JP3705541B2 - Fuel cell - Google Patents

Fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP3705541B2
JP3705541B2 JP2000378186A JP2000378186A JP3705541B2 JP 3705541 B2 JP3705541 B2 JP 3705541B2 JP 2000378186 A JP2000378186 A JP 2000378186A JP 2000378186 A JP2000378186 A JP 2000378186A JP 3705541 B2 JP3705541 B2 JP 3705541B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrode
piezoelectric element
diaphragm
fuel cell
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2000378186A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2002184430A (en
Inventor
和仁 西村
和弘 榎本
紀征 山本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sharp Corp filed Critical Sharp Corp
Priority to JP2000378186A priority Critical patent/JP3705541B2/en
Publication of JP2002184430A publication Critical patent/JP2002184430A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3705541B2 publication Critical patent/JP3705541B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電効率を向上させた燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
図6は、従来の固体高分子電解質膜を用いた燃料電池における単位セルの構成を示す断面図である。この燃料電池において、固体高分子電解質膜101は、その両面に触媒層が密着するように多孔質電極により挟持されている。このうち、燃料が供給される側の電極が燃料極102であり、酸化剤(空気)が供給される側の電極が酸化剤極103である。両電極102、103と、その両側に配置されている一対のガス不透過性板104との間に、燃料ガス流路105および酸化剤ガス流路106が形成されている。このように構成された単位セルの出力電圧は1V以下と低いため、所望の出力電圧を得るためには単位セルを複数積層して燃料電池スタックが形成される。
【0003】
上記燃料極102および酸化剤極103は、触媒活性物質を含む触媒層が導電性を有する多孔質の電極基材により支持された構造である。複数の並行な溝からなる燃料ガス流路105から電極基材を透過して燃料極102に供給される燃料としての水素と、酸化材ガス通路106から酸化剤極103に供給される酸化剤としての酸素とは、各々の触媒層において、電解質/触媒/反応ガスの三相界面を形成し、以下の反応式(1)および(2)で示されるような反応が進行する。
【0004】
燃料極:H2→2H++2e- ・・・(1)
酸化剤極:2H++2e-+(1/2)O2→H2O ・・・(2)
すなわち、燃料極102側では上記式(1)に示すように水素分子を水素イオンと電子に分解する電気化学反応が行われ、酸化剤極103側では上記式(2)に示すように水素イオンと電子と酸素から水を生成する電気化学反応が行われる。燃料極102側で上記式(1)の反応により生成した水素イオンは、水分子との水和状態で固体高分子電解質膜101を透過し、酸化剤極103側で上記式(2)の反応に供される。
【0005】
これらの反応を連続的に行うためには、燃料極102および酸化剤極103へ反応物質を連続的に供給すると共に、電極付近から生成物質を速やかに取り除く必要がある。具体的には、酸化剤極103では酸素を連続的に供給すると共に生成物質である水を取り除く必要があり、水分の除去が速やかに行われなければ、水が電極付近に滞留して酸化剤極103におけるガス透過性が低下し、電極反応が低下してしまう。このような酸化剤極での水分滞留を防止するために、電極に種々の工夫が試みられている。
【0006】
例えば、特開平7−326361号には、電解質膜を挟んで対向する電極を、導電性およびガス透過性を有する電極基材と、吸水性を有する吸水性材料とを用いて形成することにより、上記(式2)の反応により電極中または電極表面に生成した水分を積極的に吸収して、電極から水分を除去する方法が提案されている。この構造によれば、電極基材単独の場合に比べて多量の水分を吸水することができるので、電極における過剰水分の除去効率が向上するとされている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平7−326361号に提案されている方法では、吸水性材料の吸水能力の限界を超えるか、または負荷が急増して生成される水の量が急増する等の原因により、電極表面が水分で濡れてしまった場合、過剰水分の除去能力が飽和してしまう。その場合には、電極におけるガスの拡散が阻害されて濃度分極が起こり、電池性能の低下が生じる。
【0008】
さらに、この構造は、カソード(酸化剤極)の電極基材である多孔質カーボン中に体積比率にして20%程度の架橋ポリアクリル酸塩等の吸水性微粒子を分散保持させたものであるが、吸水性微粒子の配合比率と電極の導電性はトレードオフの関係であるため、吸水能力を高くするために吸水性微粒子の配合比率を高くすると、電極の導電性の低下、さらには内部抵抗増加によるエネルギー損失を招くことになる。
【0009】
本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、電極の導電性を低下させずに電極における過剰水分を効率良く除去し、電極にガスを安定して供給することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【0010】
本発明の燃料電池は、固体電解質膜の一方の面に正極を備えると共に他方の面に負極を備え、該正極に面して燃料ガス流路を備えると共に該負極に面して酸化剤ガス流路を備えた燃料電池セルにおいて、該燃料ガス流路および該酸化剤ガス流路のうちの少なくとも一方に少なくとも一つの振動手段を備えており、前記振動手段は、印加される駆動電圧に応じて変位を生じる圧電素子と、該圧電素子の下地基板であって、該圧電素子の変位を受けて前記固体電解質膜に振動を与える振動板とからなり、前記振動板および圧電素子は、前記正極上または前記負極上に電極面と並行に積層されていることを特徴し、そのことにより上記目的が達成される。
【0014】
前記圧電素子がPZT膜からなっていてもよい。
【0015】
前記圧電素子および前記振動板のうちの少なくとも一方は、ガスおよび水分のうちの少なくとも一方を透過させる機能を有するのが好ましい。
【0016】
前記圧電素子および前記振動板のうちの少なくとも一方が、複数の貫通孔を有していてもよい。
【0017】
前記圧電素子および前記振動板のうちの少なくとも一方が、表面に撥水性被膜を有するのが好ましい。
【0018】
前記撥水性被膜がシリコーン樹脂からなっていてもよい。
【0019】
前記撥水性被膜が架橋構造を有する高分子膜からなっていてもよい。
【0020】
以下に、本発明の作用について説明する。なお、以下の説明において、電極とは燃料極または酸化剤極を示し、ガスとは燃料ガスまたは酸化剤ガスを示し、水分とは水を主体とした液体および噴霧体を示すものとする。
【0021】
本発明にあっては、燃料電池運転中に燃料電池セルのガス流路内に備えた振動手段が振動するため、燃料極(負極)および酸化剤極(正極)に固体電解質膜が挟持されてなる電池反応層の振動、またはガス流路内への通風を行うことができる。この振動手段の振動により、電池反応層の酸化剤極側に生成する水分は、酸化剤極表面から飛散して除去される。生成した水分が速やかに電極表面から取り除かれるため、酸化剤極内へのガスの拡散が水分によって阻害されることはなくなる。また、上記振動手段によるガス流路への通風により、燃料極または酸化剤ガス極へのガス供給が途絶えることがなくなり、電極内へのガスの拡散が促進される。その結果、電極内部におけるガス不足に起因する濃度分極が小さくなり、燃料電池の発電効率が上昇する。この振動手段は、燃料ガス流路の片側の壁である燃料極もしくは酸化剤燃料ガス流路の片側の壁である酸化剤極に密着させて配置してもよく、または燃料極もしくは酸化剤極から所定の距離だけ離して配置してもよい。
【0022】
また、本発明にあっては、振動板の上に圧電素子を形成し、圧電素子の変形が振動板を介して固体電解質膜に伝達されるように振動板を配置する。固体電解質膜は、燃料極および酸化剤極と密着して一体となって電池反応層を構成しているので、振動板にて発生した振動は電池反応層全体を振動させる。圧電素子は、駆動回路から印加される駆動電圧信号に応じて変形するので、駆動回路は振動板から適切な振動が得られるような駆動電圧信号を生成して圧電素子に印加する。この構成では、振動板にて発生した振動は電池反応層全体に伝わり、酸化剤極表面の水分を飛散させる。特に、燃料電池が高電流密度の運転状態で水分の生成量が多い場合でも、水分が生成される酸化剤極自体が振動して水分を飛散させることにより、高い水分除去能力を発揮することができる。また、振動手段の駆動に圧電素子を利用することにより、板状に薄く形成することができるため、振動手段を設けることによる燃料電池セル自体の体積増加は殆ど生じない。さらに、振動板を介して直接固体電解質膜に振動を与えることができるので、振動を伝達するための複雑な機構が不要であり、部品数の増加を抑えることができる。
【0023】
さらに、本発明にあっては、振動板はこれに近い側の電極と並行に接触して配置され、その振動を電極および固体電解質膜に伝える。圧電素子は振動板上に形成されているので、電極上に振動板および圧電素子が積層して配置された構成となる。この構成では、圧電素子に生じる変位を有効に電極に伝えて固体電解質膜および電極を振動させることができる。また、振動板および圧電素子はガス流路内に配置されるので、振動板および圧電素子が無い場合と同じガス流路を確保するためにはガス流路を広くする必要があるが、電極上に振動板および圧電素子を積層することにより、ガス流路の拡張幅を最小限に抑えると共に、燃料電池セルの厚さの増加を抑えることができる。
【0024】
なお、振動板および圧電素子を電極から離してガス流路内に配置され、圧電素子の変位により振動板が燃料極または酸化剤極に対して通風を行う構成であってもよい。振動板は、燃料極または酸化剤極に対して風が到達し易い位置に配置される。この構成では、圧電素子により駆動される振動板により電極に通風を行うので、電極表面に対するガス供給を途絶えることなく行うことができる。従って、燃料電池が高電流密度の運転状態であっても、電極内部におけるガス不足に起因する濃度分極の増加を防ぐことができる。また、酸化剤極に対する通風は、酸化剤極に生成する水分の飛散または気化を促進するため、振動手段は電極へのガス供給だけではなく、水分除去の機能も果たす。酸化剤極へのガス供給および水分除去の両方を振動手段により達成することができるため、部品数の増加を抑えることができる。さらに、燃料極側に副生成ガスとしてCO2が発生するダイレクトメタノール型燃料電池の場合には、振動手段による燃料極への通風により、燃料ガスの供給を行うと共にCO2ガスの除去を行うことができるので、燃料極内での燃料ガス不足を防ぐことができる。
【0025】
請求項2に記載の本発明にあっては、圧電素子がPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)膜からなる。PZT膜は圧電性セラミック膜であり、強誘電性を有するPZTは膜中で積層方向に分極しているため、印加される電圧に応じて圧電ひずみを生じる。この圧電ひずみにより振動板を振動させることができる。このPZT膜は、ゾルゲル法等により比較的低い焼成温度で作製することができる。また、PZTは−200℃〜200℃の広い温度範囲で圧電材料として満足な特性を示すため、例えば室温〜100℃以下で動作する固体高分子電解質型燃料電池において、燃料電池セル内で使用可能な圧電素子材料として適している。
【0026】
請求項3に記載の本発明にあっては、圧電素子および振動板のうちの少なくとも一方は、ガスおよび水分のうちの少なくとも一方を透過させる機能を有する。従って、ガス流路から電極へのガス流入を阻害せず、また、酸化剤極側に生成する水分はその振動板や圧電素子を通過して系外に排出することができる。従って、電極内部が常に電池反応に適した状態に保たれ、燃料電池の発電効率が向上する。
【0027】
請求項4に記載の本発明にあっては、圧電素子および振動板のうちの少なくとも一方に、複数の貫通孔を設けているので、ガスまたは水分ガスおよび水分のうちの少なくとも一方が貫通孔の内部を自由に通過することができる。貫通孔を設ける方法としては、例えば、金属板をプレス機械により打ち抜き加工した後、その上に圧電素子を形成する方法や、金属板上に圧電素子を形成した後に打ち抜く方法等が挙げられる。後者の方法は焼成して形成した圧電性セラミック膜に対して打ち抜きにより過度の応力がかかるため、圧電素子を損傷させるおそれがあり、製造歩留まりに問題が生じるので、前者の方法がより望ましい。さらに、金属板に複数の並行なスリットを加工した後、延伸して多数の貫通孔を形成した、いわゆるエキスパンドメタル上に圧電素子を作製するという方法でも、貫通孔を有する振動板および圧電素子を作製することができる。
【0028】
請求項5に記載の本発明にあっては、圧電素子および振動板のうちの少なくとも一方が、表面に撥水性被膜を有しているので、その振動板や圧電素子は水分をほとんど保持しない。この場合、生成した水分が拡散状から凝固状の形態を取り易くなり、水分除去を容易に行うことができる。なお、ここで言う撥水性とは、後退接触角が70゜以上のものを指す。このような撥水性被膜としては、フッ素系樹脂(例えばパーフルオロブチルエチレン樹脂およびその共重合体、トリフルオロエチルメタクリレート樹脂およびその共重合体、フッ化ビリニデン樹脂およびその共重合体等)、シリコーン樹脂(例えばメチル水素シリコーン樹脂およびその共重合体、ジメチルシリコーン樹脂およびその共重合体、フェニルメチルシリコーン樹脂およびその共重合体等)が代表的なものとして挙げられる。特に、請求項6に記載の本発明にあっては、撥水性被膜がシリコーン樹脂からなるため、被膜形成も比較的容易であり、かつ、撥水性だけではなく耐候性にも優れ、振動板および圧電素子の表面が熱等により劣化しにくい。さらに、請求項7に記載の本発明にあっては、これらの樹脂を架橋した高分子膜を撥水性被膜として用いることにより、耐熱性が向上して光や熱による劣化が生じ難くなり、撥水性被膜の長寿命化を図ることができる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【0030】
(実施形態1)
図1は、本発明の一実施形態である固体高分子型燃料電池の基本的なセル構造を示す模式図である。この燃料電池セルは、膜状の電解質である固体高分子電解質膜1と、その固体高分子電解質膜の膜面に密着した燃料極2および酸化剤極により構成される電池反応層19と、各セルを仕切るガス不透過性板4と、薄板状の振動板7の上に固着された圧電素子8と、その圧電素子8を駆動する駆動回路9により構成されている。
【0031】
振動板7は、その縁を固定部材18により燃料電池セルの筐体に固定され、その部分が振動板7の振動の支点となる。また、固定部材18は、電池反応層19の振動を妨げないように、電池反応層19側には固定されずに設置されている。さらに、固定部材18と振動板7を一体成形することにより、部品数や製造工程を減らすことができる。
【0032】
この燃料電池セルにおいては、上記燃料極2とガス不透過性板4の間を燃料ガス流路5とし、上記酸化剤極3とガス不透過性板4の間を酸化剤ガス流路6としている。
【0033】
固体高分子電解質膜1は、水素イオンに対するイオン交換基としてスルホン基を有する陽イオン交換膜である。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸高分子樹脂等、フッ素系高分子樹脂からなる陽イオン交換膜を用いることができる。燃料電池における電気化学反応は電極と電解質との界面で起こるため、高分子電解質膜1の電気化学的特性は燃料電池の電流−電圧特性に大きな影響を与える。特に、薄膜化することにより積層方向の抵抗が減少するため、電流−電圧特性を向上させることができる。上述した樹脂の場合には、膜厚が50μm〜200μm程度になるように作製する。イオン導電率は25℃で5×10-2〜1×10-1(Ω・cm)-1程度であるので、上記膜厚の単位面積当たりの抵抗は0.05〜0.4Ω程度となる。
【0034】
燃料極2および酸化剤極3は、両電極とも電極反応がガス拡散律速とならないように、ガス拡散性の良い多孔質構造を有するグラファイトを電極基材としている。各電極の反応層面側、すなわち、固体高分子電解質膜1と接する面には触媒反応層が形成され、電極内の触媒反応層はグラファイト中に10〜30wt%の白金が触媒として担持されている。電極反応には電解質/触媒/反応ガスの3相界面を充分に確保する必要があるため、電極の触媒反応層は上記固体高分子電解質膜1と密着して形成される。例えば、燃料極2と酸化材極3の2枚の電極シートにより固体高分子電解質膜1を挟み、40〜400kg/cm2程度の加圧下で100〜200℃でホットプレスすることにより、電極シートと固体高分子電解質膜1を接合して一体化する。
【0035】
