の分子量よりもメタノールの分子量を多い割合で混合した高濃度メタノール水溶液とがある。後者の高濃度メタノール水溶液は、燃料の体積あたりのエネルギー密度が高い。このため、低濃度メタノール水溶液を供給するよりも、長時間の発電または燃料カートリッジの小型化が可能となる。 A fuel containing methanol is supplied to the anode electrode. This fuel is roughly divided into a low-concentration aqueous methanol solution in which the molecular weight of water is higher than the molecular weight of methanol, and the molecular weight of methanol over that of water. There is a high concentration methanol aqueous solution mixed in a large proportion. The latter high-concentration aqueous methanol solution has a high energy density per fuel volume. For this reason, it is possible to reduce the size of the power generation or the fuel cartridge for a long time rather than supplying a low concentration aqueous methanol solution.
アノード極では、メタノールと水とをそれぞれ等モルずつ反応するため、高濃度メタノールを供給すると、メタノールに対して水が不足することになる。この不足分の水は、カソード極の反応で生成した水が、濃度勾配や圧力勾配等により電解質膜を介してカソード極からアノード極へ移動すること(以下、「逆拡散」とも記する)により補われる。 In the anode electrode, methanol and water react with each other in equimolar amounts. Therefore, when high-concentration methanol is supplied, water is insufficient with respect to methanol. This shortage of water is caused by the water generated by the reaction at the cathode electrode moving from the cathode electrode to the anode electrode through the electrolyte membrane due to a concentration gradient or pressure gradient (hereinafter also referred to as “reverse diffusion”). Be compensated.
しかしながら、カソード極の反応で生成した水の一部は、水蒸気として蒸散し空気とともに外部に排出される。外部に排出される水の量が過剰になると、逆拡散が起こらず、アノード極が水不足になって反応過電圧が増大したり、電解質膜が乾燥して電気抵抗が増大したりし、燃料電池の出力が低下するという問題がある。 However, part of the water generated by the reaction at the cathode electrode is evaporated as water vapor and discharged to the outside together with air. If the amount of water discharged to the outside becomes excessive, back diffusion does not occur, the anode electrode becomes insufficient in water, the reaction overvoltage increases, the electrolyte membrane dries and the electrical resistance increases, and the fuel cell There is a problem that the output decreases.
このような問題を解決するための試みとして、特許文献1には、電解質層、触媒層、ガス拡散層、および集電体をこの順に積層されてなる燃料電池において、集電体のガス拡散層とは反対側に、水分の吸放出が可能な調湿層を設ける技術が開示されている。 As an attempt to solve such a problem, Patent Document 1 discloses a gas diffusion layer of a current collector in a fuel cell in which an electrolyte layer, a catalyst layer, a gas diffusion layer, and a current collector are laminated in this order. A technique of providing a humidity control layer capable of absorbing and releasing moisture on the opposite side is disclosed.
しかしながら、特許文献1の燃料電池を長期間使用することなく放置した後に起動させる場合、調湿層の燃料電池の内外の温湿度が等しくなっていることにより、カソード極で生成した水蒸気を調湿層が積極的に取り込んでしまう。このため、燃料電池内部の湿度が上がりにくく、アノード極での水不足および電解質膜の乾燥が生じ、その起動時に出力が立ち上がりにくいという問題があった。 However, when starting the fuel cell of Patent Document 1 after leaving it for a long time without using it for a long time, the temperature and humidity inside and outside the fuel cell in the humidity control layer are the same, so that the water vapor generated at the cathode electrode is humidity controlled. The layer will actively take in. For this reason, there has been a problem that the humidity inside the fuel cell is difficult to increase, water shortage at the anode electrode and drying of the electrolyte membrane occur, and the output hardly rises at the start-up.
本発明の単位電池は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、アノード極の水不足および電解質層の乾燥を抑制し、もって起動時の出力の立ち上がりを向上させるところにある。 The unit cell of the present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to suppress the anode water shortage and the electrolyte layer from drying, and thus to increase the output at startup. Is to improve.
本発明の単位電池は、カソード集電体と、カソード極と、電解質膜と、アノード極と、アノード集電体とをこの順に含むものであって、該カソード集電体のカソード極と接する側とは反対側に調湿層を備え、該調湿層は、外部の湿気を取り込むための吸湿層と、該吸湿層内の湿気を吸水するための吸水層とを含み、該吸水層は、カソード集電体に接するように配置されることを特徴とする。 The unit battery of the present invention includes a cathode current collector, a cathode electrode, an electrolyte membrane, an anode electrode, and an anode current collector in this order, and the side in contact with the cathode electrode of the cathode current collector The moisture conditioning layer includes a moisture absorbing layer for taking in external moisture, and a moisture absorbing layer for absorbing moisture in the moisture absorbing layer, the moisture absorbing layer comprising: It is arranged to be in contact with the cathode current collector.
調湿層は、カソード集電体と接する側に、吸水層で保持された水分を放出するための放湿層をさらに備えることが好ましい。 It is preferable that the humidity control layer further includes a moisture release layer for releasing moisture retained by the water absorption layer on the side in contact with the cathode current collector.
放湿層は、吸湿層を構成する材料よりも吸湿性の低い材料からなることが好ましい。
カソード集電体は、その表裏を貫通する第1の貫通孔を有し、吸湿層は、その表裏を貫通する第2の貫通孔を有することが好ましい。第2の貫通孔は、第1の貫通孔上の位置に形成されることが好ましい。第2の貫通孔の口径の面積Sbは、第1の貫通孔の口径の面積Sa以上であることが好ましい。
The moisture release layer is preferably made of a material that has a lower hygroscopic property than the material constituting the moisture absorption layer.
The cathode current collector preferably has a first through hole penetrating the front and back surfaces, and the moisture absorption layer preferably has a second through hole penetrating the front and back surfaces. The second through hole is preferably formed at a position on the first through hole. The area Sb of the diameter of the second through hole is preferably equal to or larger than the area Sa of the diameter of the first through hole.
吸水層は、その表裏を貫通する第3の貫通孔を有し、該第3の貫通孔は、第1の貫通孔上に形成され、該第3の貫通孔の口径の面積Scは、第1の貫通孔の口径の面積Saよりも小さいことが好ましい。 The water absorption layer has a third through hole penetrating the front and back surfaces, the third through hole is formed on the first through hole, and the area Sc of the diameter of the third through hole is the first through hole. It is preferable that the area Sa of the diameter of one through hole is smaller.
吸水層は、その表裏を貫通する第3の貫通孔を有し、吸水層で保持された水分を放出するための放湿材が第3の貫通孔の内部に充填されることが好ましい。調湿層のカソード集電体と接する側とは反対側に保護層を備えることが好ましい。 It is preferable that the water absorption layer has a third through hole penetrating the front and back surfaces, and a moisture-absorbing material for releasing moisture held in the water absorption layer is filled in the third through hole. It is preferable to provide a protective layer on the side of the humidity control layer opposite to the side in contact with the cathode current collector.
本発明の複合単位電池は、2つの単位電池と、該2つの単位電池のアノード極に燃料を供給するための燃料供給手段とを含む複合単位電池であって、該2つの単位電池のアノード集電体はいずれも、燃料供給手段に対向するように配置され、該2つの単位電池のうちの少なくとも一方は、上記に記載の単位電池であることを特徴とする。燃料供給手段は、燃料流路または供給層であることが好ましい。 The composite unit cell of the present invention is a composite unit cell including two unit cells and a fuel supply means for supplying fuel to the anode electrode of the two unit cells, and the anode unit of the two unit cells. Each of the electric bodies is disposed so as to face the fuel supply means, and at least one of the two unit cells is the unit cell described above. The fuel supply means is preferably a fuel flow path or a supply layer.
本発明の燃料電池スタックは、2つ以上の単位電池を同一平面内に隙間を設けて配置される燃料電池層を2層以上積層してなるものであって、該2つ以上の単位電池の少なくとも1つは、調湿層を含む単位電池であることを特徴とする。 The fuel cell stack of the present invention is formed by laminating two or more fuel cell layers in which two or more unit cells are arranged with a gap in the same plane. At least one of the unit cells includes a humidity control layer.
本発明の燃料電池スタックは、2つ以上の単位電池を同一平面内に隙間を設けて配置される燃料電池層を2層以上積層してなる燃料電池スタックであって、該燃料電池層のうちの少なくとも1層は、調湿層を含む単位電池を用いた複合単位電池を同一平面内に隙間を設けて2つ以上配置されてなることを特徴とする。 The fuel cell stack according to the present invention is a fuel cell stack formed by laminating two or more fuel cell layers in which two or more unit cells are arranged with a gap in the same plane, and the fuel cell stack includes: The at least one layer is characterized in that two or more composite unit cells using unit cells including a humidity control layer are arranged with a gap in the same plane.
本発明の単位電池によれば、アノード極の水不足および電解質層の乾燥を抑制し、もって起動時の出力の立ち上がりを向上させることができる。 According to the unit battery of the present invention, the shortage of water in the anode electrode and the drying of the electrolyte layer can be suppressed, thereby improving the rise in output at the time of startup.
以下、本発明の単位電池の実施の形態を説明する。なお、以下の実施の形態の説明では、図面を用いて説明しているが、本願の図面において同一の参照符号を付したものは、同一部分または相当部分を示している。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。本願の図面において、長さ、幅、厚さ等の寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。 Hereinafter, embodiments of the unit battery of the present invention will be described. In the following description of the embodiments, the description is made with reference to the drawings. In the drawings of the present application, the same reference numerals denote the same or corresponding parts. The configurations shown in the drawings and the following description are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to those shown in the drawings and the following description. In the drawings of the present application, dimensional relationships such as length, width, and thickness are appropriately changed for clarity and simplification of the drawings, and do not represent actual dimensional relationships.
