JP2014165109A - Fuel cell - Google Patents

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Hiroki Kazuno
裕樹 数野
Naoyuki Kishida
尚之 岸田
Toshimasa Akagi
利正 赤木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance power generation efficiency by promoting fuel supply to an anode while preventing crossover.SOLUTION: A fuel cell 1 includes an anode 6 and a cathode 7 arranged oppositely to each other, an electrolyte membrane 5 provided between the anode 6 and cathode 7, and isolating a first fuel chamber 3 where the anode 6 is arranged and a first fuel X of reductive liquid is supplied, from a second fuel chamber 4 where the cathode 7 is arranged and a second oxidizing fuel Y is supplied, and electroosmotic flow generation means 8 generating an electroosmotic flow E, from the electrolyte membrane 5 side toward the anode 6, in the first fuel chamber 3.

Description

本発明は、燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell.

従来、電気浸透流ポンプを用いてアノードへの燃料の供給を促進することによって発電効率の向上を図った燃料電池が知られている(例えば、特許文献1参照。)。   2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a fuel cell in which power generation efficiency is improved by promoting supply of fuel to an anode using an electroosmotic flow pump (see, for example, Patent Document 1).

特許第4922933号公報Japanese Patent No. 4922933

しかしながら、特許文献1に記載の燃料電池において、電気浸透流ポンプによってアノードに向かって供給される燃料が、アノードを通過した後に流動方向の前方に位置する電解質膜にぶつかることにより、燃料が電解質膜を通過してカソード側へ流出するクロスオーバーという現象が促進される。このクロスオーバーによってアノード用の燃料がカソードで酸化反応することにより、起電力が低下し発電が阻害されてしまうという問題がある。   However, in the fuel cell described in Patent Document 1, the fuel supplied toward the anode by the electroosmotic flow pump collides with the electrolyte membrane positioned forward in the flow direction after passing through the anode, so that the fuel is electrolyte membrane. The phenomenon of crossover flowing through the cathode and flowing out to the cathode side is promoted. As a result of this crossover, the anode fuel undergoes an oxidation reaction at the cathode, which causes a problem that the electromotive force is lowered and power generation is hindered.

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、クロスオーバーを防ぎつつアノードへ燃料の供給を促進して発電効率の向上を図ることができる燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell capable of improving the power generation efficiency by promoting the supply of fuel to the anode while preventing crossover. .

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、互いに対向配置されたアノードおよびカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に設けられ、前記アノードが配置されて還元性を有する液体の第1の燃料が供給される第1の燃料室と前記カソードが配置されて酸化性を有する第2の燃料が供給される第2の燃料室とを隔離する電解質膜と、前記第1の燃料室に前記電解質膜側から前記アノードに向かう電気浸透流を発生させる電気浸透流発生手段とを備える燃料電池を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
The present invention provides an anode and a cathode disposed opposite to each other, and a first fuel provided between the anode and the cathode, to which the anode is disposed and a liquid first fuel having a reducing property is supplied. An electrolyte membrane separating the chamber and the second fuel chamber to which the second fuel having oxidizing properties is supplied, and electricity flowing from the electrolyte membrane side to the anode in the first fuel chamber Provided is a fuel cell comprising electroosmotic flow generating means for generating an osmotic flow.

本発明によれば、アノードにおいて第1の燃料が酸化されることによって第1の燃料から電子が放出され、この電子を用いてカソードにおいて第2の燃料が還元される。このときのアノードからカソードに移動する電子を外部において電気エネルギーとして取り出すことができる。   According to the present invention, the first fuel is oxidized at the anode to release electrons from the first fuel, and the second fuel is reduced at the cathode using the electrons. At this time, electrons moving from the anode to the cathode can be taken out as electric energy.

この場合に、第1の燃料室においては、電気浸透流発生手段が発生した電気浸透流によって、電解質膜側からアノードへ向かう第1の燃料の流動が生じる。これにより、アノードへの第1の燃料の供給を促進して発電効率を向上することができる。また、電気浸透流およびこれによって生じる第1の燃料の流動の方向は、クロスオーバーを促進する第1の燃料の流動方向とは逆方向であるので、第1の燃料のクロスオーバーを防ぐことができる。   In this case, in the first fuel chamber, the first fuel flows from the electrolyte membrane side to the anode by the electroosmotic flow generated by the electroosmotic flow generating means. Thereby, supply of the 1st fuel to an anode can be promoted and power generation efficiency can be improved. Further, since the electroosmotic flow and the flow direction of the first fuel generated thereby are opposite to the flow direction of the first fuel that promotes crossover, the crossover of the first fuel can be prevented. it can.