圧電素子8は、弾性率の高い金属板(振動板7)上に積層されている。このような金属板としては、例えば厚さ10〜50μmのステンレス板等を用いることができる。圧電素子8の下地基板である振動板7は、酸化剤極3に接して配置され、圧電素子8の変位を酸化剤極3側に伝達する。この振動板7および圧電素子8により、酸化剤ガス流路6から酸化剤極3へのガス導通または酸化剤極3から酸化剤ガス流路6への水分導通を妨げてしまうと、電極での電池反応がスムーズに進行しないため、上記振動板7には貫通孔を設けてある。この貫通孔は、例えば直径1mm以上の円形孔であり、2〜3mm間隔で円形孔が打ち抜かれたパンチングメタルを振動板7として用いることができる。
【0036】
また、圧電素子8は厚さ10〜50μm程度のPZT膜からなり、チタン、ジルコニウム、鉛のアルコキシドまたはアセテートを酸で加水分解したゾルをスピンコートまたはディップコートにより下地基板上に塗布した後、300〜600℃で焼成することにより得られる。その後、PZT膜上にスパッタリング法または真空蒸着法等により数μmの厚みのアルミニウム上部電極を形成する。上記振動板7は圧電素子8の下部電極としても機能し、振動板7と圧電素子8のアルミニウム上部電極との間に駆動回路9からの駆動電圧信号が印加されることにより圧電素子8が振動する。
【0037】
本実施形態では、ダイレクトメタノール燃料電池を構成する固体高分子電解質膜1として、パーフルオロカーボンスルホン酸高分子樹脂であるNafion(米国デュポン社製、商品名Nafion117)を用いる。
【0038】
また、燃料極2および酸化剤極3は、各々グラファイト中に3.6mg/cm2の白金ルテニウム合金、および1.1mg/cm2の白金が触媒として担持されている。これら2枚の電極シートを50mm×50mmの正方形に切断し、5%Nafion溶液(ナフィオン樹脂をアルコールと水の混合溶媒に溶解させたもの)を塗布して固体高分子電解質膜1と貼り合わせ、200kg/cm2の圧力で100℃のホットプレスで接合している。
【0039】
さらに、圧電素子8は、直径1mmの円形孔を3mm間隔で打ち抜いたパンチングメタルのステンレス板(厚さ10μm)上に、20μmの厚さに作製する。本実施形態では、酢酸鉛を酢酸に溶かした後、さらにジルコニウムテトラブトキシドおよびチタンテトライソプロポキシドを溶解させ、水と少量のジエチレングリコールを加えて攪拌し、加水分解することによりPZTを得る。その後、ポリエチレングルコールモノメチルエーテルをPZTに対して10wt%添加し、攪拌して得たゾルをディップコートにより塗布した後、400℃で加熱してPZT膜を作製する。さらに、PZT膜上にスパッタリング法により1μmの厚さのアルミニウム膜を作製し、圧電素子8の上部電極とする。
【0040】
上記圧電素子8の駆動回路9は、以下のような構成を有する。燃料電池単セルは、燃料極2を負極、酸化剤極3を正極として0.4〜0.9Vの電圧を出力するので、この出力電圧を制御部電源回路10に入力し、この制御部電源回路10から波形出力部11および圧電素子駆動部12に一定の電源電圧(Vcc=3.3V)を供給する。同様に、燃料極2と酸化剤極3との間の燃料電池出力電圧は駆動用電源回路13にも入力され、この駆動用電源回路13は圧電素子駆動部12に圧電素子駆動用電圧(Vp〜20V)を供給する。波形出力部11では圧電素子を駆動する矩形電圧波形が生成され、圧電素子駆動部12は入力された駆動電圧波形に従って、波高値Vpの電圧を圧電素子8に印加して圧電素子8を駆動する。
【0041】
図2に、上記波形出力部11および圧電素子駆動部12の詳細な構成を示す。波形出力部11では、駆動用IC14により圧電素子8を充電するための駆動電圧信号Vc、および圧電素子8を放電させるための駆動電圧信号Vdが生成され、各々圧電素子駆動部12内のトランジスタTr1およびTr3に入力される。なお、図中のVnは燃料電池の負極、すなわち、燃料極側の電位である。
【0042】
次に、圧電素子駆動部12の動作を説明する。圧電素子充電時には、駆動電圧信号Vcがハイレベルになると(時刻t=t1)Tr1がオンし、それによりTr2がオンされる。これにより、駆動用電源回路13から供給される電圧VpがTr2およびリアクトルLを介して圧電素子8に印加され、圧電素子8は充電されると共に変位(伸長)を開始する。この後、駆動電圧信号Vdがハイレベルになると(時刻t=t2)Tr3がオンし、圧電素子8の電荷はリアクトルLおよびTr3を介して放電され、圧電素子8の変位は初期状態に復帰する。
【0043】
図3に、上記駆動電圧信号Vc、Vdおよび圧電素子8に印加される電圧Vpiezoを示す。駆動用IC14からの駆動電圧信号に従ってこのような充放電を繰り返すことにより、圧電素子8を振動させることができる。
【0044】
燃料電池の運転状態においては、上記圧電素子8は常に振動しており、この圧電素子8の振動は振動板7により酸化剤極7側に伝達される。この振動によって酸化剤極7表面の水分は振動板7および圧電素子8の貫通孔を通過して酸化剤ガス流路6側に霧状に飛散される。
【0045】
本実施形態において、振動板7および圧電素子8は酸化剤極7側に配置したが、燃料極2側に配置してもよい。すなわち、振動板7を燃料極2に接するように燃料ガス流路5内に配置した場合でも、この振動板7は燃料極2を振動させると共に固体高分子電解質膜1および酸化剤極3を振動させるので、その振動により酸化剤極3表面の水分を飛散させることができる。さらに、振動板7および圧電素子8に貫通孔を設けることにより、燃料ガス流路5内で燃料極2へのガス供給を妨げることはない。
【0046】
(実施形態2)
図4は本実施形態の固体高分子型燃料電池のセル構造を示す模式図である。実施形態1との相違点は、振動板7の上に積層型圧電素子15を形成した点である。積層型圧電素子15は、10μmのPZT膜および1μmのアルミニウム電極16、17からなる圧電素子を5層積層したものである。
【0047】
アルミニウム電極16は振動板7と同電位であり、実施形態1と同様に、振動板7とアルミニウム電極17との間に駆動回路9からの駆動電圧信号が印加されて積層型圧電素子15を駆動する。
【0048】
本実施形態では、積層型圧電素子を用いることにより、単層の場合と比べて積層により合計で5倍の変位が得られるので、各圧電素子層の変位量が実施形態1の場合の5分の1で良い。圧電素子の変位は素子に印加される電界強度に比例するので、アルミニウム電極に印加する電圧を約5分の1に抑えることができるため、上記駆動用電源回路13が供給する圧電素子駆動用電圧Vpの低電圧化を図ることができる。
【0049】
(実施形態3)
図5は本実施形態の固体高分子型燃料電池のセル構造を示す模式図である。実施形態1との相違点は、振動板7および圧電素子8を2つ用い、その片側の縁を固定部材18により固定して、酸化剤極3と接触しないようにした点である。
【0050】
本実施形態では、振動板7および圧電素子8が酸化剤極3に接していないため、酸化剤極3への酸化剤ガスの導通性が実施形態1および実施形態2と比べて改善される。また、振動板7および圧電素子8は片側を固定部材18により固定されているため、団扇として動作し、その振動により酸化剤極3への通風を効率良く行うことができる。よって、電極へのガス供給と共に電極表面の水分の飛散または気化の促進という2つの機能を発揮することができる。さらに、固体高分子電解質膜1、燃料極2および酸化剤極3から構成される電池反応層を振動させないので、実施形態1および実施形態2において電池反応層に要求されるほどの機械的強度が、本実施形態では不要になり、振動によるひずみや劣化等のおそれも無くなる。
【0051】
なお、本実施形態において、この振動板7および圧電素子8の数をさらに増やして各々を固定部材18により固定した構成としてもよい。また、振動板7と固定部材18とを一体成形することにより、より部品数を減らすことができる。さらに、本実施形態では、団扇としての動作による通風効果を向上させるために、振動板7および圧電素子8に貫通孔を設けない構成としてもよい。
【0052】
(実施形態4)
本実施形態では、振動板および圧電素子8の少なくとも一方の表面に、撥水性被膜を形成した例について説明する。実施形態1〜実施形態3との相違点は、振動板7および圧電素子8を一体に作製した後、これらにシリコーン樹脂による撥水性被膜を施した点である。
【0053】
シリコーン樹脂は、耐熱性が高く、化学的に不活性である等の特徴を有するが、本実施形態では特に耐熱性が高い(印加点275℃)アルコール性シリコーン樹脂エマルジョンを用いて撥水性被膜を作製する。まず、ポリカーボネート樹脂のテトラヒドロフラン溶液(固形分10wt%)にフェニルメチルシリコーン樹脂(東レ・ダウコーニングシリコーン(株)製、商品名SH510、フェニル化度25mol%)を添加混合して、コーティング剤組成物を調整する。得られたコーティング剤組成物を振動板7と圧電素子8の一体化した板に塗布した後、室温で1時間風乾する。次に、これを150℃で1時間加熱し、膜厚0.5μmのシリコーン樹脂被膜を得る。
【0054】
本実施形態では、シリコーン樹脂被膜の撥水効果により、振動板7および圧電素子8上の水分が水滴状になり易いため、振動板7の振動による水分除去の効果が向上する。また、シリコーン樹脂は耐熱性が高いため、固体高分子型燃料電池のセル内の温度が100℃付近まで上昇しても、撥水性被膜の劣化が殆ど生じない。さらに、フェニルメチルシリコーン樹脂は絶縁性も高いため、燃料電池セル内における電極と振動板7、または電極と圧電素子8の短絡のおそれがないので、安全性が向上する。
【0055】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、圧電素子と振動板等により構成される振動手段により、燃料電池の電極および固体電解質膜を振動させて、電極表面の水分除去を効率良く行うことができる。また、圧電素子や振動板にガスや水分を通過できる貫通孔を設けることにより、電極へのガス供給を妨げることなく、効率良く水分を電極から除去することができる。また、振動板を団扇のように動作させて風を起こすことにより、電極へのガス供給と共に電極表面の水分の飛散または気化を促進することができる。さらに、圧電素子や振動板に撥水性被膜を設けることにより、電極から水分を効率良く除去することができる。本発明によれば、電極表面への水分付着によって電極内部へのガス拡散量が不足することにより生じる濃度分極を抑えて、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態1の固体高分子型燃料電池のセル構造を示す模式図である。
【図2】図1の圧電素子を駆動する駆動回路の構成を示す回路図である。
【図3】図2の駆動回路における各部の電圧を示す波形図である。
【図4】実施形態2の固体高分子型燃料電池のセル構造を示す模式図である。
【図5】実施形態3の固体高分子型燃料電池のセル構造を示す模式図である。
【図6】従来の固体高分子型燃料電池のセル構造を示す模式図である。
【符号の説明】
1、101 固体高分子電解質膜
2、102 燃料極
3、103 酸化剤極
4、104 ガス不透過性基板
5、105 燃料ガス流路
6、106 酸化剤ガス流路
7 振動板
8 圧電素子
9 駆動回路
10 制御部電源回路
11 波形出力部
12 圧電素子駆動部
13 駆動用電源回路
14 駆動用IC
15 積層型圧電素子
16、17 アルミニウム電極
18 固定部材
19 電池反応層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell with improved power generation efficiency.
[0002]
[Prior art]
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a unit cell in a fuel cell using a conventional solid polymer electrolyte membrane. In this fuel cell, the solid polymer electrolyte membrane 101 is sandwiched between porous electrodes so that the catalyst layers are in close contact with both surfaces thereof. Among these, the electrode on the side supplied with fuel is the fuel electrode 102, and the electrode on the side supplied with oxidant (air) is the oxidant electrode 103. A fuel gas channel 105 and an oxidant gas channel 106 are formed between the electrodes 102 and 103 and a pair of gas-impermeable plates 104 arranged on both sides thereof. Since the output voltage of the unit cell configured as described above is as low as 1 V or less, a fuel cell stack is formed by stacking a plurality of unit cells in order to obtain a desired output voltage.
[0003]
The fuel electrode 102 and the oxidant electrode 103 have a structure in which a catalyst layer containing a catalytically active substance is supported by a porous electrode substrate having conductivity. Hydrogen as fuel that is supplied to the fuel electrode 102 through the electrode base material from the fuel gas flow path 105 including a plurality of parallel grooves, and oxidant that is supplied to the oxidant electrode 103 from the oxidant gas passage 106 In each catalyst layer, an oxygen / catalyst / reactive gas three-phase interface is formed in each catalyst layer, and a reaction as shown by the following reaction formulas (1) and (2) proceeds.
[0004]
Fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e - ... (1)
Oxidant electrode: 2H + + 2e - + (1/2) O 2 → H 2 O (2)
That is, an electrochemical reaction that decomposes hydrogen molecules into hydrogen ions and electrons is performed on the fuel electrode 102 side as shown in the above formula (1), and hydrogen ions are shown on the oxidant electrode 103 side as shown in the above formula (2). Electrochemical reaction to produce water from electrons and oxygen is performed. Hydrogen ions generated by the reaction of the above formula (1) on the fuel electrode 102 side permeate the solid polymer electrolyte membrane 101 in a hydrated state with water molecules, and the reaction of the above formula (2) on the oxidant electrode 103 side. To be served.
[0005]
In order to perform these reactions continuously, it is necessary to continuously supply the reactants to the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 103 and to quickly remove the product from the vicinity of the electrodes. Specifically, in the oxidizer electrode 103, it is necessary to continuously supply oxygen and remove water which is a generated material. If moisture is not removed quickly, water stays in the vicinity of the electrode and the oxidizer electrode 103 The gas permeability at the electrode 103 is lowered, and the electrode reaction is lowered. In order to prevent such moisture retention at the oxidizer electrode, various devices have been tried for the electrode.