<<単位電池>>
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態の単位電池の模式的な断面図および上面図である。本実施の形態の単位電池100は、図1に示されるように、カソード集電体105と、カソード極103と、電解質膜101と、アノード極102と、アノード集電体104とをこの順に含むものであって、カソード集電体105のカソード極103と接する側とは反対側に調湿層120を備え、該調湿層120は、外部の湿気を取り込むための吸湿層121と、該吸湿層121内の湿気を吸水するための吸水層122とを含み、該吸水層122は、カソード集電体105に接するように配置されることを特徴とする。以下においては、本実施の形態の単位電池100を構成する各部を説明する。
<< Unit battery >>
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view and a top view of a unit battery according to the present embodiment. As shown in FIG. 1,
<調湿層>
本発明において、調湿層120は、外部の湿気を取り込むための吸湿層121と、該吸湿層121内の湿気を吸水するための吸水層122とを含むことを特徴とする。このような調湿層120は、ある定まった湿度以上のときには吸湿を行なう一方、その定まった湿度未満になると放湿を行なうという性質を有することが好ましい。
<Humidity control layer>
In the present invention, the
このように吸湿層121と吸水層122との2層構造の調湿層120を、カソード集電体105に接して設けることにより、調湿層120が燃料電池内の湿気を取り込むことなく、外部の湿気のみを取り込むことができる。これによりアノード極102で必要な水の不足を抑制するとともに、電解質膜101が乾燥するのを抑制し、長期間不使用の燃料電池を起動したときの出力の立ち上がりを良好にすることができる。
Thus, by providing the
このような吸湿層121および吸水層122は、外部の相対湿度が高いほど吸湿量が高くなる材料を選択する必要がある。外部の相対湿度が高い場合には、吸湿層121が積極的に外部の湿気を吸湿し、吸湿層121が吸水層122よりも吸湿量が多いことが好ましい。一方、外部の相対湿度が低い場合には、吸水層122が積極的に吸湿層121の湿気を吸湿し、吸水層122が吸湿層121よりも吸湿量が多いことが好ましい。以下、図2を用いて吸湿層121および吸水層122の吸水量に関して具体的に説明する。
For the
図2は、吸湿層および吸水層の吸湿量を示したグラフである。図2の縦軸は、吸湿層および吸水層を構成する材料1gあたりの吸湿量(g/g)を示したものであり、横軸は、外部の相対湿度(%RH)である。そして、実線が吸湿量であり、点線が放湿するときの吸湿量を示している。また、A1は吸湿層を示し、A2は吸水層を示している。 FIG. 2 is a graph showing the moisture absorption amount of the moisture absorption layer and the water absorption layer. The vertical axis in FIG. 2 shows the amount of moisture absorption (g / g) per 1 g of the material constituting the moisture absorption layer and the water absorption layer, and the horizontal axis is the external relative humidity (% RH). The solid line indicates the moisture absorption amount, and the dotted line indicates the moisture absorption amount when the moisture is released. A1 represents a moisture absorption layer, and A2 represents a water absorption layer.
たとえば相対湿度が80%RHのときには、吸湿層(A1)は、それを構成する材料1gあたりに最低でも0.2gの湿気を積極的に吸湿し、最大0.6gまで吸湿する。0.6gを超えると、その分の湿気は外部(たとえば吸水層)に放出される。一方、相対湿度が80%RHのとき、吸水層(A2)は、それを構成する材料1gあたりに約0.43gを吸水し、かつ0.43gを超えると、その分の湿気はカソード集電体側に放出される。 For example, when the relative humidity is 80% RH, the moisture absorption layer (A1) actively absorbs at least 0.2 g of moisture per 1 g of the material constituting the layer, and absorbs up to 0.6 g. If it exceeds 0.6 g, the corresponding moisture is released to the outside (for example, the water absorption layer). On the other hand, when the relative humidity is 80% RH, the water absorption layer (A2) absorbs about 0.43 g per gram of the material constituting the water absorption layer, and when the relative humidity exceeds 0.43 g, the corresponding moisture becomes the cathode current collector. Released to the side of the body.
したがって、上記の調湿層120を相対湿度80%RHのところに配置すると、まず吸湿層121が外気から湿気を取り込み始めるが、それと同時に吸水層122が吸湿層121から湿気を取り込み始め、吸水層122の吸湿量が0.43g/gとなるまで湿気を取り込む。吸湿層121は吸水層122に湿気を取り込まれるが、その取り込まれた分の湿気を外部の湿気で補完し、その吸湿量が0.2g/gとなるように保つ。このようにして外部の湿気を調湿層120が取り込むことにより、電解質膜101およびアノード極102の乾燥を抑制し、もって起動時の出力の立ち上がりを向上することができる。
Therefore, when the
<吸湿層>
本発明において、吸湿層121は、外部の湿気を取り込むために吸水層122に接するように設けられるものである。このようにカソード集電体105に接することなく、吸湿層121を設けることにより、カソード集電体105からの湿気を吸湿することなく、外部の湿気のみを吸湿することができる。これにより電解質膜101の乾燥を防止するとともに、アノード極102の水不足の防止に寄与する。
<Hygroscopic layer>
In the present invention, the
このような吸湿層121に用いられる材料としては、たとえばセピオライト、ゼオライト、シリカゲル等の他、水酸化ナトリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム等の潮解性物質を挙げることができる。このような材質を吸水層122上に層状に形成することにより、吸湿層121を形成することができる。
Examples of the material used for the
このような吸湿層121を構成する材料の中でも、外部からの衝撃に対する強度を高めるという観点からは、セピオライト、ゼオライト等を用いることが好ましい。なお、吸湿層121上にさらに保護層(図示せず)を設け、外部からの衝撃に対する強度を高めてもよい。保護層に関しては後述する。
Among the materials constituting the
また、吸水層122のカソード集電体105と接する側とは反対側の表面に、潮解性物質を含有させることにより吸湿層121を形成してもよい。このようにして吸湿層121を形成する場合、吸湿層121と吸水層122との界面が図1に示すように明確に形成されないこともあるが、この場合は、吸水層122を構成する材料のうちの潮解性物質を含んだ部分を吸湿層121とみなすものとする。
Further, the
<吸水層>
本発明において、吸水層122は、吸湿層121とカソード集電体105との間に設けられることを特徴とする。この吸水層122は、吸湿層121の湿気のみを吸水するが、カソード集電体105側の水分をほとんど吸水しないような材料が用いられる。このため、長期間不使用の燃料電池を起動したときにも、電解質膜101が乾燥しにくく、かつアノード極102の水不足も生じにくいため、良好に出力を立ち上げることができる。
<Water absorption layer>
In the present invention, the
このような吸水層122に用いられる材料としては、水に溶解するものでなければ特に限定されることなくいかなるものを用いることもできるが、高分子材料等の有機物質からなる多孔質体を用いることが好ましい。このような多孔質体としては、たとえば綿、発泡体、繊維束、織繊維、不織繊維、多孔質焼結体、あるいはこれらの材料の組み合わせからなるものを挙げることができる。
As a material used for such a
上記の高分子材料等の有機物質としては、たとえば、天然繊維、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン、アクリル、ポリアミド、ポリオレフィン、ポリアセタール、ポリビニル、ポリカーボネート、ポリエーテル、ポリフェニレン等から選択される1種または2種以上の組み合わせを用いることがより好ましい。 Examples of the organic substance such as the polymer material include one or two selected from natural fibers, polyester, polyethylene, polypropylene, polyurethane, acrylic, polyamide, polyolefin, polyacetal, polyvinyl, polycarbonate, polyether, polyphenylene, and the like. It is more preferable to use a combination of species or more.
<保護層>
本実施の形態において、調湿層120のカソード集電体105と接する側とは反対側に、保護層(図示せず)をさらに備えることが好ましい。このように保護層を設けることにより、外部からの衝撃に対する強度を向上させることができる。このような保護層を構成する材料としては、たとえばポリエチレン、ポリエステル、ポリビニル、およびポリカーボネートからなる群より選択される1種以上の高分子多孔質膜を挙げることができる。このような保護層を構成する高分子多孔質膜は、その空隙率が高いことが好ましい。これにより吸湿層121が外気の湿気を吸湿する性能を損なうことなく、外部からの衝撃に対する単位電池の強度を高めることができる。
<Protective layer>
In the present embodiment, it is preferable that a protective layer (not shown) is further provided on the side of the
<膜電極複合体>
本発明の単位電池100は、図1に示されるように、アノード極102と電解質膜101とカソード極103とをこの順に含む膜電極複合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を含むものである。そして、単位電池100は、電子の授受を効率的に行なうために、さらにアノード集電体104とカソード集電体105とを備える。
<Membrane electrode composite>
As shown in FIG. 1, the
上記のアノード集電体104は、図1に示されるように燃料輸送用の空間である燃料流路106をアノード極102に接して設けることが好ましい。これによりアノード極102に燃料を効率的に供給するとともに、アノード極102で発生した電子をアノード集電体104に流すことができる。
As shown in FIG. 1, the anode
図1に示すように燃料流路106を設ける場合のみに限られるものではなく、たとえばアノード集電体104のアノード極102と接する側とは反対側に、燃料流路を有する流路板を設けてもよい。このような流路板を配置することにより、その燃料流路からアノード集電体104を介してアノード極102に燃料を供給することもできる。
As shown in FIG. 1, the present invention is not limited to the case where the
以下において、膜電極複合体の発電の動作を説明する。図1の単位電池100において、燃料としてメタノール水溶液を用いる場合、メタノール水溶液は燃料流路106を通ってアノード極102に供給され、アノード極102でCH3OH+H2O→CO2+6H++6e-と反応して水素イオンと電子とを発生する。
Hereinafter, the power generation operation of the membrane electrode assembly will be described. In the
ここで、生成した水素イオンは、電解質膜101を通じてカソード極103へ移動する。一方、大気中から空気がカソード極103に供給されて、カソード極103で酸化剤として機能し、(3/2)O2+6H++6e-→3H2Oと反応して水を発生する。このようにアノード極102で発生した電子が、カソード極103に流れるまでの流れを、外部回路を介して電流として取り出す。これにより単位電池100から電気エネルギーを得ることができる。ここで、カソード極103で発生した水の一部は、蒸散されて空気とともに外部に放出される。一方、蒸散されなかった水は、電解質膜101およびアノード極102に供給され、電解質膜101が乾燥されるのを防止するとともに、アノード極での水不足も緩和する。
Here, the generated hydrogen ions move to the
<燃料>
本発明の単位電池100に供給される燃料としては、電気分解により電力を得ることができるものであれば、気体燃料、および液体燃料のいずれを用いてもよい。気体燃料としては、たとえば水素、DME、メタン、ブタン、アンモニア等を挙げることができる。液体燃料としては、メタノール、エタノール等のアルコール類、ジメトキシメタン等のアセタール類、ギ酸等のカルボン酸類、ギ酸メチル等のエステル類、ヒドラジン等を挙げることができる。
<Fuel>
As the fuel supplied to the
なお、上述の液体燃料は、常温で液体の燃料を挙げているが、液体燃料を気化して気相供給してもよい。上述した気体燃料および液体燃料は1種に限定されず、2種以上の混合物であってもよい。体積あたりのエネルギー密度の観点から、メタノールを用いることが好ましい。 In addition, although the above-mentioned liquid fuel mentions the liquid fuel at normal temperature, you may vaporize liquid fuel and supply it to a gaseous phase. The gas fuel and liquid fuel described above are not limited to one type, and may be a mixture of two or more types. From the viewpoint of energy density per volume, it is preferable to use methanol.