上記発明においては、前記電気浸透流発生手段が、前記アノードおよび前記電解質膜の配列方向に配列された、多孔質からなる一対の電極および該一対の電極の間に介在する多孔質からなる誘電体を有し、前記一対の電極の間に前記電気浸透流を発生する電気浸透流ポンプを備えていてもよい。
このようにすることで、簡易な構成で電気浸透流を発生することができる。
In the above invention, the electroosmotic flow generating means includes a pair of porous electrodes arranged in the arrangement direction of the anode and the electrolyte membrane, and a porous dielectric material interposed between the pair of electrodes. And an electroosmotic flow pump that generates the electroosmotic flow between the pair of electrodes.
By doing in this way, an electroosmotic flow can be generated with a simple configuration.

また、上記発明においては、前記一対の電極が、前記アノードを間に挟んで配置されていてもよい。
このようにすることで、アノードを横切る電気浸透流を発生させて、アノードへの第1の燃料の供給効率をさらに向上することができる。
In the above invention, the pair of electrodes may be arranged with the anode interposed therebetween.
By doing in this way, the electroosmotic flow which crosses an anode can be generated, and the supply efficiency of the 1st fuel to an anode can further be improved.

また、上記発明においては、前記電気浸透流ポンプの、一方の前記電極が前記第1の燃料室に配置され、他方の前記電極が前記第2の燃料室に配置されていてもよい。
このようにすることで、アノードと電解質膜との間に介在する部材を減らし、アノードと電解質膜との間のイオンの受け渡しを効率的に行うことができる。
In the above invention, one of the electrodes of the electroosmotic flow pump may be disposed in the first fuel chamber, and the other electrode may be disposed in the second fuel chamber.
By doing in this way, the member interposed between an anode and an electrolyte membrane can be reduced, and the delivery of the ion between an anode and an electrolyte membrane can be performed efficiently.

また、上記発明においては、前記アノードが、前記第1の燃料室の内面との間に間隔を空けて配置されていてもよい。
このようにすることで、アノードの周囲に第1の燃料が流動する流路を確保し、アノードを電解質膜側から通過した後にアノードの外面に沿ってアノードの電解質膜側へ戻る第1の燃料の循環を促進することができる。
Moreover, in the said invention, the said anode may be arrange | positioned at intervals between the inner surfaces of the said 1st fuel chamber.
In this way, a flow path for the first fuel to flow around the anode is secured, and the first fuel returns to the electrolyte membrane side of the anode along the outer surface of the anode after passing through the anode from the electrolyte membrane side. Can be promoted.

また、上記発明においては、前記電解質膜が、アニオン交換膜であってもよい。
このようにすることで、第2の燃料室にアルカリ電解液を満たしたアニオン移動型に好適な構成することができる。
In the above invention, the electrolyte membrane may be an anion exchange membrane.
By doing in this way, it can be suitable for an anion transfer type in which the second fuel chamber is filled with an alkaline electrolyte.

本発明によれば、クロスオーバーを防ぎつつアノードへ燃料の供給を促進して発電効率の向上を図ることができるという効果を奏する。   According to the present invention, it is possible to improve the power generation efficiency by promoting the supply of fuel to the anode while preventing the crossover.

本発明の一実施形態に係る燃料電池の全体構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the whole structure of the fuel cell which concerns on one Embodiment of this invention. 図1の燃料電池の第1の変形例の全体構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the whole structure of the 1st modification of the fuel cell of FIG. 図1の燃料電池の第2の変形例の全体構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the whole structure of the 2nd modification of the fuel cell of FIG. 図1の燃料電池の第3の変形例の全体構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the whole structure of the 3rd modification of the fuel cell of FIG. 図1の燃料電池の第4の変形例の全体構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the whole structure of the 4th modification of the fuel cell of FIG. 図1の燃料電池の第5の変形例の全体構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the whole structure of the 5th modification of the fuel cell of FIG.

以下に、本発明の一実施形態に係る燃料電池1について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る燃料電池1は、図1に示されるように、容器2と、該容器内を2つの部屋3,4に区画する電解質膜5と、該電解質膜5を間に挟んで対向配置されたアノード6およびカソード7と、アノード6が位置する第1の部屋3に配置された電気浸透流ポンプ(電気浸透流発生手段)8とを備えている。
Below, fuel cell 1 concerning one embodiment of the present invention is explained with reference to drawings.
As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 according to the present embodiment is opposed to a container 2, an electrolyte membrane 5 that partitions the inside of the container into two chambers 3, 4, and the electrolyte membrane 5 interposed therebetween. The anode 6 and the cathode 7 are provided, and an electroosmotic flow pump (electroosmotic flow generating means) 8 is provided in the first chamber 3 where the anode 6 is located.