[0006]
For example, in JP-A-7-326361, by forming electrodes facing each other with an electrolyte membrane interposed therebetween using an electrode base material having conductivity and gas permeability and a water-absorbing material having water absorption, There has been proposed a method in which moisture generated in the electrode or on the electrode surface by the reaction of the above (formula 2) is actively absorbed to remove the moisture from the electrode. According to this structure, a large amount of water can be absorbed as compared with the case where the electrode base material alone is used, and therefore, the removal efficiency of excess water in the electrode is improved.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the method proposed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-326361, the electrode is caused by a cause such as exceeding the limit of the water absorption capacity of the water absorbent material or increasing the amount of water generated due to a sudden increase in load. If the surface gets wet with moisture, the ability to remove excess moisture will be saturated. In that case, the diffusion of gas in the electrode is inhibited, concentration polarization occurs, and the battery performance decreases.
[0008]
Furthermore, this structure is obtained by dispersing and holding water-absorbing fine particles such as a crosslinked polyacrylate having a volume ratio of about 20% in porous carbon which is an electrode base material of a cathode (oxidant electrode). Since the mixing ratio of the water-absorbing fine particles and the conductivity of the electrode are in a trade-off relationship, increasing the water-absorbing fine particle mixing ratio in order to increase the water-absorbing ability will lower the electrode conductivity and increase the internal resistance. Will cause energy loss.
[0009]
The present invention has been made to solve such problems of the prior art, and efficiently removes excess moisture in the electrode without reducing the conductivity of the electrode, and stably supplies gas to the electrode. An object of the present invention is to provide a fuel cell that can be used.
[0010]
The fuel cell of the present invention includes a positive electrode on one surface of a solid electrolyte membrane and a negative electrode on the other surface, a fuel gas channel facing the positive electrode, and an oxidant gas flow facing the negative electrode. In the fuel cell having a path, at least one of the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path is provided with at least one vibration means, The vibration means includes: a piezoelectric element that generates a displacement according to an applied drive voltage; and a diaphragm that is a base substrate of the piezoelectric element and that receives the displacement of the piezoelectric element and applies vibration to the solid electrolyte membrane. The diaphragm and the piezoelectric element are laminated on the positive electrode or the negative electrode in parallel with the electrode surface. And the above object can be achieved.
[0014]
The piezoelectric element may be made of a PZT film.
[0015]
It is preferable that at least one of the piezoelectric element and the diaphragm has a function of transmitting at least one of gas and moisture.
[0016]
At least one of the piezoelectric element and the diaphragm may have a plurality of through holes.
[0017]
It is preferable that at least one of the piezoelectric element and the diaphragm has a water-repellent coating on the surface.
[0018]
The water repellent film may be made of a silicone resin.
[0019]
The water repellent coating film may be composed of a polymer film having a crosslinked structure.
[0020]
The operation of the present invention will be described below. In the following description, the electrode indicates a fuel electrode or an oxidant electrode, the gas indicates a fuel gas or an oxidant gas, and the moisture indicates a liquid mainly composed of water and a spray body.
[0021]
The present invention In this case, since the vibration means provided in the gas flow path of the fuel cell vibrates during the operation of the fuel cell, the battery in which the solid electrolyte membrane is sandwiched between the fuel electrode (negative electrode) and the oxidant electrode (positive electrode). The reaction layer can be vibrated or vented into the gas flow path. Due to the vibration of the vibrating means, moisture generated on the oxidant electrode side of the battery reaction layer is scattered and removed from the surface of the oxidant electrode. Since the generated moisture is quickly removed from the electrode surface, the diffusion of the gas into the oxidizer electrode is not hindered by the moisture. Further, the gas supply to the fuel electrode or the oxidant gas electrode is not interrupted by the ventilation of the gas flow path by the vibration means, and the diffusion of the gas into the electrode is promoted. As a result, concentration polarization due to gas shortage inside the electrode is reduced, and the power generation efficiency of the fuel cell is increased. This vibration means may be disposed in close contact with the fuel electrode which is one side wall of the fuel gas flow channel or the oxidant electrode which is one side wall of the oxidant fuel gas flow channel, or the fuel electrode or oxidant electrode. You may arrange | position only predetermined distance from.
[0022]
Also, In the present invention, the piezoelectric element is formed on the diaphragm, and the diaphragm is disposed so that the deformation of the piezoelectric element is transmitted to the solid electrolyte membrane through the diaphragm. Since the solid electrolyte membrane is in close contact with the fuel electrode and the oxidant electrode to form a battery reaction layer, the vibration generated in the diaphragm vibrates the entire battery reaction layer. Since the piezoelectric element is deformed according to the drive voltage signal applied from the drive circuit, the drive circuit generates a drive voltage signal that can obtain an appropriate vibration from the diaphragm and applies the drive voltage signal to the piezoelectric element. In this configuration, vibration generated in the diaphragm is transmitted to the entire battery reaction layer, and water on the surface of the oxidant electrode is scattered. In particular, even when the fuel cell is operating at a high current density and the amount of water generated is large, the oxidant electrode itself that generates water vibrates and scatters water, thereby exhibiting a high water removal capability. it can. In addition, since a piezoelectric element can be used to drive the vibration means, the plate can be formed thin, so that the volume of the fuel cell itself is hardly increased by providing the vibration means. Furthermore, since the vibration can be directly applied to the solid electrolyte membrane via the diaphragm, a complicated mechanism for transmitting the vibration is unnecessary, and an increase in the number of components can be suppressed.
[0023]
further, In the present invention, the diaphragm is disposed in parallel with the electrode on the side close thereto, and transmits the vibration to the electrode and the solid electrolyte membrane. Since the piezoelectric element is formed on the diaphragm, the diaphragm and the piezoelectric element are stacked on the electrode. In this configuration, the displacement generated in the piezoelectric element can be effectively transmitted to the electrode to vibrate the solid electrolyte membrane and the electrode. In addition, since the diaphragm and the piezoelectric element are arranged in the gas flow path, it is necessary to make the gas flow path wide in order to ensure the same gas flow path as in the case without the diaphragm and the piezoelectric element. By laminating the diaphragm and the piezoelectric element, the expansion width of the gas flow path can be minimized and an increase in the thickness of the fuel cell can be suppressed.