<酸化剤>
本発明の単位電池に供給される酸化剤としては、酸素、過酸化水素、硝酸を用いることが好ましい。酸化剤のコストの観点から、空気中の酸素を用いることがより好ましい。以下に単位電池100を構成する各層を説明するにあたり、説明の便宜上、燃料としてメタノール、酸化剤として空気を用いた場合を記載する場合があるが、これらの材料を用いた場合に限定されるものではない。
<Oxidizing agent>
As the oxidant supplied to the unit battery of the present invention, oxygen, hydrogen peroxide, and nitric acid are preferably used. From the viewpoint of the cost of the oxidizing agent, it is more preferable to use oxygen in the air. In the following description of each layer constituting the
<電解質膜>
本発明において、電解質膜101は、アノード極102で発生したプロトンを伝導してカソード極103に透過させるものであって、電気的絶縁性を有する材質のものであれば従来公知のいかなる材質のものを用いることもできる。電解質膜101としては、たとえば高分子膜、無機膜、またはコンポジット膜により形成することができる。
<Electrolyte membrane>
In the present invention, the
電解質膜101に用いられる高分子膜としては、たとえばパーフルオロスルホン酸系電解質膜であるナフィオン(NAFION(登録商標):デュポン社製)、ダウ膜(ダウ・ケミカル社製)、アシプレックス(ACIPLEX(登録商標):旭化成社製)、フレミオン(登録商標):旭硝子社製)の他、ポリスチレンスルホン酸、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン等の炭化水素系電解質膜等を挙げることができる。
As the polymer membrane used for the
電解質膜101に用いられる無機膜としては、たとえばリン酸ガラス、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸、ポリリン酸アンモニウム等を挙げることができる。コンポジット膜としては、たとえばゴアセレクト膜(ゴアセレクト(登録商標):ジャパンゴアテックス株式会社製)を挙げることができる。
Examples of the inorganic film used for the
また、単位電池が100℃付近もしくはそれ以上の温度にも対応するために、低含水時でも高いイオン伝導性を有する電解質膜101の材料を用いることが好ましい。このような電解質膜101の材料としては、たとえばスルホン化ポリイミド、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(AMPS:2-Acrylamido-2-MethylPropaneSulfonic acid)、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、硫酸水素セシウム、ポリリン酸アンモニウム、イオン性液体(常温溶融塩)等を膜化して用いることが好ましい。
Moreover, in order that the unit battery can cope with temperatures near 100 ° C. or higher, it is preferable to use a material for the
このような電解質膜101は、プロトン伝導率が10-5S/cm以上であることが好ましく、パーフルオロスルホン酸ポリマや炭化水素系ポリマ等の高分子の電解質膜のようにプロトン伝導率が10-3S/cm以上のものを用いることがより好ましい。
Such an
<アノード極>
本発明の単位電池100に用いられるアノード極102は、燃料の酸化を促進するアノード触媒を含むアノード触媒層(図示せず)を少なくとも備える。当該アノード触媒上で燃料が酸化反応を起こすことにより、プロトンと電子とを生成する。なお、アノード極102はアノード触媒層とは別にアノード集電体104側(電解質膜101とは反対側)に、アノード多孔質基体(図示せず)を積層した構造であることが好ましい。
<Anode electrode>
The
アノード触媒層は、燃料の酸化を促進するアノード触媒を少なくとも含み、さらにアノード担持体とアノード電解質とを含むことが好ましい。アノード触媒層の厚みはそれぞれ0.1μm以上0.2mm以下とすることが好ましい。アノード触媒層の厚みが0.1μm未満であると、単位電池の出力を向上させるだけの触媒量をアノード触媒層に担持できない虞があり、0.2mmを超えるとプロトン伝導の抵抗および電子伝導の抵抗が大きくなったり、液体燃料または酸化剤の拡散抵抗が増加したりする虞がある。以下の(1)〜(3)には、アノード触媒層に含まれるものを説明する。 The anode catalyst layer preferably includes at least an anode catalyst that promotes oxidation of the fuel, and further includes an anode support and an anode electrolyte. The thickness of the anode catalyst layer is preferably 0.1 μm or more and 0.2 mm or less. If the thickness of the anode catalyst layer is less than 0.1 μm, there is a possibility that the amount of catalyst sufficient to improve the output of the unit cell cannot be supported on the anode catalyst layer. There is a possibility that the resistance increases or the diffusion resistance of the liquid fuel or the oxidant increases. In (1) to (3) below, what is included in the anode catalyst layer will be described.
(1)アノード触媒
アノード触媒は、燃料としてメタノール水溶液を用いる場合、メタノールと水からプロトンと電子を生成する反応の速度を促進する機能を有するものである。アノード触媒は必ずしも一種の材料に限定されず、2種以上の材料を用いてもよい。このようなアノード触媒としては、たとえばPt、Ru、Au、Ag、Rh、Pd、Os、Ir等の貴金属、Ni、V、Ti、Co、Mo、Fe、Cu、Zn、Sn、W、Zr等の卑金属、これらの貴金属または卑金属の酸化物、炭化物および炭窒化物、もしくはカーボンからなる群より選択された材料の1種または2種類以上の組み合わせのものを触媒として用いることができる。
(1) Anode catalyst The anode catalyst has a function of accelerating the reaction rate of generating protons and electrons from methanol and water when an aqueous methanol solution is used as the fuel. The anode catalyst is not necessarily limited to one kind of material, and two or more kinds of materials may be used. Examples of such an anode catalyst include noble metals such as Pt, Ru, Au, Ag, Rh, Pd, Os, and Ir, Ni, V, Ti, Co, Mo, Fe, Cu, Zn, Sn, W, and Zr. Base metals, oxides of these noble metals or base metals, carbides and carbonitrides, or one or a combination of two or more materials selected from the group consisting of carbon can be used as the catalyst.
(2)アノード担持体
アノード担持体は、アノード極102で生成した電子をアノード多孔質基体へ導電する機能を有するものである。アノード担持体は、電気伝導性を有する材料であればどのような材料を用いてもよいが、電気伝導性の高い炭素系材料を用いることが好ましく、電気伝導性の高い炭素系材料としては、たとえばアセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、アモルファスカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等を挙げることができる。また、これらの炭素系材料の他に、Pt、Ru、Au、Ag、Rh、Pd、Os、Ir等の貴金属、Ni、V、Ti、Co、Mo、Fe、Cu、Zn、Sn、W、Zr等の卑金属、これら貴金属または卑金属の酸化物、炭化物、窒化物および炭窒化物からなる群より選択された材料の1種または2種類以上の組み合わせたものを担持体として用いることができる。
(2) Anode carrier The anode carrier has a function of conducting electrons generated at the
また、アノード担持体は、プロトン伝導性を付与した材料であってもよい。このようにプロトン伝導性を付与した材料としては、たとえば硫酸化ジルコニア、リン酸ジルコニウム等を挙げることができる。 The anode carrier may be a material imparted with proton conductivity. Examples of the material imparted with proton conductivity in this way include sulfated zirconia and zirconium phosphate.
また、アノード担持体の表面は親水性であることが好ましい。アノード担持体の表面を親水性にすることにより、アノード触媒層の細孔内に燃料(メタノール水溶液)を保持しやすくなり、燃料やプロトンのアノード触媒層中での拡散性がよくなる。ここで、アノード担持体の表面を親水化する方法しては、アノード担持体の表面をカルボキシル基やヒドロキシル基等の親水性の官能基により修飾する方法を挙げることができる。 The surface of the anode carrier is preferably hydrophilic. By making the surface of the anode carrier hydrophilic, the fuel (methanol aqueous solution) can be easily held in the pores of the anode catalyst layer, and the diffusibility of fuel and protons in the anode catalyst layer is improved. Here, examples of the method for hydrophilizing the surface of the anode carrier include a method of modifying the surface of the anode carrier with a hydrophilic functional group such as a carboxyl group or a hydroxyl group.
このようなアノード担持体の表面を親水化する方法としては、たとえばカーボン表面をグラフト重合することによる表面修飾、シランカップリング剤による表面修飾等が挙げられる。なお、アノード触媒が電子伝導性を有するため、アノード担持体を設けなくてもよい。 Examples of the method for hydrophilizing the surface of the anode support include surface modification by graft polymerization of the carbon surface, surface modification with a silane coupling agent, and the like. In addition, since the anode catalyst has electron conductivity, the anode carrier need not be provided.