容器2は、角筒状または円筒状であり、内部の空間が電解質膜5によって一端側の第1の部屋3と他端側の第2の部屋4とに区画されている。   The container 2 has a rectangular tube shape or a cylindrical shape, and an internal space is partitioned by an electrolyte membrane 5 into a first chamber 3 on one end side and a second chamber 4 on the other end side.

第1の部屋(第1の燃料室)3は、容器2の一方の端壁、側壁および電解質膜5によって密閉された空間である。第1の部屋3には、アノード6の燃料となる、還元性を有する分子を含む燃料液(第1の燃料)Xが充填されている。還元性を有する分子としては、例えば、メタノール、エタノール、エチレングリコール、グリセロール等のアルコール、または、グルコース、ガラクトース等の糖が用いられる。燃料液Xは、硫酸や塩酸等の酸性電解質をさらに含んでいてもよい。   The first chamber (first fuel chamber) 3 is a space sealed by one end wall, a side wall, and the electrolyte membrane 5 of the container 2. The first chamber 3 is filled with a fuel liquid (first fuel) X containing molecules having reducing properties, which serves as fuel for the anode 6. Examples of the reducing molecule include alcohols such as methanol, ethanol, ethylene glycol, and glycerol, or sugars such as glucose and galactose. The fuel liquid X may further contain an acidic electrolyte such as sulfuric acid or hydrochloric acid.

第2の部屋(第2の燃料室)4は、容器2の側壁および電解質膜5によって囲まれ、容器2の他端において外部に開放された空間であり、容器2の外部からカソード7の燃料となる空気が供給される。   The second chamber (second fuel chamber) 4 is a space surrounded by the side wall of the container 2 and the electrolyte membrane 5 and opened to the outside at the other end of the container 2, and the fuel of the cathode 7 from the outside of the container 2. Air is supplied.

アノード6およびカソード7は、平板状であり、電解質膜5に略平行に配置されている。また、カソード7は、第2の部屋4において、電解質膜5および容器2の側壁の内面と密着して第2の部屋4を密閉するように配置され、電解質膜5とは反対側の面の少なくとも一部が、容器2の外部に露出されている。また、アノード6およびカソード7は、容器2の外部を通る配線9によって互いに電気的に接続されている。   The anode 6 and the cathode 7 have a flat plate shape and are arranged substantially parallel to the electrolyte membrane 5. Further, the cathode 7 is disposed in the second chamber 4 so as to be in close contact with the inner surface of the electrolyte membrane 5 and the side wall of the container 2 so as to seal the second chamber 4, and on the surface opposite to the electrolyte membrane 5. At least a part of the container 2 is exposed to the outside. The anode 6 and the cathode 7 are electrically connected to each other by a wiring 9 that passes outside the container 2.

アノード6は、燃料液Xを酸化する電極であり、導電性材料からなる多孔質の基材と、該基材に担持され、燃料液Xの酸化反応を促進する触媒としての金属粒子とを備えている。基材の材料としては、カーボンが好適に用いられるが、ジルコニアやセリア等の酸化物にカーボン等の導電性材料が混合されてものが用いられてもよい。金属粒子の材料としては、白金、ルテニウム、ロジウム、金、銀等の貴金属や、コバルト、ニッケル、銅、鉄、マンガン、ニオブ、鉛等の卑金属、または、これら貴金属および卑金属の酸化物が好適に用いられる。これら金属および酸化物を組み合わせた2元系以上の金属や、2種類以上を含む合金が用いられてもよい。あるいは、触媒として、酵素およびメディエータが用いられてもよい。   The anode 6 is an electrode that oxidizes the fuel liquid X, and includes a porous base material made of a conductive material and metal particles that are supported on the base material and that serve as a catalyst that promotes the oxidation reaction of the fuel liquid X. ing. As the material for the substrate, carbon is preferably used, but a material obtained by mixing a conductive material such as carbon with an oxide such as zirconia or ceria may be used. As the material of the metal particles, noble metals such as platinum, ruthenium, rhodium, gold and silver, base metals such as cobalt, nickel, copper, iron, manganese, niobium and lead, or oxides of these noble metals and base metals are suitable. Used. Binary or higher metals combining these metals and oxides, or alloys containing two or more types may be used. Alternatively, an enzyme and a mediator may be used as a catalyst.