[0024]
In addition, The diaphragm and the piezoelectric element are disposed in the gas flow path apart from the electrode, and the diaphragm ventilates the fuel electrode or the oxidant electrode by the displacement of the piezoelectric element. Configuration may be . The diaphragm is disposed at a position where the wind can easily reach the fuel electrode or the oxidant electrode. In this configuration, since the electrodes are ventilated by the diaphragm driven by the piezoelectric element, gas supply to the electrode surface can be performed without interruption. Therefore, even when the fuel cell is in an operating state with a high current density, an increase in concentration polarization due to gas shortage inside the electrode can be prevented. Further, the ventilation to the oxidant electrode promotes the scattering or vaporization of water generated in the oxidant electrode, so that the vibration means not only supplies gas to the electrode but also functions to remove water. Since both the gas supply to the oxidizer electrode and the moisture removal can be achieved by the vibration means, an increase in the number of parts can be suppressed. Furthermore, CO as a by-product gas on the fuel electrode side 2 In the case of a direct methanol type fuel cell in which gas is generated, the fuel gas is supplied by the ventilation to the fuel electrode by the vibration means and the CO 2 is supplied. 2 Since gas can be removed, shortage of fuel gas in the fuel electrode can be prevented.
[0025]
Claim 2 In the present invention described in 1), the piezoelectric element is made of a PZT (lead zirconate titanate) film. Since the PZT film is a piezoelectric ceramic film, and PZT having ferroelectricity is polarized in the stacking direction in the film, piezoelectric strain is generated according to the applied voltage. The diaphragm can be vibrated by this piezoelectric strain. This PZT film can be produced at a relatively low firing temperature by a sol-gel method or the like. In addition, PZT exhibits satisfactory characteristics as a piezoelectric material in a wide temperature range of −200 ° C. to 200 ° C., so that it can be used in a fuel cell, for example, in a polymer electrolyte fuel cell operating at room temperature to 100 ° C. or less. Suitable as a piezoelectric material.
[0026]
Claim 3 In at least one of the piezoelectric element and the diaphragm according to the present invention described above, there is a function of transmitting at least one of gas and moisture. Therefore, the gas inflow from the gas flow path to the electrode is not hindered, and moisture generated on the oxidizer electrode side can pass through the diaphragm and the piezoelectric element and be discharged out of the system. Therefore, the inside of the electrode is always kept in a state suitable for the cell reaction, and the power generation efficiency of the fuel cell is improved.
[0027]
Claim 4 Since at least one of the piezoelectric element and the diaphragm is provided with a plurality of through holes, at least one of gas or moisture gas and moisture can freely pass through the inside of the through hole. Can pass through. Examples of the method of providing the through hole include a method of punching a metal plate with a press machine and then forming a piezoelectric element thereon, a method of punching after forming a piezoelectric element on the metal plate, and the like. In the latter method, the piezoelectric ceramic film formed by firing is excessively stressed by punching, which may damage the piezoelectric element and cause a problem in manufacturing yield. Therefore, the former method is more preferable. Furthermore, after processing a plurality of parallel slits in a metal plate, a method of producing a piezoelectric element on a so-called expanded metal that is stretched to form a large number of through holes is used. Can be produced.
[0028]
Claim 5 In the present invention described above, since at least one of the piezoelectric element and the diaphragm has a water-repellent coating on the surface, the diaphragm and the piezoelectric element hardly retain moisture. In this case, the generated water can easily take a form from a diffusion state to a solidified state, and the water can be easily removed. The water repellency referred to here refers to those having a receding contact angle of 70 ° or more. Examples of such water-repellent coatings include fluorine resins (for example, perfluorobutylethylene resin and copolymers thereof, trifluoroethyl methacrylate resins and copolymers thereof, vinylidene fluoride resins and copolymers thereof), silicone resins, and the like. (For example, methyl hydrogen silicone resin and copolymer thereof, dimethyl silicone resin and copolymer thereof, phenylmethyl silicone resin and copolymer thereof, and the like) can be mentioned as representative examples. In particular, Claim 6 In the present invention, the water-repellent film is made of a silicone resin, so that the film formation is relatively easy, and it is excellent not only in water repellency but also in weather resistance, and the surfaces of the diaphragm and the piezoelectric element are Not easily deteriorated by heat. further, Claim 7 In the present invention described in the above, by using a polymer film obtained by cross-linking these resins as a water-repellent film, heat resistance is improved and deterioration due to light or heat hardly occurs. Can be achieved.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0030]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic cell structure of a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention. The fuel battery cell includes a solid polymer electrolyte membrane 1 that is a membrane electrolyte, a battery reaction layer 19 composed of a fuel electrode 2 and an oxidizer electrode that are in close contact with the membrane surface of the solid polymer electrolyte membrane, The gas impermeable plate 4 for partitioning the cell, the piezoelectric element 8 fixed on the thin plate-like diaphragm 7, and a drive circuit 9 for driving the piezoelectric element 8 are configured.
[0031]
The edge of the diaphragm 7 is fixed to the casing of the fuel cell by a fixing member 18, and the portion serves as a fulcrum of vibration of the diaphragm 7. Further, the fixing member 18 is installed without being fixed to the battery reaction layer 19 side so as not to disturb the vibration of the battery reaction layer 19. Further, by integrally forming the fixing member 18 and the diaphragm 7, the number of parts and the manufacturing process can be reduced.
[0032]
In this fuel cell, a fuel gas flow path 5 is provided between the fuel electrode 2 and the gas impermeable plate 4, and an oxidant gas flow path 6 is provided between the oxidant electrode 3 and the gas impermeable plate 4. Yes.
[0033]
The solid polymer electrolyte membrane 1 is a cation exchange membrane having a sulfone group as an ion exchange group for hydrogen ions. For example, a cation exchange membrane made of a fluorine-based polymer resin such as a perfluorocarbon sulfonic acid polymer resin can be used. Since the electrochemical reaction in the fuel cell occurs at the interface between the electrode and the electrolyte, the electrochemical characteristics of the polymer electrolyte membrane 1 greatly affect the current-voltage characteristics of the fuel cell. In particular, since the resistance in the stacking direction is reduced by making the film thin, current-voltage characteristics can be improved. In the case of the above-described resin, it is produced so that the film thickness is about 50 μm to 200 μm. Ionic conductivity is 5 × 10 at 25 ° C. -2 ~ 1x10 -1 (Ω · cm) -1 Therefore, the resistance per unit area of the film thickness is about 0.05 to 0.4Ω.