(3)アノード電解質
アノード電解質は、アノード極102で生成したプロトンを電解質膜101へ伝導する機能を有する。アノード電解質は、プロトン伝導性を有し、かつ電気的絶縁性を有する材質であれば特に限定されずいかなるものをも使用することができる。アノード電解質は、メタノール等の燃料により溶解しない固体もしくはゲルであることが好ましい。このようなアノード電解質は、スルホン酸、リン酸基などの強酸基やカルボキシル基などの弱酸基を有する有機高分子であることが好ましく、たとえば含有パーフルオロカーボン(ナフィオン(登録商標)(デュポン株式会社製))、カルボキシル基含有パーフルオロカーボン(フレミオン(登録商標)(旭化成株式会社製))、ポリスチレンスルホン酸共重合体、ポリビニルスルホン酸共重合体、イオン性液体(常温溶融塩)、スルホン化イミド、AMPS等を挙げることができる。なお、アノード担持体として、プロトン伝導性を有するものを用いる場合には、これらによりプロトンを伝導することができるため、別個にアノード電解質およびカソード電解質を設けなくてもよい。
(3) Anode Electrolyte The anode electrolyte has a function of conducting protons generated at the
<カソード極>
本発明の単位電池100に用いられるカソード極103は、酸化剤の還元を促進するカソード触媒を含むカソード触媒層(図示せず)を少なくとも備える。そして、カソード触媒上で酸化剤がプロトンと電子を取り込み、還元反応を起こすことにより水を生成する。カソード極103は電解質膜101とは反対側にカソード触媒層とは別にさらにカソード多孔質基体(図示せず)を積層することが好ましい。
<Cathode>
The
カソード触媒層は、酸素とプロトンと電子とから、水を生成する反応速度を促進するカソード触媒を少なくとも含み、さらにカソード担持体とカソード電解質とを含むことが好ましい。カソード触媒層の厚みはそれぞれ0.1μm以上0.2mm以下とすることが好ましい。カソード触媒層の厚みが0.1μm未満であると、単位電池の出力を向上させるだけの触媒量をカソード触媒層に担持できない虞があり、0.2mmを超えるとプロトン伝導の抵抗および電子伝導の抵抗が大きくなったり、液体燃料または酸化剤の拡散抵抗が増加したりする虞がある。以下の(1)〜(3)には、カソード触媒層に含まれるものを説明する。 The cathode catalyst layer preferably includes at least a cathode catalyst that accelerates a reaction rate for generating water from oxygen, protons, and electrons, and further includes a cathode support and a cathode electrolyte. The thickness of the cathode catalyst layer is preferably 0.1 μm or more and 0.2 mm or less. If the thickness of the cathode catalyst layer is less than 0.1 μm, there is a possibility that a catalyst amount sufficient to improve the output of the unit cell cannot be supported on the cathode catalyst layer. There is a possibility that the resistance increases or the diffusion resistance of the liquid fuel or the oxidant increases. In (1) to (3) below, what is included in the cathode catalyst layer will be described.
(1)カソード触媒
カソード触媒は、酸素とプロトンと電子から水を生成する反応の反応速度を促進する機能を有するものである。カソード触媒は一種のみに限定されず、2種以上の材料を用いてもよい。このようなカソード触媒としては、たとえばPt、Ru、Au、Ag、Rh、Pd、Os、Ir等の貴金属、Ni、V、Ti、Co、Mo、Fe、Cu、Zn、Sn、W、Zr等の卑金属、これらの貴金属または卑金属の酸化物、炭化物および炭窒化物、もしくはカーボンからなる群より選択された材料の1種または2種類以上の組み合わせのものを触媒として用いることができる。
(1) Cathode catalyst A cathode catalyst has a function which accelerates | stimulates the reaction rate of the reaction which produces | generates water from oxygen, a proton, and an electron. The cathode catalyst is not limited to one kind, and two or more kinds of materials may be used. Examples of such a cathode catalyst include noble metals such as Pt, Ru, Au, Ag, Rh, Pd, Os, Ir, Ni, V, Ti, Co, Mo, Fe, Cu, Zn, Sn, W, Zr, and the like. Base metals, oxides of these noble metals or base metals, carbides and carbonitrides, or one or a combination of two or more materials selected from the group consisting of carbon can be used as the catalyst.
(2)カソード担持体
カソード担持体はカソード多孔質基体からカソード触媒層に電子を導電する機能を有するものである。カソード担持体は、電気伝導性を有する材料であればどのような材料を用いてもよいが、電気伝導性の高い炭素系材料を用いることが好ましく、電気伝導性の高い炭素系材料としては、たとえばアセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、アモルファスカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等を挙げることができる。また、これらの炭素系材料の他に、Pt、Ru、Au、Ag、Rh、Pd、Os、Ir等の貴金属、Ni、V、Ti、Co、Mo、Fe、Cu、Zn、Sn、W、Zr等の卑金属、これら貴金属または卑金属の酸化物、炭化物、窒化物および炭窒化物からなる群より選択された材料の1種または2種類以上の組み合わせたものを担持体として用いることができる。また、カソード担持体は、プロトン伝導性を付与した材料であってもよい。このようにプロトン伝導性を付与した材料としては、たとえば硫酸化ジルコニア、リン酸ジルコニウム等を挙げることができる。
(2) Cathode carrier The cathode carrier has a function of conducting electrons from the cathode porous substrate to the cathode catalyst layer. Any material may be used for the cathode carrier as long as it has electrical conductivity, but it is preferable to use a carbon-based material with high electrical conductivity, and as a carbon-based material with high electrical conductivity, Examples thereof include acetylene black, ketjen black (registered trademark), amorphous carbon, carbon nanotube, and carbon nanohorn. In addition to these carbon-based materials, noble metals such as Pt, Ru, Au, Ag, Rh, Pd, Os, Ir, Ni, V, Ti, Co, Mo, Fe, Cu, Zn, Sn, W, Base materials such as Zr, oxides of these noble metals or base metals, carbides, nitrides, and carbon nitrides may be used as the support. The cathode carrier may be a material imparted with proton conductivity. Examples of the material imparted with proton conductivity in this way include sulfated zirconia and zirconium phosphate.
(3)カソード電解質
カソード電解質は、電解質膜101から透過したプロトンをカソード触媒層近傍に伝導する機能を有する。カソード電解質は、プロトン伝導性を有し、かつ電気的絶縁性を有する材質であれば特に限定されずいかなるものをも使用することができる。カソード電解質は、メタノール等の燃料により溶解しない固体もしくはゲルであることが好ましい。このようなカソード電解質は、スルホン酸、リン酸基などの強酸基やカルボキシル基などの弱酸基を有する有機高分子であることが好ましく、たとえば含有パーフルオロカーボン(ナフィオン(登録商標)(デュポン株式会社製))、カルボキシル基含有パーフルオロカーボン(フレミオン(登録商標)(旭化成株式会社製))、ポリスチレンスルホン酸共重合体、ポリビニルスルホン酸共重合体、イオン性液体(常温溶融塩)、スルホン化イミド、AMPS等を挙げることができる。なお、カソード担持体として、プロトン伝導性を有するものを用いる場合には、これらによりプロトンを伝導することができるため、別個にカソード電解質を設けなくてもよい。
(3) Cathode electrolyte The cathode electrolyte has a function of conducting protons permeated from the
<アノード多孔質基体およびカソード多孔質基体>
アノード多孔質基体は、メタノールと水とをアノード触媒層へ供給することを可能とする空隙を形成するとともに、アノード担持体からアノード集電体104へ電子を導電する機能を有する。一方、カソード多孔質基体は、大気中の酸素をカソード触媒層へ供給し、効率よく生成水を外部へ排出することを可能とする空隙を形成するとともに、カソード担持体から外部配線(図示せず)への電子を導電するという機能を有する。
<Anode porous substrate and cathode porous substrate>
The anode porous substrate forms a void that allows methanol and water to be supplied to the anode catalyst layer, and has a function of conducting electrons from the anode carrier to the anode
アノード多孔質基体およびカソード多孔質基体は、導電性の材料からなることが好ましく、たとえばカーボンペーパー、カーボンクロス、金属発泡体、金属焼結体、金属繊維の不織布等を用いることができる。ここで、金属発泡体、金属焼結体、金属繊維の不織布に用いられる金属としては、Pt、Ru、Au、Ag、Rh、Pd、Os、Irなどの貴金属、Ni、V、Ti、Co、Mo、Fe、Cu、Zn、Sn、W、Zrなどの卑金属、および、これら貴金属、卑金属の酸化物、炭化物、窒化物、炭窒化物を1種または2種以上を含む材料を挙げることができる。アノード多孔質基体は、アノード極102におけるアノード集電体104側(電解質膜101側と反対側)に配置されることが好ましい。また、カソード多孔質基体は、カソード極103における単位電池の外側(電解質膜101側と反対側)に配置されることが好ましい。
The anode porous substrate and the cathode porous substrate are preferably made of a conductive material. For example, carbon paper, carbon cloth, metal foam, metal sintered body, metal fiber nonwoven fabric, and the like can be used. Here, as a metal used for a metal foam, a metal sintered body, and a nonwoven fabric of metal fiber, noble metals such as Pt, Ru, Au, Ag, Rh, Pd, Os, Ir, Ni, V, Ti, Co, Examples include base metals such as Mo, Fe, Cu, Zn, Sn, W, and Zr, and materials containing one or more of these noble metals, base metal oxides, carbides, nitrides, and carbonitrides. . The anode porous substrate is preferably disposed on the anode