カソード7は、空気に含まれる酸素(第2の燃料)Yを還元する電極であり、導電性材料からなる多孔質の基材と、該基材に担持され、酸素Yの還元反応を促進する触媒としての金属粒子とを備えている。基材の材料としては、カーボンが好適に用いられる。金属粒子の材料としては、白金が好適に用いられる。   The cathode 7 is an electrode that reduces oxygen (second fuel) Y contained in the air, and is supported on the porous base material made of a conductive material and promotes the reduction reaction of oxygen Y. And metal particles as a catalyst. Carbon is suitably used as the base material. Platinum is preferably used as the material of the metal particles.

電解質膜5は、水素イオンを選択的に透過させる性質を有するプロトン交換膜であり、アノード6での燃料液Xの酸化反応によって発生した水素イオンを、第1の部屋3からカソード7へ伝達する。   The electrolyte membrane 5 is a proton exchange membrane having a property of selectively permeating hydrogen ions, and transmits hydrogen ions generated by the oxidation reaction of the fuel liquid X at the anode 6 from the first chamber 3 to the cathode 7. .

電気浸透流ポンプ8は、対向配置される一対の板状の電極8a,8bと、これら電極8a,8bの間において対向配置される一対の板状の誘電体8c,8dと、一対の電極8a,8b間に電圧を印加する電源8eとを備えている。   The electroosmotic pump 8 includes a pair of plate-like electrodes 8a and 8b arranged to face each other, a pair of plate-like dielectrics 8c and 8d arranged to face each other between these electrodes 8a and 8b, and a pair of electrodes 8a. , 8b, and a power source 8e for applying a voltage.

電極8a,8bおよび誘電体8c,8dは、アノード6および電解質膜5の配列方向に沿って配列されており、一対の誘電体8c,8dの間にアノード6が挟まれている。また、電極8a,8bおよび誘電体8c,8dは、燃料液Xが通過可能な多孔質からなる。
電気浸透流ポンプ8は、電源8eから一対の電極8a,8b間に電圧を印加することによって、電解質膜5側に位置する一方の電極8aから誘電体8c,8dおよびアノード6を横切って他方の電極8bへ向かう電気浸透流Eを発生させる。
The electrodes 8a and 8b and the dielectrics 8c and 8d are arranged along the arrangement direction of the anode 6 and the electrolyte membrane 5, and the anode 6 is sandwiched between the pair of dielectrics 8c and 8d. The electrodes 8a and 8b and the dielectrics 8c and 8d are made of a porous material through which the fuel liquid X can pass.
The electroosmotic pump 8 applies a voltage from the power source 8e to the pair of electrodes 8a and 8b, so that the other electrode 8a and 8d and the anode 6 cross the other electrode 8a located on the electrolyte membrane 5 side. An electroosmotic flow E toward the electrode 8b is generated.

ここで、アノード6、電極8a,8bおよび誘電体8c,8dからなるユニットは、容器2の一端壁および側壁の内面との間に間隔を空けて配置されている。これにより、このユニットの周囲には燃料液Xが容易に流動可能な流路が確保され、破線矢印で示されるように、電解質膜5側からアノード6を通過した後に容器2の内面に沿って電解質膜5側へ戻る燃料液Xの循環経路が第1の部屋3に形成される。   Here, the unit including the anode 6, the electrodes 8 a and 8 b and the dielectrics 8 c and 8 d is disposed with a space between one end wall of the container 2 and the inner surface of the side wall. As a result, a flow path through which the fuel liquid X can easily flow is secured around the unit, and along the inner surface of the container 2 after passing through the anode 6 from the electrolyte membrane 5 side, as indicated by a broken line arrow. A circulation path of the fuel liquid X returning to the electrolyte membrane 5 side is formed in the first chamber 3.

電極8a,8bの材料としては、白金、金、銀、カーボン、ステンレス鋼等の導電性材料が好適に用いられる。特に、電極8a,8bは、カーボンペーパのような、燃料液Xと干渉しないカーボンからなる多孔質材料からなることが好ましい。   As materials for the electrodes 8a and 8b, conductive materials such as platinum, gold, silver, carbon, and stainless steel are preferably used. In particular, the electrodes 8a and 8b are preferably made of a porous material made of carbon that does not interfere with the fuel liquid X, such as carbon paper.