[0034]
The fuel electrode 2 and the oxidant electrode 3 are each made of graphite having a porous structure with good gas diffusibility so that the electrode reaction of both electrodes does not become gas diffusion controlled. A catalytic reaction layer is formed on the reaction layer surface side of each electrode, that is, the surface in contact with the solid polymer electrolyte membrane 1, and 10-30 wt% platinum is supported as a catalyst in the catalyst reaction layer in the electrode. . Since the electrode reaction requires a sufficient three-phase interface of electrolyte / catalyst / reactive gas, the catalyst reaction layer of the electrode is formed in close contact with the solid polymer electrolyte membrane 1. For example, the solid polymer electrolyte membrane 1 is sandwiched between two electrode sheets of a fuel electrode 2 and an oxidant electrode 3, and 40 to 400 kg / cm 2 The electrode sheet and the solid polymer electrolyte membrane 1 are joined and integrated by hot pressing at about 100 to 200 ° C. under moderate pressure.
[0035]
The piezoelectric element 8 is laminated on a metal plate (vibrating plate 7) having a high elastic modulus. As such a metal plate, for example, a stainless plate having a thickness of 10 to 50 μm can be used. The diaphragm 7 as a base substrate of the piezoelectric element 8 is disposed in contact with the oxidant electrode 3 and transmits the displacement of the piezoelectric element 8 to the oxidant electrode 3 side. If the diaphragm 7 and the piezoelectric element 8 prevent gas conduction from the oxidant gas flow path 6 to the oxidant electrode 3 or moisture conduction from the oxidant electrode 3 to the oxidant gas flow path 6, Since the battery reaction does not proceed smoothly, the diaphragm 7 is provided with a through hole. This through hole is, for example, a circular hole having a diameter of 1 mm or more, and a punching metal in which circular holes are punched at intervals of 2 to 3 mm can be used as the diaphragm 7.
[0036]
The piezoelectric element 8 is made of a PZT film having a thickness of about 10 to 50 μm. After applying a sol obtained by hydrolyzing an alkoxide or acetate of titanium, zirconium or lead with an acid onto a base substrate by spin coating or dip coating, 300 Obtained by firing at ~ 600 ° C. Thereafter, an aluminum upper electrode having a thickness of several μm is formed on the PZT film by sputtering or vacuum deposition. The diaphragm 7 also functions as a lower electrode of the piezoelectric element 8, and the piezoelectric element 8 vibrates by applying a drive voltage signal from the drive circuit 9 between the diaphragm 7 and the aluminum upper electrode of the piezoelectric element 8. To do.
[0037]
In this embodiment, Nafion (trade name Nafion 117 manufactured by DuPont, USA), which is a perfluorocarbon sulfonic acid polymer resin, is used as the solid polymer electrolyte membrane 1 constituting the direct methanol fuel cell.
[0038]
The fuel electrode 2 and the oxidizer electrode 3 are each 3.6 mg / cm in graphite. 2 Platinum ruthenium alloy, and 1.1 mg / cm 2 Of platinum is supported as a catalyst. These two electrode sheets are cut into 50 mm × 50 mm squares, 5% Nafion solution (a solution in which Nafion resin is dissolved in a mixed solvent of alcohol and water) is applied and bonded to the solid polymer electrolyte membrane 1, 200 kg / cm 2 Joining with a hot press at 100 ° C.
[0039]
Furthermore, the piezoelectric element 8 is produced to a thickness of 20 μm on a punching metal stainless steel plate (thickness 10 μm) obtained by punching circular holes having a diameter of 1 mm at intervals of 3 mm. In this embodiment, after lead acetate is dissolved in acetic acid, zirconium tetrabutoxide and titanium tetraisopropoxide are further dissolved, water and a small amount of diethylene glycol are added, and the mixture is stirred and hydrolyzed to obtain PZT. Thereafter, 10 wt% of polyethylene glycol monomethyl ether is added to PZT, and a sol obtained by stirring is applied by dip coating, and then heated at 400 ° C. to produce a PZT film. Further, an aluminum film having a thickness of 1 μm is formed on the PZT film by sputtering, and used as the upper electrode of the piezoelectric element 8.
[0040]
The drive circuit 9 for the piezoelectric element 8 has the following configuration. Since the fuel cell single cell outputs a voltage of 0.4 to 0.9 V with the fuel electrode 2 as the negative electrode and the oxidant electrode 3 as the positive electrode, this output voltage is input to the control unit power supply circuit 10 and this control unit power supply A constant power supply voltage (Vcc = 3.3 V) is supplied from the circuit 10 to the waveform output unit 11 and the piezoelectric element driving unit 12. Similarly, the fuel cell output voltage between the fuel electrode 2 and the oxidant electrode 3 is also input to the drive power supply circuit 13, and the drive power supply circuit 13 supplies the piezoelectric element drive voltage 12 to the piezoelectric element drive voltage (Vp). ~ 20V). The waveform output unit 11 generates a rectangular voltage waveform for driving the piezoelectric element, and the piezoelectric element driving unit 12 drives the piezoelectric element 8 by applying a voltage having a peak value Vp to the piezoelectric element 8 according to the input driving voltage waveform. .
[0041]
FIG. 2 shows a detailed configuration of the waveform output unit 11 and the piezoelectric element driving unit 12. In the waveform output unit 11, a driving voltage signal Vc for charging the piezoelectric element 8 and a driving voltage signal Vd for discharging the piezoelectric element 8 are generated by the driving IC 14, and the transistor Tr <b> 1 in the piezoelectric element driving unit 12 is generated. And Tr3. In addition, Vn in a figure is the negative electrode of a fuel cell, ie, the electric potential by the side of a fuel electrode.
[0042]
Next, the operation of the piezoelectric element driving unit 12 will be described. At the time of charging the piezoelectric element, when the drive voltage signal Vc becomes a high level (time t = t1), Tr1 is turned on, whereby Tr2 is turned on. As a result, the voltage Vp supplied from the drive power supply circuit 13 is applied to the piezoelectric element 8 via the Tr2 and the reactor L, and the piezoelectric element 8 is charged and starts to be displaced (expanded). Thereafter, when the drive voltage signal Vd becomes high level (time t = t2), Tr3 is turned on, the electric charge of the piezoelectric element 8 is discharged through the reactors L and Tr3, and the displacement of the piezoelectric element 8 returns to the initial state. .
[0043]
FIG. 3 shows the drive voltage signals Vc and Vd and the voltage Vpiezo applied to the piezoelectric element 8. The piezoelectric element 8 can be vibrated by repeating such charge and discharge according to the drive voltage signal from the drive IC 14.
[0044]
In the operation state of the fuel cell, the piezoelectric element 8 constantly vibrates, and the vibration of the piezoelectric element 8 is transmitted to the oxidant electrode 7 side by the diaphragm 7. Due to this vibration, the moisture on the surface of the oxidant electrode 7 passes through the diaphragm 7 and the through hole of the piezoelectric element 8 and is scattered in the form of a mist toward the oxidant gas flow path 6 side.
[0045]
In the present embodiment, the diaphragm 7 and the piezoelectric element 8 are disposed on the oxidizer electrode 7 side, but may be disposed on the fuel electrode 2 side. That is, even when the diaphragm 7 is disposed in the fuel gas flow path 5 so as to be in contact with the fuel electrode 2, the diaphragm 7 vibrates the fuel electrode 2 and vibrates the solid polymer electrolyte membrane 1 and the oxidizer electrode 3. Therefore, moisture on the surface of the oxidant electrode 3 can be scattered by the vibration. Furthermore, by providing the diaphragm 7 and the piezoelectric element 8 with a through hole, gas supply to the fuel electrode 2 is not hindered in the fuel gas flow path 5.