なお、アノード多孔質基体およびカソード多孔質基体は、必ずしも設ける必要はない。すなわちたとえば、アノード触媒層はアノード集電体と電子の授受を行なうように、アノード触媒層が電解質膜101に直接形成されていてもよいし、カソード触媒層は外部配線と電子の授受を行なうように、カソード触媒層が電解質膜101に直接形成されていてもよい。
Note that the anode porous substrate and the cathode porous substrate are not necessarily provided. That is, for example, the anode catalyst layer may be formed directly on the
<カソード集電体>
カソード集電体105は、カソード極103と電子の授受を行なう機能を有するものであり、電気抵抗を低減するために導電性の高い材料を用いることが好ましい。カソード集電体105は、その形状が板や箔に複数の第1の貫通孔105aを開けた形状、メッシュ状またはエキスパンドメタル状の多孔質とするものを好ましく用いることができる。このように第1の貫通孔105aを設けることにより、空気を拡散するための表面積を広く確保することができ、もってカソード極103に効率よく空気を供給することができる。
<Cathode current collector>
The cathode
このような第1の貫通孔105aの口径の面積Saは、0.12mm2以上2.05mm2以下であることが好ましい。0.12mm2未満であると、カソード極103への空気の供給が阻害されることにより単位電池100の出力が低下する。一方、2.05mm2を超えると、カソード集電体105の電気抵抗が無視できないほど増加し、単位電池100の出力が低下する。
Such area Sa of the diameter of the first through
カソード集電体105は、導電性を有するものであればどのようなものでもよいが、電圧降下を抑制するため電子伝導抵抗の低い材料を用いることが好ましく、Au、Pt、Pd等の貴金属、Ti、Ta、W、Nb、Ni、Al、Cr、Ag、Cu、Zn、Su等の金属、Si、およびこれらの窒化物、炭化物、炭窒化物等、さらにステンレス、Cu−Cr、Ni−Cr、Ti−Pt等の合金等を用いることがより好ましく、さらに好ましくはPt、Ti、Au、Ag、Cu、Ni、Wからなる群より選ばれる1以上の元素を含むことである。カソード集電体105の材質として、Cu、Ag、Zn等のように酸性雰囲気下で腐食しやすい金属を用いる場合には、Au、Pt、Pd等の耐腐食性を有する貴金属および金属材質、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性炭窒化物、導電性酸化物等を表面コーティングすることにより、カソード集電体105の表面の腐食を防止することができる。
The cathode
<アノード集電体>
本発明において、燃料電池層を構成する単位電池100は、アノード極102で発生した電子の授受を行なう機能を有するアノード集電体104を備えることを特徴とする。このようなアノード集電体104は、その表裏のうちのアノード極102と接する面に、1または2以上の溝が形成された燃料流路106を有することが好ましい。アノード集電体104に設けられる燃料流路106は、特に限定されることなくいかなる形状のものを用いることもできる。
<Anode current collector>
In the present invention, the
燃料流路106の形状は、アノード集電体104の電気抵抗およびアノード集電体104とアノード極102との接触面積等を考慮して決定することが好ましい。燃料流路106はたとえば図1に示されるように燃料流路106の燃料が流れる方向に対しての断面形状は四角形状であってもよい。
The shape of the
燃料流路106の燃料が流れる方向に対する断面が四角形状の場合、この四角形状の面積は0.01mm2以上1mm2以下であることが好ましい。この面積が0.01mm2未満であると、液体を流す圧力損失が大きくなるため燃料供給装置が大型化するという問題があり、1mm2を超えると、単位電池が大型化するという問題がある。
If section relative to the direction through which fuel flows in the
また、上記の燃料流路の断面の四角形状のうちのアノード極102と接する部分の長さを燃料流路の幅とすると、燃料流路の幅は、0.1mm以上1mm以下であることが好ましい。燃料流路106の幅が0.1mm未満であると、燃料流路106からアノード極102への燃料を供給する効率が低下するという問題があり、1mmを超えると、アノード極102と接触するアノード集電体104のエッジ幅が短くなるため構造安定性が乏しくなる。
Further, assuming that the length of the portion in contact with the
また、アノード極102の表裏の両面のうちのアノード集電体104と接する側の面の面積の20%以上が、アノード集電体104と接触することが好ましい。なお、アノード極102とアノード集電体104との間に別の層が介在し、アノード極102とアノード集電体104とが接しない場合であっても、上記の面積の関係は同様である。この面積が20%未満の場合、アノード集電体104とアノード極102との接触面積が低下することによりオーミック抵抗が増大するという問題がある。
Further, it is preferable that 20% or more of the area of the surface in contact with the anode
アノード集電体104に用いられる材質は、導電性を示すものであればどのようなものを用いてもよいが、カーボン材料、導電性高分子、Au、Pt、Pd等の貴金属、Ti、Ta、W、Nb、Ni、Al、Cr、Ag、Cu、Zn、Su等の金属、Si、およびこれらの窒化物、炭化物、炭窒化物等、さらにステンレス、Cu−Cr、Ni−Cr、Ti−Pt等の合金等を用いることができる。
Any material may be used for the anode
ここで、アノード集電体104に用いられる材質は、比抵抗が小さい材質を用いることが好ましく、Pt、Ti、Au、Ag、Cu、Ni、およびWからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を含むことがより好ましい。このような材質のものをアノード集電体104に用いることにより、アノード集電体104の抵抗による電圧低下を軽減し、より高い発電特性を得ることができる。
Here, the material used for the anode
なお、アノード集電体104に用いられる材質として、Cu、Ag、Zn等のように酸性雰囲気下で腐食しやすい金属を用いる場合、Au、Pt、Pd等の耐腐食性を有する貴金属および金属材質、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性炭窒化物、導電性酸化物等を表面コーティングすることが好ましい。このように表面コーティングすることにより、アノード集電体104の表面の腐食を防止することができ、単位電池およびこれを用いた燃料電池スタックの寿命を延ばすことができる。
In addition, as a material used for the anode
(実施の形態2)
図3は、本実施の形態の単位電池の模式的な断面図および上面図である。本実施の形態の単位電池は、図3に示されるように、調湿層220のカソード集電体105と接する側に放湿層223をさらに備えることが異なる他は、実施の形態1と同様のものである。以下においては、放湿層223を説明する。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view and a top view of the unit battery of the present embodiment. As shown in FIG. 3, the unit cell of the present embodiment is the same as that of the first embodiment except that a
<放湿層>
本実施の形態において、放湿層223は、吸水層222とカソード集電体105との間に設けられるものであり、吸水層222よりも放湿性の高い材料からなることを特徴とする。このように調湿層220を吸湿層221、吸水層222、および放湿層223の3層構造とすることにより、外部の湿気を吸湿層221が吸湿し、その吸湿した湿気を吸水層222が吸水し、この吸水した水を放湿層223がカソード集電体105側に放水する。これにより電解質膜101の乾燥を抑制するとともに、アノード極102での反応に必要な水を供給することができる。
<Moisture release layer>
In this embodiment, the
ここで、放湿層223は、吸湿層221を構成する材料よりも吸湿性の低い材料からなることが好ましい。かかる放湿層223により、吸水層222が吸水した湿気をカソード集電体105に放出する効果が顕著となる。逆に、放湿層223が、吸湿層221を構成する材料よりも吸湿性の高い材料からなると、電解質膜101に含まれる水や、アノード極102での反応に必要な水を放湿層223が吸水し、単位電池の出力が低下する。
Here, the
このような放湿層223に用いられる材料としては、吸水層222と同一の材質であって、その表面積が吸水層222よりも低いものを用いてもよい。このように表面積が低いことにより、放湿層223の吸水性が、吸水層222よりも吸水性が低くなり、カソード集電体105に水分を放出しやすくなり、放湿層223としての効果を発揮する。
As a material used for the
図4は、吸水層および放湿層の吸湿量を示したグラフである。図4の縦軸は、吸水層および放湿層を構成する材料1gあたりの吸湿量(g/g)を示したものであり、横軸は、外部の相対湿度(%RH)である。そして、実線が吸湿量であり、点線が放湿するときの吸湿量を示している。また、A2は吸水層を示し、A3は放湿層を示している。 FIG. 4 is a graph showing the moisture absorption amounts of the water absorption layer and the moisture release layer. The vertical axis of FIG. 4 shows the amount of moisture absorption (g / g) per 1 g of the material constituting the water absorption layer and the moisture release layer, and the horizontal axis is the external relative humidity (% RH). The solid line indicates the moisture absorption amount, and the dotted line indicates the moisture absorption amount when the moisture is released. A2 represents a water absorption layer, and A3 represents a moisture release layer.
たとえば相対湿度が80%RHのときには、吸水層(A2)は、それを構成する材料1gあたりに最低でも0.1gの湿気を積極的に吸湿し、0.43gまで吸湿する。0.43gを超えると、その分の湿気は放湿層に放出される。一方、相対湿度が80%RHのとき、放湿層(A3)は、それを構成する材料1gあたりに約0.2gを吸水し、かつ0.2gを超えると、その分の湿気はカソード集電体側に放出される。 For example, when the relative humidity is 80% RH, the water absorption layer (A2) actively absorbs at least 0.1 g of moisture per 1 g of the constituent material and absorbs up to 0.43 g. If it exceeds 0.43 g, the corresponding moisture is released to the moisture release layer. On the other hand, when the relative humidity is 80% RH, the moisture release layer (A3) absorbs about 0.2 g per gram of the material constituting the moisture release layer, and when the relative humidity exceeds 0.2 g, the corresponding moisture is collected in the cathode. Released to the electrical side.