誘電体8c,8dは、多孔質体、または、繊維もしくは粒子の充填層からなる。誘電体8c,8dの材料としては、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、酸化セリウム、酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化タンタル、シリコン窒化物、ホウケイ酸塩、バイコール、プラスチックおよび石膏のいずれか、または、これらの混合物が好適に用いられる。誘電体8c,8dの細孔径は、0.1μm〜8.0μmであることが好ましく、誘電体8c,8dの平均気孔率は、25%〜52%であることが好ましい。誘電体8c,8dは、必要に応じて親水性処理が施されていてもよい。   The dielectrics 8c and 8d are made of a porous body or a packed layer of fibers or particles. Materials for the dielectrics 8c and 8d include silica, alumina, titania, zirconia, cerium oxide, lanthanum oxide, yttrium oxide, hafnium oxide, magnesium oxide, tantalum oxide, silicon nitride, borosilicate, bicol, plastic and gypsum. Either one or a mixture thereof is preferably used. The pore diameters of the dielectrics 8c and 8d are preferably 0.1 μm to 8.0 μm, and the average porosity of the dielectrics 8c and 8d is preferably 25% to 52%. The dielectrics 8c and 8d may be subjected to hydrophilic treatment as necessary.

電源8eは、容器2の外部に配置されており、一対の電極8a,8b間に、好ましくは30V以下の電圧を印加する。電源8eとしては、リチウムイオン電池のような2次電池、燃料電池、または、安定化電源等の専用の電源が用いられる。
なお、電気浸透流Eが発生するためには、燃料液Xが適切な電気的性質を有する必要がある。したがって、燃料液Xは、誘電体8c,8dのゼータ電位が得られる適切なpHおよび導電率を有するように調整されおり、緩衝液を含んでいてもよい。
The power source 8e is disposed outside the container 2 and applies a voltage of preferably 30 V or less between the pair of electrodes 8a and 8b. As the power source 8e, a secondary battery such as a lithium ion battery, a fuel cell, or a dedicated power source such as a stabilized power source is used.
In order to generate the electroosmotic flow E, the fuel liquid X needs to have appropriate electrical properties. Therefore, the fuel liquid X is adjusted so as to have an appropriate pH and conductivity that can obtain the zeta potential of the dielectrics 8c and 8d, and may include a buffer solution.

次に、このように構成された燃料電池1の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る燃料電池1によれば、アノード6において燃料液Xに含まれるアルコールまたは糖等の分子が酸化されることによって、該分子から電子が放出されると共に水素イオンが生成する。放出された電子は、アノード6から配線9を通ってカソード7に移動する。一方、生成された水素イオンは、電解質膜5を介してカソード7に移動する。カソード7においては、空気中の酸素Yが、アノード6からの電子を用いて還元される。このときのアノード6からカソード7へ配線9を介して移動する電子を、配線9の途中位置において電気エネルギーとして取り出すことができる。
Next, the operation of the fuel cell 1 configured as described above will be described below.
In the fuel cell 1 according to the present embodiment, molecules such as alcohol or sugar contained in the fuel liquid X are oxidized at the anode 6, whereby electrons are released from the molecules and hydrogen ions are generated. The emitted electrons move from the anode 6 to the cathode 7 through the wiring 9. On the other hand, the generated hydrogen ions move to the cathode 7 through the electrolyte membrane 5. At the cathode 7, the oxygen Y in the air is reduced using electrons from the anode 6. At this time, electrons moving from the anode 6 to the cathode 7 via the wiring 9 can be taken out as electric energy at a midway position of the wiring 9.

この場合に、本実施形態によれば、電気浸透流ポンプ8が発生する電気浸透流Eによって、アノード6を厚さ方向に通過して容器2の内面に沿って再びアノード6へ戻る燃料液Xの循環流が発生する。これにより、新鮮な燃料液Xのアノード6への供給と、アノード6において発生した反応生成物の除去とが連続的に行われるので、発電効率を向上することができるという利点がある。さらに、電気浸透流Eおよび燃料液Xの循環流は、電解質膜5近傍において電解質膜5側からアノード6に向かって流れるので、アノード6側から電解質膜5に向かって流れる燃料液Xは押し戻される。これにより、燃料液Xが電解質膜5を通過して第2の部屋4に流出するクロスオーバーを防ぐことができるという利点がある。   In this case, according to the present embodiment, the fuel liquid X returns to the anode 6 along the inner surface of the container 2 through the anode 6 by the electroosmotic flow E generated by the electroosmotic flow pump 8 in the thickness direction. A circulating flow of is generated. As a result, the supply of the fresh fuel liquid X to the anode 6 and the removal of the reaction product generated at the anode 6 are continuously performed, so that there is an advantage that the power generation efficiency can be improved. Further, since the electroosmotic flow E and the circulating flow of the fuel liquid X flow from the electrolyte membrane 5 side toward the anode 6 in the vicinity of the electrolyte membrane 5, the fuel liquid X flowing from the anode 6 side toward the electrolyte membrane 5 is pushed back. . Thereby, there exists an advantage that the crossover which the fuel liquid X flows out into the 2nd chamber 4 through the electrolyte membrane 5 can be prevented.