[0046]
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a schematic view showing a cell structure of the polymer electrolyte fuel cell of the present embodiment. The difference from the first embodiment is that a laminated piezoelectric element 15 is formed on the diaphragm 7. The laminated piezoelectric element 15 is obtained by laminating five layers of piezoelectric elements composed of a 10 μm PZT film and 1 μm aluminum electrodes 16 and 17.
[0047]
The aluminum electrode 16 is at the same potential as the diaphragm 7, and the driving voltage signal from the drive circuit 9 is applied between the diaphragm 7 and the aluminum electrode 17 to drive the laminated piezoelectric element 15, as in the first embodiment. To do.
[0048]
In this embodiment, by using a laminated piezoelectric element, a total displacement of 5 times is obtained by lamination compared to the case of a single layer. Therefore, the displacement amount of each piezoelectric element layer is 5 minutes in the case of the first embodiment. 1 is acceptable. Since the displacement of the piezoelectric element is proportional to the electric field strength applied to the element, the voltage applied to the aluminum electrode can be suppressed to about one fifth, so that the piezoelectric element driving voltage supplied by the driving power supply circuit 13 is provided. The voltage Vp can be lowered.
[0049]
(Embodiment 3)
FIG. 5 is a schematic diagram showing a cell structure of the polymer electrolyte fuel cell of the present embodiment. The difference from the first embodiment is that two diaphragms 7 and two piezoelectric elements 8 are used, and an edge on one side thereof is fixed by a fixing member 18 so as not to contact the oxidant electrode 3.
[0050]
In the present embodiment, since the diaphragm 7 and the piezoelectric element 8 are not in contact with the oxidant electrode 3, the oxidant gas conductivity to the oxidant electrode 3 is improved as compared with the first and second embodiments. Further, since the diaphragm 7 and the piezoelectric element 8 are fixed on one side by the fixing member 18, the diaphragm 7 and the piezoelectric element 8 operate as a fan and the ventilation to the oxidant electrode 3 can be efficiently performed by the vibration. Therefore, it is possible to exert two functions, that is, gas supply to the electrode and the scattering of water on the electrode surface or the promotion of vaporization. Furthermore, since the battery reaction layer composed of the solid polymer electrolyte membrane 1, the fuel electrode 2 and the oxidant electrode 3 is not vibrated, the mechanical strength required for the battery reaction layer in the first and second embodiments is high. In this embodiment, it becomes unnecessary, and there is no risk of distortion or deterioration due to vibration.
[0051]
In the present embodiment, the number of the diaphragms 7 and the piezoelectric elements 8 may be further increased and each may be fixed by the fixing member 18. In addition, the number of components can be further reduced by integrally forming the diaphragm 7 and the fixing member 18. Furthermore, in this embodiment, in order to improve the ventilation effect by the operation as a fan, it is good also as a structure which does not provide a through-hole in the diaphragm 7 and the piezoelectric element 8. FIG.
[0052]
(Embodiment 4)
In the present embodiment, an example in which a water repellent coating is formed on at least one surface of the diaphragm and the piezoelectric element 8 will be described. The difference from the first to third embodiments is that, after the diaphragm 7 and the piezoelectric element 8 are produced integrally, a water-repellent film made of silicone resin is applied to them.
[0053]
The silicone resin has characteristics such as high heat resistance and chemical inactivity, but in this embodiment, the water-repellent coating is formed using an alcoholic silicone resin emulsion having particularly high heat resistance (application point 275 ° C.). Make it. First, phenylmethylsilicone resin (made by Toray Dow Corning Silicone Co., Ltd., trade name SH510, phenylation degree 25 mol%) is added to and mixed with a tetrahydrofuran solution of polycarbonate resin (solid content: 10 wt%) to obtain a coating composition. adjust. The obtained coating agent composition is applied to a plate in which the diaphragm 7 and the piezoelectric element 8 are integrated, and then air-dried at room temperature for 1 hour. Next, this is heated at 150 ° C. for 1 hour to obtain a silicone resin film having a thickness of 0.5 μm.
[0054]
In this embodiment, the water repellent effect of the silicone resin film tends to cause water on the diaphragm 7 and the piezoelectric element 8 to be in the form of water droplets, so that the effect of removing moisture by vibration of the diaphragm 7 is improved. In addition, since the silicone resin has high heat resistance, even when the temperature in the cell of the solid polymer fuel cell rises to around 100 ° C., the water-repellent coating hardly deteriorates. Furthermore, since phenylmethyl silicone resin has high insulation, there is no fear of short circuit between the electrode and the diaphragm 7 or the electrode and the piezoelectric element 8 in the fuel battery cell, so that safety is improved.
[0055]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the electrode of the fuel cell and the solid electrolyte membrane are vibrated by the vibration means constituted by the piezoelectric element and the diaphragm, etc., and the moisture on the electrode surface is efficiently removed. Can do. Further, by providing a through hole through which gas and moisture can pass through the piezoelectric element and the diaphragm, moisture can be efficiently removed from the electrode without hindering gas supply to the electrode. Further, by causing the diaphragm to operate like a fan and generating wind, it is possible to promote the scattering or vaporization of moisture on the electrode surface along with the supply of gas to the electrode. Furthermore, water can be efficiently removed from the electrodes by providing a water-repellent coating on the piezoelectric element or the diaphragm. According to the present invention, it is possible to improve the power generation efficiency of the fuel cell by suppressing concentration polarization caused by insufficient gas diffusion into the electrode due to moisture adhering to the electrode surface.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a cell structure of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1. FIG.
2 is a circuit diagram showing a configuration of a drive circuit that drives the piezoelectric element of FIG. 1; FIG.
3 is a waveform diagram showing voltages at various parts in the drive circuit of FIG. 2. FIG.
4 is a schematic view showing a cell structure of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 2. FIG.
5 is a schematic view showing a cell structure of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 3. FIG.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a cell structure of a conventional polymer electrolyte fuel cell.
[Explanation of symbols]
1,101 Solid polymer electrolyte membrane
2,102 Fuel electrode
3, 103 Oxidant electrode
4,104 Gas impermeable substrate
5, 105 Fuel gas flow path
6, 106 Oxidant gas flow path
7 Diaphragm
8 Piezoelectric elements
9 Drive circuit
10 Control unit power supply circuit
11 Waveform output section
12 Piezoelectric drive unit
13 Driving power circuit
14 Driving IC
15 Multilayer piezoelectric element
16, 17 Aluminum electrode
18 Fixing member
19 Battery reaction layer