したがって、調湿層220を相対湿度80%RHのところに配置すると、まず吸湿層221が外気から湿気を取り込み始めるが、それと同時に吸水層222が吸湿層221から湿気を取り込み始め、さらに放湿層223が吸水層222から湿気を取り込み始め、放湿層223の吸湿量が0.2g/gとなるまで湿気を取り込む。吸水層222は放湿層223に湿気を取り込まれるが、その取り込まれた分の湿気を吸湿層221の湿気で補完し、その吸湿量が0.43g/gとなるように保つ。さらに、吸湿層221は吸水層222に湿気を取り込まれるが、その取り込まれた分の湿気を外部の湿気で補完し、その吸湿量が0.2g/gとなるように保つ。このようにして外部の湿気を調湿層120が取り込むことにより、電解質膜101およびアノード極102の乾燥を抑制し、もって起動時の出力の立ち上がりを向上することができる。なお、図2中の吸水層の吸湿量および放湿量の値と、図4中の吸水層の吸湿量および放湿量の値とは厳密には対応していないが、これは、図2および図4が、吸湿層、吸水層、および放湿層の吸湿量および放湿量の関係を説明するための便宜的なグラフであるためであり、両者は矛盾しない。
Therefore, when the
(実施の形態3)
図5は、本実施の形態の単位電池の模式的な断面図および上面図である。本実施の形態の単位電池は、図5に示されるように、調湿層320を構成する吸湿層321に、その表裏を貫通する第2の貫通孔321aを有することが異なる他は、実施の形態1と同様のものである。以下においては、第2の貫通孔321aを説明する。
(Embodiment 3)
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view and a top view of the unit battery of the present embodiment. As shown in FIG. 5, the unit battery of the present embodiment is different from that of the embodiment except that the
<第2の貫通孔>
本実施の形態において、吸湿層321に形成される第2の貫通孔321aは、第1の貫通孔105a上の位置に形成されており、第2の貫通孔321aの口径の面積Sbは、第1の貫通孔105aの口径の面積Sa以上であることを特徴とする。このような第2の貫通孔321aの形状は、その表裏が直線的に貫通している孔を意味し、繊維状の隙間などのように曲線的に貫通している孔は含まないものとする。
<Second through hole>
In the present embodiment, the second through
図6(a)は、カソード集電体の上面図であり、図6(b)は、吸湿層の上面図であり、図6(c)は、図6(a)のカソード集電体上に図6(b)の吸湿層を重ね合わせたものの上面図である。なお、図6(c)は、カソード集電体105と吸湿層321との間にさらに吸水層を形成されるが、説明の便宜上図6中に吸水層は記載しないことにする。
6A is a top view of the cathode current collector, FIG. 6B is a top view of the hygroscopic layer, and FIG. 6C is a top view of the cathode current collector of FIG. 6A. FIG. 7 is a top view of the superposed hygroscopic layer of FIG. 6 (b). In FIG. 6C, a water absorbing layer is further formed between the cathode
図6(c)に示されるように、第2の貫通孔321aが第1の貫通孔105aに重なるように配置することにより、吸湿層321がカソード集電体105側からの水分を吸水しにくくなり、もって電解質膜101およびアノード極102の乾燥を抑制し、単位電池100を起動したときの出力の立ち上がりを良好にすることができる。このような第1の貫通孔105aおよび第2の貫通孔321aの位置関係を満たすためには、第2の貫通孔321aの口径の面積Sbは、第1の貫通孔105aの口径の面積Sa以上である必要がある。
As shown in FIG. 6C, the
このような第2の貫通孔321aの口径の面積Sbは、0.12mm2以上2.05mm2以下であることが好ましい。0.12mm2未満であると、吸湿層321がカソード集電体105側の水分をも吸湿することになる。
Such area Sb of the diameter of the second through-
(実施の形態4)
図7は、本実施の形態の単位電池の模式的な断面図および上面図である。本実施の形態の単位電池は、図7に示されるように、吸水層422に、その表裏を貫通する第3の貫通孔422aを有することが異なる他は、実施の形態3と同様のものである。以下においては、第3の貫通孔422aを説明する。
(Embodiment 4)
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view and a top view of the unit battery of the present embodiment. As shown in FIG. 7, the unit battery of the present embodiment is the same as that of the third embodiment, except that the
<第3の貫通孔>
本実施の形態において、吸水層422に形成される第3の貫通孔422aは、第1の貫通孔105aと、第2の貫通孔421aとの間に形成されており、第3の貫通孔422aの口径の面積Scは、第1の貫通孔105aの口径の面積Saよりも小さいことを特徴とする。このような第3の貫通孔422aの形状は、その表裏が直線的に貫通している孔を意味し、繊維状の隙間などのように曲線的に貫通している孔は含まないものとする。
<Third through hole>
In the present embodiment, the third through
このように第3の貫通孔422aの口径の面積Scを、第1の貫通孔105aの口径の面積Saよりも小さくすることにより、電解質膜101およびアノード極102に含まれる水分を外部に蒸散しにくくするとともに、吸水層422からカソード集電体105側への放湿性も高めることができる。
Thus, by making the area Sc of the diameter of the third through
このような第3の貫通孔422aの口径の面積Scは、0.12mm2以上2.05mm2以下であることが好ましい。2.05mm2を超えると、電解質膜101およびアノード極102に含まれる水分が外部に蒸散しやすくなる。
Such area Sc of the diameter of the third through
(実施の形態5)
図8は、本実施の形態の単位電池の模式的な断面図および上面図である。本実施の形態の単位電池は、図8に示されるように、吸水層522に形成される第3の貫通孔に放湿材525が充填されることが異なる他は、実施の形態1と同様のものである。以下においては、放湿材525を説明する。
(Embodiment 5)
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view and a top view of the unit battery of the present embodiment. As shown in FIG. 8, the unit battery of the present embodiment is the same as that of the first embodiment except that the third through-hole formed in the
<放湿材>
本実施の形態において、第3の貫通孔に充填される放湿材525としては、実施の形態2の放湿材525と同一の材料を用いることが好ましい。このような放湿材525に用いられる材料としては、吸湿層521を構成する材料よりも吸湿性の低い材料、または吸水層522と同一の材質であって、その表面積が吸水層522よりも低い材料を用いることができる。このような材料を用いることにより、吸水層522が吸水した湿気をカソード集電体105に放出する効果が顕著となる。
<Moisture release material>
In this embodiment, it is preferable to use the same material as the moisture-releasing
<<複合単位電池>>
(実施の形態6)
図9は、2つの単位電池のアノード集電体が供給層に対向するように配置して形成される複合単位電池の分解斜視図である。
<< Compound unit battery >>
(Embodiment 6)
FIG. 9 is an exploded perspective view of a composite unit cell formed by arranging the anode current collectors of two unit cells so as to face the supply layer.
本実施の形態の複合単位電池は、図9に示されるように、2つの単位電池610と、該2つの単位電池610のアノード極に燃料を供給するための供給層607とを含むものであって、2つの単位電池610のアノード集電体はいずれも、供給層607に対向するように配置され、そのいずれの単位電池のカソード集電体上にも調湿層620が配置されることを特徴とする。なお、図9には、2つの単位電池610のいずれにも調湿層620を設けた場合を示しているが、それのみに限られるものではなく、2つの単位電池610のうちのいずれか一方のみに調湿層620を設けてもよい。
As shown in FIG. 9, the composite unit cell of the present embodiment includes two unit cells 610 and a
<供給層>
本発明において、供給層607は、櫛形の形状をしており、櫛形の燃料板と噛み合わせるようにして2つの単位電池610の間に配置されるものである。そして、その櫛型の持ち手部分に相当する部分から先端に向けて、毛管現象により燃料が供給される。このような供給層607は、その性質上、燃料を吸収する材質であって、適度な拡散性を有するものを用いることが好ましい。このような供給層607を用いて燃料を供給することにより、外部への燃料の液漏れを防止することができる。
<Supply layer>
In the present invention, the
このような供給層607の材質としては、たとえば天然繊維、ポリエステル、ポリビニル、ポリアミド等の高分子材料からなる多孔質体、シリカ、チタニア、アルミナ等の無機材料からなる多孔質焼結体等を用いることができる。なお、本実施の形態では、供給層607を用いてアノード極に対して燃料を供給しているが、このような燃料供給手段のみに限られるものではなく、たとえば流路板に燃料流路を設けたものを2つの単位電池のアノード集電体の間に設け、かかる燃料流路からアノード極に燃料を供給してもよい。
As the material of the
<気化層>
本実施の形態において、単位電池610と供給層607との間には気化層609を設けてもよい。気化層609は、供給層607からアノード極に供給される液体燃料を気体燃料に状態変化させるために設けられるものである。このような気化層609を設けることにより、アノード極に液体燃料を直接供給することなく、気体燃料に代えて供給することができる。
<Vaporization layer>
In this embodiment, a
図10は、図9に示される構成物を組み立てて形成される複合単位電池の斜視図である。図9に示される各構成物を組み立てると、図10に示されるような複合単位電池600となる。供給層607のうちの一部が突出している部分に、液体燃料を染み込ませることにより、その液体燃料が毛管現象で内部に拡散し、気化層を経由して気体燃料となり、2つの単位電池のアノード極に燃料を供給されることになる。
FIG. 10 is a perspective view of a composite unit battery formed by assembling the components shown in FIG. When the components shown in FIG. 9 are assembled, a
図11は、スペーサを挟んで2つの複合単位電池を積層して形成される分解斜視図である。図11に示されるように、2つのスペーサ630を挟むようにしてその両側に複合単位電池600を設けることにより、2つの複合単位電池を接続することができる。このようにして複合単位電池を接続することにより、出力を向上させることができる他、長期間電力を供給することもできる。なお、図11では、2つの複合単位電池を積層した場合を示しているが、スペーサを挟むことにより複合単位電池を3つ以上積層させることもできることは言うまでもない。
FIG. 11 is an exploded perspective view formed by stacking two composite unit batteries with a spacer in between. As shown in FIG. 11, two composite unit cells can be connected by providing
また、ここで用いるスペーサ630は、図11に示される形態のみに限られるものではなく、2つの複合単位電池に間隔を形成するものであれば、いかなる形状のものであってもよい。ただし、2つの複合単位電池600が電気的に接続されないようにするために、スペーサ630は、絶縁体で形成される必要がある。
In addition, the
<<燃料電池スタック>>
(実施の形態7)
図12は、本実施の形態の燃料電池スタックの好ましい一例を示す斜視図、上面図および側面図であり、図12(A)がその斜視図であり、図12(B)がその上面図であり、図12(C)がその側面図である。
<< Fuel cell stack >>
(Embodiment 7)
FIG. 12 is a perspective view, a top view, and a side view showing a preferred example of the fuel cell stack of the present embodiment, FIG. 12 (A) is its perspective view, and FIG. 12 (B) is its top view. FIG. 12C is a side view thereof.
本実施の形態の燃料電池スタック1は、図12(A)に示されるように、4層の燃料電池層10と3層のスペーサ層20とが交互に積層してなるものであって、当該燃料電池層10はいずれも5つの単位電池100を同一平面内に隙間11を設けて平行に配置されてなるものである。
As shown in FIG. 12A, the fuel cell stack 1 according to the present embodiment is formed by alternately stacking four fuel cell layers 10 and three
一方、スペーサ層20はいずれも5つのスペーサ200を同一平面内に隙間21を設けて平行に配置されるものであり、各スペーサ200は、単位電池100と直交するように配置されている。燃料電池層10に形成される単位電池100の隙間11とスペーサ層20に形成されるスペーサ200の隙間21とはいずれも直方体形状である。
On the other hand, each of the spacer layers 20 has five
このように単位電池100とスペーサ200とを配置することにより、各単位電池100の隙間11とスペーサ200とが接する面積は同一面積となる。また、単位電池100の高さも等しいので、複数の隙間11は同じ空間体積を有している。
By disposing the
なお、本発明の燃料電池スタックは、図12に示される構造のもののみに限られるものではなく、2層以上の燃料電池層を含むものであって、当該燃料電池層のうちの少なくとも1層が、2つ以上の単位電池を同一平面内に隙間を設けて配置されてなるものであればいかなる構造のものも本発明の範囲に含まれ、スペーサ層を含んでいなくてもよい。 The fuel cell stack of the present invention is not limited to the structure shown in FIG. 12, but includes two or more fuel cell layers, and at least one of the fuel cell layers. However, any structure in which two or more unit cells are arranged with a gap in the same plane is included in the scope of the present invention, and the spacer layer may not be included.