なお、電気浸透流Eの方向が、電解質膜5における水素イオンの移動方向とは逆方向になっているが、水素イオンは、燃料電池1の発電に伴う電解質膜5の両側の電荷のバランスを保つために電気浸透流Eの有無に関係なく移動するため、電気浸透流Eが水素イオンの移動に影響を与えることはない。   Although the direction of the electroosmotic flow E is opposite to the direction of movement of hydrogen ions in the electrolyte membrane 5, the hydrogen ions balance the charges on both sides of the electrolyte membrane 5 accompanying the power generation of the fuel cell 1. Since the electroosmotic flow E moves regardless of the presence or absence of the electroosmotic flow E, the electroosmotic flow E does not affect the movement of hydrogen ions.

次に、本実施形態に係る燃料電池1の変形例について説明する。
(第1の変形例)
本実施形態の第1の変形例に係る燃料電池101は、図2に示されるように、第1の部屋3内の角部に設けられた保護部材10を備えている点において、燃料電池1と異なっている。保護部材10は、角をなして隣接する2つの面同士を滑らかに接続する曲面10aを有している。
このようにすることで、第1の部屋3において、角部でも燃料液Xを滑らかに流動させて燃料液Xをさらに滑らかに循環させることができ、発電効率をさらに向上することができる。
Next, a modification of the fuel cell 1 according to this embodiment will be described.
(First modification)
As shown in FIG. 2, the fuel cell 101 according to the first modification of the present embodiment includes the protective member 10 provided at the corner in the first chamber 3. Is different. The protective member 10 has a curved surface 10a that smoothly connects two adjacent surfaces that form a corner.
By doing in this way, in the 1st chamber 3, the fuel liquid X can be made to flow smoothly also in a corner | angular part, the fuel liquid X can be circulated more smoothly, and electric power generation efficiency can further be improved.

(第2の変形例)
本実施形態の第2の変形例に係る燃料電池102は、図3に示されるように、もう2つの電気浸透流ポンプ81,82を備えている点において、燃料電池1と異なっている。もう2つの電気浸透流ポンプ81,82は、一対の電極8a,8bと、これら電極8a,8bの間に配置される単一の誘電体8cと、一対の電極8a,8b間に電圧を印加する電源8eとを備えている。これら電気浸透流ポンプ81,82は、アノード6と容器2の側壁との間に配置され、循環流の流動方向に沿ってアノード6に向かう電気浸透流Eを発生させるようになっている。
このようにすることで、燃料液Xの流動方向をより整えて、アノード6へさらに効率的に燃料液Xを供給することができる。
(Second modification)
The fuel cell 102 according to the second modification of the present embodiment is different from the fuel cell 1 in that it includes two other electroosmotic pumps 81 and 82 as shown in FIG. The other two electroosmotic pumps 81 and 82 apply a voltage between the pair of electrodes 8a and 8b, a single dielectric 8c disposed between the electrodes 8a and 8b, and the pair of electrodes 8a and 8b. Power supply 8e. These electroosmotic pumps 81 and 82 are arranged between the anode 6 and the side wall of the container 2 and generate an electroosmotic flow E toward the anode 6 along the flow direction of the circulating flow.
By doing so, the flow direction of the fuel liquid X can be further adjusted, and the fuel liquid X can be supplied to the anode 6 more efficiently.

(第3の変形例)
本実施形態の第3の変形例に係る燃料電池103は、図4に示されるように、カソード7が、電解質膜5との間に間隔を空けて配置され、第2の部屋4に、水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウム等のアルカリ電解液Zが充填されている点において、燃料電池1と異なっている。この構成においては、カソード7での酸素Yの還元反応によって生じた水酸化物イオンが、電解質膜5を介して第1の部屋3へ移動する。したがって、本変形例においては、電解質膜5として、プロトン交換膜に代えて、水酸化物イオンを選択的に透過させるアニオン交換膜が用いられる。
(Third Modification)
As shown in FIG. 4, in the fuel cell 103 according to the third modification of the present embodiment, the cathode 7 is disposed with a space between the electrolyte membrane 5 and the second chamber 4 has water. The fuel cell 1 is different in that it is filled with an alkaline electrolyte Z such as sodium oxide or potassium hydroxide. In this configuration, hydroxide ions generated by the reduction reaction of oxygen Y at the cathode 7 move to the first chamber 3 through the electrolyte membrane 5. Therefore, in this modification, an anion exchange membrane that selectively permeates hydroxide ions is used as the electrolyte membrane 5 instead of the proton exchange membrane.