Claims (7)

固体電解質膜の一方の面に正極を備えると共に他方の面に負極を備え、該正極に面して燃料ガス流路を備えると共に該負極に面して酸化剤ガス流路を備えた燃料電池セルにおいて、
該燃料ガス流路および該酸化剤ガス流路のうちの少なくとも一方に少なくとも一つの振動手段を備えており、
前記振動手段は、印加される駆動電圧に応じて変位を生じる圧電素子と、該圧電素子の下地基板であって、該圧電素子の変位を受けて前記固体電解質膜に振動を与える振動板とからなり、
前記振動板および圧電素子は、前記正極上または前記負極上に電極面と並行に積層されていることを特徴とする燃料電池。
A fuel cell having a positive electrode on one surface of the solid electrolyte membrane and a negative electrode on the other surface, a fuel gas channel facing the positive electrode, and an oxidant gas channel facing the negative electrode In
At least one of the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path is provided with at least one vibration means;
The vibration means includes: a piezoelectric element that generates a displacement according to an applied drive voltage; and a vibration plate that is a base substrate of the piezoelectric element and that vibrates the solid electrolyte film in response to the displacement of the piezoelectric element. Become
The fuel cell, wherein the diaphragm and the piezoelectric element are stacked on the positive electrode or the negative electrode in parallel with the electrode surface .
前記圧電素子がPZT膜からなる請求項1に記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 1 , wherein the piezoelectric element is made of a PZT film. 前記圧電素子および前記振動板のうちの少なくとも一方は、ガスおよび水分のうちの少なくとも一方を透過させる機能を有する請求項1または請求項2に記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 1, wherein at least one of the piezoelectric element and the diaphragm has a function of transmitting at least one of gas and moisture. 前記圧電素子および前記振動板のうちの少なくとも一方が、複数の貫通孔を有する請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の燃料電池。The fuel cell according to any one of claims 1 to 3 , wherein at least one of the piezoelectric element and the diaphragm has a plurality of through holes. 前記圧電素子および前記振動板のうちの少なくとも一方が、表面に撥水性被膜を有する請求項1乃至請求項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 at least one of the piezoelectric element and the diaphragm has a water-repellent coating on the surface. 前記撥水性被膜がシリコーン樹脂からなる請求項5に記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 5 , wherein the water-repellent coating is made of a silicone resin. 前記撥水性被膜が架橋構造を有する高分子膜からなる請求項6に記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 6 , wherein the water-repellent coating is made of a polymer film having a crosslinked structure.
JP2000378186A 2000-12-12 2000-12-12 Fuel cell Expired - Fee Related JP3705541B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000378186A JP3705541B2 (en) 2000-12-12 2000-12-12 Fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000378186A JP3705541B2 (en) 2000-12-12 2000-12-12 Fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2002184430A JP2002184430A (en) 2002-06-28
JP3705541B2 true JP3705541B2 (en) 2005-10-12