ただし、燃料電池層10を構成する単位電池のカソード極に安定して酸素を供給するという観点から、燃料電池層10とスペーサ層20とを交互に積層することが好ましく、当該スペーサ層20は2以上のスペーサ200により構成されたものであることがより好ましく、さらに好ましくはスペーサ層20を構成する2以上のスペーサ200が互いに同一方向に隙間21を設けて平行に配置されてなるものである。このようにスペーサ層20を含む場合、必ずしも図12に示されるような順序で積層される必要はなく、たとえば燃料電池スタックを構成する各層のうちの最下層および最上層のいずれか一方もしくは両方にスペーサ層20を形成してもよい。
However, from the viewpoint of stably supplying oxygen to the cathode electrode of the unit cell constituting the
2以上の単位電池100からなる燃料電池層10を複数積層させる場合、その間に設けられるスペーサ200は、導電性を有する材料を用いることが好ましい。これにより各燃料電池層10を直列に接続することができ、もって出力の向上に寄与する。
In the case where a plurality of fuel cell layers 10 including two or
上記においては燃料電池層10が、5つの単位電池100を同一平面内に配置した場合を説明したが、単位電池に代えて複合単位電池を同一平面内に配置してもよい。この場合、スペーサ層を構成するスペーサ200は、絶縁性の材料からなるものを用いる必要がある。
In the above description, the case where the
本実施例では、図1に示される構造の単位電池を作製した。まず、単位電池100を構成する電解質膜101として、幅26mm×長さ26mm、厚みが約175μmの電解質膜(商品名:Nafion(登録商標)117(デュポン株式会社製))を用意した。
In this example, a unit cell having the structure shown in FIG. 1 was produced. First, as the
次に、Pt担持量が32.5質量%でありRu担持量が16.9質量%であるPtおよびRuからなる粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子(商品名:TEC66E50(田中貴金属工業株式会社製))と、20質量%のNafion(登録商標)を含むアルコール溶液(シグマアルドリッチジャパン株式会社製)と、イオン交換水と、イソプロパノールと、ジルコニアビーズとを所定の割合でPTFE製の容器に入れ、攪拌脱泡機を用いて50rpmで50分間の混合を行なった。そして、その混合物のうちからジルコニアビーズを除去することにより、アノード触媒ペーストを作製した。 Next, catalyst-carrying carbon particles (trade name: TEC66E50 (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) consisting of Pt and Ru particles having a Pt loading amount of 32.5% by mass and a Ru loading amount of 16.9% by mass and carbon particles. Made of PTFE), an alcohol solution containing 20% by mass of Nafion (registered trademark) (Sigma Aldrich Japan Co., Ltd.), ion-exchanged water, isopropanol, and zirconia beads at a predetermined ratio. And mixing for 50 minutes at 50 rpm using a stirring deaerator. And the anode catalyst paste was produced by removing a zirconia bead from the mixture.
また、Pt担持量が46.8質量%のPt粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子(商品名:TEC10E50E(田中貴金属工業株式会社製))を用いたこと以外はアノード触媒ペーストと同様の材料および方法によりカソード触媒ペーストを作製した。 Further, the catalyst support carbon particles (trade name: TEC10E50E (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.)) composed of Pt particles having a Pt support amount of 46.8% by mass and carbon particles were used. Cathode catalyst paste was prepared by material and method.
次に、幅23mm×長さ23mmの外形のカーボンペーパー(商品名:GDL25BC(SGLカーボンジャパン株式会社製))に対し、上記で作製したアノード触媒ペーストをスクリーン印刷塗布した。そして、アノード触媒ペーストに含有されるイオン交換水およびイソプロパノールを乾燥除去することにより、アノード極102を形成した。
Next, the anode catalyst paste produced above was screen-printed and applied to a carbon paper (product name: GDL25BC (manufactured by SGL Carbon Japan Co., Ltd.)) having an outer shape with a width of 23 mm and a length of 23 mm. The
また、上記と同一のカーボンペーパーに対し、上記で作製したカソード触媒ペーストをスクリーン印刷塗布した後に、カソード触媒ペーストに含有されるイオン交換水およびイソプロパノールを乾燥させることによりカソード極103を形成した。アノード集電体104としては、幅23mm×長さ40mmの金メッシュであって、燃料流路106が形成されたものを用いた。一方、カソード集電体105としては、幅23mm×長さ40mmの金メッシュであって、口径の面積が0.9mm2の第1の貫通孔を5つ有するものを用いた。
Further, after the cathode catalyst paste prepared above was screen-printed onto the same carbon paper as described above, the
次に、吸水層122としてポリエステルとポリウレタンとからなる高分子不織繊維(商品名:エクセーヌplus(登録商標)(東レ株式会社製))を用いた。そして、この吸水層122に対し、ボールミルで湿式粉砕したゼオライト分散液を吸水層122に塗布し、乾燥させることにより、吸湿層121を形成した。このようにして吸湿層121と吸水層122とからなる調湿層120を作製した。
Next, a polymer non-woven fiber (trade name: EXEN Plus (registered trademark) (manufactured by Toray Industries, Inc.)) made of polyester and polyurethane was used as the
そして、調湿層120、アノード集電体104、アノード極102、電解質膜101、カソード極103、およびカソード集電体105をこの順で重ね合わせたものの周りに400μmの隙間ゲージを配置した上で、2枚のステンレス板(幅150mm×長さ150mm、厚み3mm)で挟んだ。このときアノード極102およびカソード極103が電解質膜101の中心となるように配置し、かつアノード極102が電解質膜101を介してカソード極103と一致するように配置した。このステンレス板を130℃に昇温して、ステンレス板の厚み方向に10kgf/cm2で2分間熱圧着することにより、本実施例の単位電池を作製した。
Then, after placing a 400 μm gap gauge around the
本実施例では、図3に示されるように、調湿層220のカソード集電体105と接する側に放湿層223をさらに備えることが異なる他は、実施例1と同様のものである。以下においては、放湿層223の材質およびその形成方法を説明する。
As shown in FIG. 3, the present embodiment is the same as the first embodiment except that a
すなわち、放湿層223は、実施例1の吸水層と同一の材料である高分子不織繊維(商品名:エクセーヌplus(登録商標)(東レ株式会社製))を2枚のステンレス板(幅150mm×長さ150mm、厚み3mm)で挟み、その厚み方向に10kgf/cm2で2分間圧着することにより形成した。この圧着は、放湿層の周りに250μmの隙間ゲージを配置して行なった。
That is, the
本実施例では、図5に示されるように、調湿層320を構成する吸湿層321に、その表裏を貫通する第2の貫通孔321aを形成したことが異なる他は、実施例1と同様のものである。ここで、第2の貫通孔321aの口径の面積は1.0mm2のものを形成した。
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the second embodiment is the same as the first embodiment except that the
本実施例では、図7に示されるように、吸水層422に、その表裏を貫通する第3の貫通孔422aを形成したものを用いたことが異なる他は、実施例3と同様のものである。ここで、第3の貫通孔422aの口径の面積は0.13mm2のものを形成した。
In this embodiment, as shown in FIG. 7, the
本実施例では、図8に示されるように、吸水層522に形成される第3の貫通孔に放湿材525を充填したことが異なる他は、実施例1と同様のものである。まず、実施例1と同様の方法により調湿層520を準備した。この調湿層520の吸湿層521が形成されている側とは反対側に、10質量%のポリオレフィン溶液をスプレー塗布し、乾燥させることにより、ポリオレフィンからなる保湿層525を形成した。
In this embodiment, as shown in FIG. 8, the third embodiment is the same as the first embodiment except that the third through hole formed in the
(比較例1)
実施例1の単位電池において、調湿層を含まずに、アノード集電体、アノード極、電解質膜、カソード極、およびカソード集電体をこの順で重ね合わせたものを比較例1の単位電池とした。
(Comparative Example 1)
The unit cell of Comparative Example 1 in which the anode current collector, anode electrode, electrolyte membrane, cathode electrode, and cathode current collector were superposed in this order without including the humidity control layer in the unit cell of Example 1 It was.
<駆動時の出力>
上記の実施例1〜4および比較例1の単位電池の起動時の立ち上がり電圧(V)、およびオーミック抵抗(Ω)を測定した。この測定では、単位電池の面積あたりの電流密度が100mA/cm2のときの値を表1に示す。また、単位電池を起動してから1時間経過後の各実施例および比較例の単位電池の立ち上がり電圧(V)、およびオーミック抵抗(Ω)を測定し、その結果を表1に示した。
<Output during driving>
The rising voltage (V) and ohmic resistance (Ω) at the start-up of the unit cells of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 were measured. In this measurement, Table 1 shows values when the current density per unit cell area is 100 mA / cm 2 . Further, the rising voltage (V) and ohmic resistance (Ω) of the unit batteries of each Example and Comparative Example after 1 hour from the start of the unit battery were measured, and the results are shown in Table 1.
ここで、オーミック抵抗は、測定周波数50mHz以上10kHz以下であって、交流振幅±10mA/cm2の条件における電流密度100mA/cm2の負荷条件下で交流インピーダンス測定を行ない、得られたコール・コールプロットの実部により求めた。 Here, the ohmic resistance is a measurement frequency of 50 mHz to 10 kHz, and an AC impedance measurement is performed under a load condition of a current density of 100 mA / cm 2 with an AC amplitude of ± 10 mA / cm 2. It was determined from the real part of the plot.
表1の起動時の単位電池の立ち上がり電圧およびオーミック抵抗に示される結果から、実施例1〜4の単位電池は、比較例1の単位電池よりも立ち上がり電圧が高く(発電特性が優れている)、かつオーミック抵抗が低いことが明らかである。 From the results shown in the start-up voltage and ohmic resistance of the unit battery at start-up in Table 1, the unit batteries of Examples 1 to 4 have a higher start-up voltage than the unit battery of Comparative Example 1 (the power generation characteristics are excellent). It is clear that the ohmic resistance is low.
これは、各実施例の単位電池は、カソード集電体のカソード極と接する側とは反対側に調湿層を備えることにより、起動時における単位電池の内部の温湿度を適度に保つことができ、もってアノード極での水不足および電解質膜の乾燥が生じなかったことによるものと考えられる。 This is because the unit cell of each embodiment is provided with a humidity control layer on the side opposite to the side of the cathode current collector that is in contact with the cathode electrode, so that the temperature and humidity inside the unit cell at the start-up can be kept moderate. Therefore, it is considered that water shortage at the anode electrode and drying of the electrolyte membrane did not occur.
また、表1の「起動から1時間後」の立ち上がり電圧およびオーミック抵抗に示される結果から、実施例1〜4の単位電池は、比較例1の単位電池に比して、立ち上がり電圧およびオーミック抵抗が低下していないことがわかる。実施例1〜4の単位電池は、長時間発電したときでも、単位電池の内部の温湿度が適度に保たれ、アノード極での水不足および電解質膜の乾燥が生じなかったことによるものと考えられる。すなわち、カソード集電体のカソード極と接する側とは反対側に調湿層を備えることにより、起動時だけではなく、起動から一定時間経過した後でも安定した電圧を得ることができる。 Further, from the results shown in the rising voltage and the ohmic resistance of “1 hour after starting” in Table 1, the unit cells of Examples 1 to 4 are higher in the rising voltage and the ohmic resistance than the unit battery of Comparative Example 1. It can be seen that is not reduced. The unit cells of Examples 1 to 4 are considered to be due to the fact that the temperature and humidity inside the unit cells were maintained moderately even when power was generated for a long time, and water shortage at the anode electrode and drying of the electrolyte membrane did not occur. . That is, by providing the humidity control layer on the side opposite to the side in contact with the cathode electrode of the cathode current collector, a stable voltage can be obtained not only at the start but also after a lapse of a certain time from the start.
本実施例では、図10に示される複合単位電池を作製した。複合単位電池を構成する各層を別々に示したものが図9に相当する。図9に示されるように、調湿層620、単位電池610、気化層609、供給層607が差し込まれた燃料流路608、気化層609、単位電池610、および調湿層620をこの順に重ね合わせて、その周りに1.8mmの隙間ゲージを配置した。そして、2枚のステンレス板(幅150mm×長さ150mm、厚み3mm)で挟み、ステンレス板の厚み方向に10kgf/cm2で2分間圧着することにより、本実施例の複合単位電池を作製した。
In this example, the composite unit battery shown in FIG. 10 was produced. FIG. 9 shows each layer constituting the composite unit battery separately. As shown in FIG. 9, the
本実施例の複合単位電池のように、複合単位電池を構成する各層に調湿層を含むことにより、複合単位電池の内部の温湿度が適度に保たれ、アノード極での水不足および電解質膜の乾燥が生じなかった。このため、複合単位電池を起動したときの立ち上がり電圧が高く、かつ起動から一定時間経過した後でも安定して高電圧を得ることができた。 As in the composite unit battery of this example, the humidity and humidity control layers are included in each layer constituting the composite unit battery, so that the temperature and humidity inside the composite unit battery are kept moderate, and there is insufficient water at the anode electrode and the electrolyte membrane. Drying did not occur. For this reason, the rising voltage when the composite unit battery is started up is high, and a high voltage can be stably obtained even after a certain time has passed since the start-up.
本実施例では、図12に示される構造の燃料電池スタックを作製した。まず、同一平面に2.8mmの隙間を設けて5つの複合単位電池を平行に配置した。次に、上記の複合単位電池の上に、当該複合単位電池と直交するように、400μmの厚みの両面テープを2.8mmの隙間を設けて5つ平行に配置した。 In this example, a fuel cell stack having the structure shown in FIG. 12 was produced. First, five composite unit cells were arranged in parallel with a 2.8 mm gap on the same plane. Next, five double-sided tapes having a thickness of 400 μm were arranged in parallel on the above composite unit cell so as to be orthogonal to the composite unit cell with a gap of 2.8 mm.
このようにして、5つの複合単位電池と5つの両面テープとを交互に積層し、5つの複合単位電池を4層と、5つの両面テープを3層とを交互に積層させた燃料電池スタックを作製した。かかる燃料電池スタックは、複合単位電池を5並列×4直列で接続したものである。 In this way, a fuel cell stack in which five composite unit cells and five double-sided tapes are alternately stacked, four composite unit cells in four layers, and five double-sided tapes in three layers are alternately stacked. Produced. Such a fuel cell stack is obtained by connecting composite unit cells in 5 parallel × 4 series.
本実施例の燃料電池スタックのように、複合単位電池を構成する各層の一部に調湿層を含むことにより、燃料電池スタックの内部の温湿度が適度に保たれ、アノード極での水不足および電解質膜の乾燥が生じにくくすることができた。このため、燃料電池スタックを起動したときの立ち上がり電圧が高く、かつ起動から一定時間経過した後でも安定して高電圧を得ることができた。 Like the fuel cell stack of the present embodiment, by including a humidity control layer in a part of each layer constituting the composite unit cell, the temperature and humidity inside the fuel cell stack can be maintained moderately, water shortage at the anode electrode and It was possible to prevent the electrolyte membrane from drying. For this reason, the rising voltage when the fuel cell stack is started up is high, and a high voltage can be stably obtained even after a certain time has elapsed since the start-up.
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。 Although the embodiments and examples of the present invention have been described as described above, it is also planned from the beginning to appropriately combine the configurations of the above-described embodiments and examples.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明によれば、ノート型パソコン、携帯電話、電子手帳、ポータブルゲーム機器、モバイルテレビ機器、ハンディーターミナル、PDA、モバイルDVDプレーヤ、ノートパソコン、ビデオ機器、カメラ機器、ユビキタス機器またはモバイル発電機等の電子機器用途の燃料電池システムを提供することができる。 According to the present invention, a notebook computer, a mobile phone, an electronic notebook, a portable game device, a mobile TV device, a handy terminal, a PDA, a mobile DVD player, a notebook computer, a video device, a camera device, a ubiquitous device, a mobile generator, etc. A fuel cell system for electronic equipment can be provided.
1 燃料電池スタック、10 燃料電池層、11 隙間、20 スペーサ層、21 隙間、100 単位電池、101 電解質膜、102 アノード極、103 カソード極、104 アノード集電体、105 カソード集電体、105a 第1の貫通孔、106 燃料流路、120,220,320,620 調湿層、121,221,321,521 吸湿層、122,222,422,522 吸水層、200 スペーサ、223 放湿層、321a,421a 第2の貫通孔、422a 第3の貫通孔、525 放湿材、600 複合単位電池、607 供給層、609 気化層、610 単位電池、630 スペーサ。 1 fuel cell stack, 10 fuel cell layer, 11 gap, 20 spacer layer, 21 gap, 100 unit cell, 101 electrolyte membrane, 102 anode electrode, 103 cathode electrode, 104 anode current collector, 105 cathode current collector, 105a 1 through hole, 106 fuel flow path, 120, 220, 320, 620 humidity control layer, 121, 221, 321, 521 moisture absorption layer, 122, 222, 422, 522 water absorption layer, 200 spacer, 223 moisture release layer, 321a , 421a 2nd through-hole, 422a 3rd through-hole, 525 moisture release material, 600 composite unit cell, 607 supply layer, 609 vaporization layer, 610 unit cell, 630 spacer.
Claims (14)
前記カソード集電体の前記カソード極と接する側とは反対側に調湿層を備え、
前記調湿層は、外部の湿気を取り込むための吸湿層と、該吸湿層内の湿気を吸水するための吸水層とを含み、
前記吸水層は、前記カソード集電体に接するように配置される、単位電池。 A unit battery including a cathode current collector, a cathode electrode, an electrolyte membrane, an anode electrode, and an anode current collector in this order,
A humidity control layer is provided on the opposite side of the cathode current collector from the side in contact with the cathode electrode,
The humidity control layer includes a moisture absorption layer for taking in external moisture, and a water absorption layer for absorbing moisture in the moisture absorption layer,
The unit cell is arranged such that the water absorption layer is in contact with the cathode current collector.
前記吸湿層は、その表裏を貫通する第2の貫通孔を有する、請求項1〜3のいずれかに記載の単位電池。 The cathode current collector has a first through hole penetrating the front and back thereof,
The unit battery according to claim 1, wherein the moisture absorption layer has a second through hole penetrating the front and back surfaces thereof.
前記第3の貫通孔は、前記第1の貫通孔上に形成され、
前記第3の貫通孔の口径の面積Scは、前記第1の貫通孔の口径の面積Saよりも小さい、請求項4〜6のいずれかに記載の単位電池。 The water absorption layer has a third through hole penetrating the front and back surfaces thereof,
The third through hole is formed on the first through hole,
The unit cell according to any one of claims 4 to 6, wherein an area Sc of the diameter of the third through hole is smaller than an area Sa of the diameter of the first through hole.
前記吸水層で保持された水分を放出するための放湿材が前記第3の貫通孔の内部に充填される、請求項1〜6のいずれかに記載の単位電池。 The water absorption layer has a third through hole penetrating the front and back surfaces thereof,
The unit cell according to any one of claims 1 to 6, wherein a moisture-releasing material for releasing moisture held in the water absorption layer is filled in the third through hole.
前記2つの単位電池のアノード集電体はいずれも、前記燃料供給手段に対向するように配置され、
前記2つの単位電池のうちの少なくとも一方は、請求項1〜9のいずれかに記載の単位電池である、複合単位電池。 A composite unit cell comprising two unit cells and a fuel supply means for supplying fuel to the anode electrode of the two unit cells,
Both of the anode current collectors of the two unit cells are arranged so as to face the fuel supply means,
A composite unit battery, wherein at least one of the two unit batteries is the unit battery according to claim 1.
前記2つ以上の単位電池の少なくとも1つは、請求項1〜9のいずれかに記載の単位電池である、燃料電池スタック。 A fuel cell stack in which two or more unit cells are stacked with two or more fuel cell layers arranged with a gap in the same plane,
A fuel cell stack, wherein at least one of the two or more unit cells is the unit cell according to claim 1.
前記燃料電池層のうちの少なくとも1層は、2つ以上の請求項10〜12のいずれかに記載の複合単位電池を同一平面内に隙間を設けて配置されてなる、燃料電池スタック。 A fuel cell stack in which two or more unit cells are stacked with two or more fuel cell layers arranged with a gap in the same plane,
At least one of the fuel cell layers is a fuel cell stack in which two or more composite unit cells according to any one of claims 10 to 12 are arranged with a gap in the same plane.
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