このようにすることで、アノード6とカソード7との間で水酸化物イオンが移動するアニオン伝導型の構成において、電解質膜5からアノード6に向かう電気浸透流Eによって水酸化物イオンの移動を促進することによりアノード6における水酸化物イオンの消費を促進し、発電効率を向上することができる。   In this way, in the anion conduction type structure in which hydroxide ions move between the anode 6 and the cathode 7, the hydroxide ions are moved by the electroosmotic flow E from the electrolyte membrane 5 toward the anode 6. By promoting the consumption of hydroxide ions in the anode 6, it is possible to improve the power generation efficiency.

なお、アニオン伝導型の燃料電池103においては、燃料液Xとして、上述したアルコールまたは糖に加えて、水酸化ナトリウム等のアルカリ性電解質をさらに含む液体が用いられてもよい。また、カソード7に担持される触媒として、上述した白金に代えて、酸化マンガンが用いられてもよい。   In the anion conduction type fuel cell 103, as the fuel liquid X, a liquid further containing an alkaline electrolyte such as sodium hydroxide in addition to the alcohol or sugar described above may be used. Further, manganese oxide may be used as the catalyst supported on the cathode 7 instead of the above-described platinum.

(第4の変形例)
本実施形態の第4の変形例に係る燃料電池104は、第3の変形例の燃料電池103のさらなる変形例であって、図5に示されるように、電気浸透流ポンプ8の構成のうち、一方の電極8aおよび誘電体8cが、第2の部屋4に配置されている。
(Fourth modification)
The fuel cell 104 according to the fourth modification example of the present embodiment is a further modification example of the fuel cell 103 according to the third modification example. As shown in FIG. One electrode 8a and the dielectric 8c are arranged in the second chamber 4.

このようにしても、第3の変形例の燃料電池103と同様に動作することができる。また、アノード6と電解質膜5とが隣接して配置されるので、水酸化物イオンのアノード6への伝達効率を高めて発電効率を向上することができる。なお、本変形例のように、カソード7と電気浸透流ポンプ8の電極8aとが隣接して配置される場合、カソード7と電極8aとを互いに電気的に絶縁するために、カソード7と電極8aとの間に図示しない絶縁部材が配置されるか、または、隙間が確保される。   Even if it does in this way, it can operate | move similarly to the fuel cell 103 of a 3rd modification. Further, since the anode 6 and the electrolyte membrane 5 are disposed adjacent to each other, it is possible to improve the efficiency of power generation by increasing the transmission efficiency of hydroxide ions to the anode 6. When the cathode 7 and the electrode 8a of the electroosmotic pump 8 are arranged adjacent to each other as in this modification, the cathode 7 and the electrode are electrically insulated from each other in order to electrically insulate the cathode 7 and the electrode 8a from each other. An insulating member (not shown) is disposed between 8a and a gap is secured.

(第5の変形例)
本実施形態の第5の変形例に係る燃料電池105は、第4の変形例の燃料電池104のさらなる変形例であって、図6に示されるように、一方の誘電体8cが電解質膜5と共通化されている。電解質膜5によって電気浸透流Eの発生に必要な表面電位が得られる場合には、電解質膜5が、電気浸透流ポンプの誘電体8cを兼ねることで、構成部材の数を削減し、小型化および低コスト化を図ることができる。
(Fifth modification)
The fuel cell 105 according to the fifth modification example of the present embodiment is a further modification example of the fuel cell 104 according to the fourth modification example, and as shown in FIG. 6, one dielectric 8 c is the electrolyte membrane 5. And is common. When the surface potential necessary for the generation of the electroosmotic flow E can be obtained by the electrolyte membrane 5, the electrolyte membrane 5 also serves as the dielectric 8c of the electroosmotic flow pump, thereby reducing the number of components and reducing the size. In addition, cost reduction can be achieved.

なお、本実施形態およびその変形例においては、電気浸透流ポンプ8の電極8a,8bとして、単一の部材からなるものが示されているが、電極8a,8bは、複数の部材から構成されていてもよい。また、電極8a,8bの寸法は、アノード6およびカソード7の寸法よりも、小さくても大きくてもよい。また、電極8a,8bは、互いに径方向にずれて配置されていてもよい。また、燃料液Xの通過を促進するために、アノード6、電極8a,8bおよび誘電体8c,8dに、厚さ方向に貫通する貫通孔が設けられていてもよい。   In addition, in this embodiment and its modification, what consists of a single member is shown as the electrodes 8a and 8b of the electroosmotic pump 8, but the electrodes 8a and 8b are composed of a plurality of members. It may be. The dimensions of the electrodes 8a and 8b may be smaller or larger than the dimensions of the anode 6 and the cathode 7. In addition, the electrodes 8a and 8b may be arranged so as to be shifted from each other in the radial direction. In order to promote the passage of the fuel liquid X, the anode 6, the electrodes 8a and 8b, and the dielectrics 8c and 8d may be provided with through holes penetrating in the thickness direction.

1,101,102,103,104,105 燃料電池
2 容器
3 第1の部屋(第1の燃料室)
4 第2の部屋(第2の燃料室)
5 電解質膜
6 アノード
7 カソード
8 電気浸透流ポンプ(電気浸透流発生手段)
8a,8b 電極
8c,8d 誘電体
8e 電源
9 配線
10 保護部材
10a 曲面
E 電気浸透流
X 燃料液(第1の燃料)
Y 酸素(第2の燃料)
Z アルカリ電解液
1, 101, 102, 103, 104, 105 Fuel cell 2 Container 3 First chamber (first fuel chamber)
4 Second chamber (second fuel chamber)
5 Electrolyte membrane 6 Anode 7 Cathode 8 Electroosmotic flow pump (electroosmotic flow generating means)
8a, 8b Electrode 8c, 8d Dielectric 8e Power supply 9 Wiring 10 Protection member 10a Curved surface E Electroosmotic flow X Fuel liquid (first fuel)
Y Oxygen (second fuel)
Z Alkaline electrolyte

Claims (6)

互いに対向配置されたアノードおよびカソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に設けられ、前記アノードが配置されて還元性を有する液体の第1の燃料が供給される第1の燃料室と前記カソードが配置されて酸化性を有する第2の燃料が供給される第2の燃料室とを隔離する電解質膜と、
前記第1の燃料室に前記電解質膜側から前記アノードに向かう電気浸透流を発生させる電気浸透流発生手段とを備える燃料電池。
An anode and a cathode disposed opposite to each other;
A first fuel chamber provided between the anode and the cathode, in which the anode is disposed and supplied with a liquid first fuel having a reducing property, and the cathode is disposed and has a second oxidizing property. An electrolyte membrane that isolates the second fuel chamber to which the fuel is supplied;
A fuel cell comprising: an electroosmotic flow generating means for generating an electroosmotic flow from the electrolyte membrane side toward the anode in the first fuel chamber.
前記電気浸透流発生手段が、前記アノードおよび前記電解質膜の配列方向に配列された、多孔質からなる一対の電極および該一対の電極の間に介在する多孔質からなる誘電体を有し、前記一対の電極の間に前記電気浸透流を発生する電気浸透流ポンプを備える請求項1に記載の燃料電池。   The electroosmotic flow generating means has a pair of porous electrodes arranged in the arrangement direction of the anode and the electrolyte membrane, and a porous dielectric interposed between the pair of electrodes, The fuel cell according to claim 1, further comprising an electroosmotic flow pump that generates the electroosmotic flow between a pair of electrodes. 前記一対の電極が、前記アノードを間に挟んで配置されている請求項2に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 2, wherein the pair of electrodes are disposed with the anode interposed therebetween. 前記電気浸透流ポンプの、一方の前記電極が前記第1の燃料室に配置され、他方の前記電極が前記第2の燃料室に配置されている請求項3に記載の燃料電池。   4. The fuel cell according to claim 3, wherein one of the electrodes of the electroosmotic flow pump is disposed in the first fuel chamber, and the other electrode is disposed in the second fuel chamber. 前記アノードが、前記第1の燃料室の内面との間に間隔を空けて配置される請求項1から請求項4のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the anode is disposed with a space between the anode and an inner surface of the first fuel chamber. 前記電解質膜が、アニオン交換膜である請求項1から請求項5のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the electrolyte membrane is an anion exchange membrane.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2015059767A1 (en) * 2013-10-22 2017-03-09 積水化学工業株式会社 Electroosmotic flow pump, manufacturing method thereof, and microfluidic device

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