Family

ID=18846799

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2000378186A Expired - Fee Related JP3705541B2 (en) 2000-12-12 2000-12-12 Fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3705541B2 (en)

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002208423A (en) * 2001-01-12 2002-07-26 Toyota Motor Corp Fuel cell stack safety operation device and its operation method
JP4601243B2 (en) * 2002-08-06 2010-12-22 旭化成イーマテリアルズ株式会社 Fluorine ion exchange membrane
JP2004342562A (en) 2003-05-19 2004-12-02 Toyota Motor Corp Fuel cell system and vehicle carrying this
JP4677725B2 (en) * 2004-02-27 2011-04-27 ソニー株式会社 FUEL CELL DEVICE, GAS EJECTION DEVICE, AND FUEL CELL DEVICE POWER GENERATION METHOD
JP4576880B2 (en) * 2004-05-17 2010-11-10 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
JP5078515B2 (en) * 2006-09-29 2012-11-21 三洋電機株式会社 Fuel cell
WO2008096657A1 (en) * 2007-02-06 2008-08-14 Sanyo Electric Co., Ltd. Fuel cell
JP2008218402A (en) * 2007-02-06 2008-09-18 Sanyo Electric Co Ltd Fuel battery
JP2008274929A (en) * 2007-03-30 2008-11-13 Sanyo Electric Co Ltd Fluid transfer device and fuel cell with same
CN101636869B (en) * 2007-04-20 2012-02-29 丰田自动车株式会社 Fuel cell separator and fuel cell
US8643253B1 (en) * 2007-09-03 2014-02-04 Joseph Anthony Micallef Piezoelectric ultracapacitors
US8734970B2 (en) * 2008-04-08 2014-05-27 Ford Motor Company Automotive fuel cell water management system and method of operating same
KR100952451B1 (en) 2009-06-11 2010-04-13 주식회사 엑스에프씨 Passive type fuel cell with pulsator
JP2011034808A (en) * 2009-07-31 2011-02-17 Sanyo Electric Co Ltd Device for removing generated water
JP2011033274A (en) * 2009-07-31 2011-02-17 Sanyo Electric Co Ltd Device for removing generated water
JP2011034809A (en) * 2009-07-31 2011-02-17 Sanyo Electric Co Ltd Device for removing generated water

Also Published As

Publication number Publication date
JP2002184430A (en) 2002-06-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3705541B2 (en) Fuel cell
US8202668B2 (en) Fuel cell device
JP5103905B2 (en) Solid oxide fuel cell and method of operating the same
JP3912249B2 (en) Fuel cell operation method and portable device equipped with fuel cell
JP2003077480A (en) Fuel cell
JP5078515B2 (en) Fuel cell
JP5259146B2 (en) Fuel cell and fuel cell system
KR100803250B1 (en) A vibration generator and a polymer electrolyte membrane fuel cell with a water removing structure using the vibration generator
JP4729866B2 (en) Fuel cell
WO2011013268A1 (en) Device for removing generated water
KR100649204B1 (en) Fuel cell system, stack and separator
US20100098985A1 (en) Fuel cell and electronic device including the same
JP2000243413A (en) Electrolyte film for solid polymer fuel cell and solid polymer fuel cell using same
JP2004014192A (en) Fuel cell device and controlling method of the same
JP2006294628A (en) Fuel cell and portable apparatus loading it
JP2008277260A (en) Electrode for fuel cell, membrane-electrode assembly equipped with it, and fuel cell system
JP2006066339A (en) Cell of fuel cell
JP3946228B2 (en) Fuel cell
JP2006222062A (en) Battery driving system for portable apparatus
KR101065380B1 (en) Fuel cell system and stack used thereto
JP2005122921A (en) Fuel cell
JP2006107819A (en) Power source device
JP2007123163A (en) Fuel cell and power supply system
KR20060096701A (en) Fuel cell system
JP2005268039A (en) Fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20050722

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20050722

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080805

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090805

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090805

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100805

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110805

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110805

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120805

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120805

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130805

Year of fee payment: 8

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R3D04

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees