JP3866534B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池に関する。より詳細には、強制的な酸素および燃料の供給機構を用いない簡易な構造をとる小型燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
近年、電子機器の分野においては、携帯用情報端末器、携帯電話機、ビデオカメラなどの携帯用電子機器が急速に普及しつつある。それに伴い、それら機器を利用するための電源として、高エネルギー密度をもち小型で長時間使用可能な可搬型電源の開発が求められている。
このような電源としては現在のところ2次電池が主流であり、その研究開発が活発に行われている。最近ではニッケル水素電池、リチウムイオン電池などの高性能化が進み、携帯用電子機器の電源としての地位を築きつつある。
【0003】
しかし携帯用電子機器の種類によっては十分な連続使用時間を保証するレベルには至っていない。また環境問題から使用済み電池のリサイクルのための回収をしなければならない。
そこで2次電池に代わる高エネルギー密度を有する電池として、空気電池、燃料電池の開発が期待されている。しかし空気電池はアルカリ性の電解質が空気中の二酸化炭素と反応して経時劣化してしまうため自己放電率が大きいという問題がある。
【0004】
一方、燃料電池は負極に供給された燃料が酸化されてプロトンと電子を分離し、そのプロトンが電解質膜を伝導して正極に供給された酸素と反応することにより発電するものである。
このように燃料電池は燃料の燃焼エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものであり、エネルギー変換効率が非常に高い。また発電の際に生成するものは水のみであることから環境に対する負荷が非常に低いという特徴を有している。
【0005】
また、燃料と酸素の供給を継続している限り連続して使用可能である。近年、電界質膜として高分子膜が利用され、室温から90℃までという比較的低温において燃料電池が使用可能になったことから、小型電子機器への応用が可能となった。
しかし、燃料電池においては発電時に正極で水が発生するため、その水を効率よく除去しなければ、電解質膜を通過して正極に達した電子と、酸素が正極上で反応できず、発電効率の低下を招く欠点がある。さらに、負極側に供給される燃料は発電に伴い消費され、その濃度が低下すると発電効率も低下する。従って、燃料電池において発電効率を増加させるためには、正極に酸素を強制的に流通させて供給する酸素供給機構および負極に燃料を強制的に流通させて供給する燃料供給機構が必要である。しかし、それら強制的な酸素および燃料の供給機構は嵩高くなるため、燃料電池全体も大きくなり、携帯用電子機器用の小型電源として用いるには、不適当であった。
【0006】
強制的な酸素供給機構を用いない燃料電池が、特開2000−268835公報に開示されている。その燃料電池は、電解質膜を介して正極と負極が対向して配置されており、負極には隣接して燃料保持部が設けられ、自然拡散による移動により燃料を負極に供給するようになっている。また、正極の電解質膜と反対側には、通気構造体が設けられ、間隙を介して外気を自然拡散により正極に供給しつつ、生成水を自然蒸発により除去し、かつ異物が直線的に直接正極に達することを防止できるようになっている。
しかし、このような燃料電池であっても、酸素や燃料の拡散および生成水の自然蒸発の速度が遅いため、正極および負極に対して酸素や燃料の供給および水の除去が十分とはいえず、さらなる起動時間の短縮化、発電効率の増大が求められている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明では、電解質膜を挟んで正極と負極が容器に収納された燃料電池であって、該容器が、負極側に、燃料保持空隙と、これに通じる余剰燃料排出口と燃料供給口とを備えてなり、該余剰燃料排出口の大きさが、円形換算で該燃料供給口の半径の1/5〜1/2の半径を有する大きさであり、燃料が気体の場合には、該燃料供給口の大きさが円形換算で半径2mm〜0.5mmであり、燃料が液体の場合には、該燃料供給口の大きさが円形換算で半径4mm〜1mmであり、外気取り入れ口兼排気孔を備えた燃焼炉が、該余剰燃料排出口に接続して設置され、該燃焼炉が、金属触媒を担持した材料からなる酸化フィルターで充填されている燃料電池により、起動時間がより速く、発電効率のより高い小型燃料電池を供給するものである。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池は、電解質膜と正極と負極と容器とから主として構成されることを特徴とする。
【0009】
本発明で用いる負極および正極は、カーボン、カーボンペーパー、カーボンの成型体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属、金属繊維集合体などの多孔性基体を撥水処理したものを用いることができる。これら電極には更に、触媒層を付与して使用してもよい。触媒層には、白金、鉄、ニッケル、コバルト、ルテニウムなどの遷移金属と白金の合金あるいはそれらの酸化物の微粒子を触媒として含む炭素材料を用いることができる。燃料が純水素の場合は白金、炭化水素を含む場合には白金−ルテニウム合金が好ましい。触媒の量としては電極に対して約5〜約50重量%、好ましくは約10〜約20重量%である。
【0010】
触媒層は、以下の方法で電極に取りつけることができる。例えば、白金とルテニウムの金属微粉末の混合物をそのまま、あるいは表面積の大きいカーボン上に担持させ、結着剤および撥水剤として働くポリテトラフルオロエチレンや固体高分子電解質を含むアルコール溶液と混合し、カーボンペーパーなどの多孔性電極上に吹き付け、ホットプレスなどによって固体高分子電解質と接合する方法(米国特許第5,599,638号)や、白金とルテニウムあるいはその酸化物の微粉末の混合物を固体高分子電解質を含むアルコール溶液と混合して、この触媒混合溶液をポリテトラフルオロエチレン板上に塗布し、乾燥後ポリテトラフルオロエチレン板から引き剥がして、カーボンペーパーなどの多孔性電極上に転写し、ホットプレスなどによって固体高分子電解質と接合する方法(X.Renら、J.Electrochem.Soc.,143,L12(1996))などがある。
【0011】
電解質膜としては、トリフルオロエチレン誘導体の共重合体、リン酸含浸ポリベンゾイミダゾール樹脂、スルホン酸基、ホスホン酸基、フェノール系水酸基または含フッ素カーボンスルホン酸基を陽イオン交換基として有する樹脂、PSSA−PVA(ポリスチレンスルホン酸ポリビニルアルコール共重合体)や、PSSA−EVOH(ポリスチレンスルホン酸エチレンビニルアルコール共重合体)等からなるものが挙げられる。なかでも、含フッ素カーボンスルホン酸基を有するイオン交換樹脂からなるものが好ましく、具体的には、米国デュポン社製のナフィオン膜、旭硝子社製のフレミオン膜、旭化成社製のアシプレックス膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、樹脂の前駆体を熱プレス成型、ロール成形、押出し成形等の公知の方法で膜状に成形し、加水分解、酸型化処理することにより得られる。また、フッ素系陽イオン交換樹脂をアルコール等の溶媒に溶解させた溶液から、溶媒キャスト法により得ることもできる。
【0012】
燃料保持空隙は供給された燃料を負極に供給するために保持するための空間である。燃料保持空隙に通じるように余剰燃料排出口と燃料供給口とを設けることにより、燃料が燃料供給口から供給される際に、該燃料保持空隙に滞留していた燃料濃度の低下した気体は余剰燃料排出口より押出され、新たな燃料供給が円滑に行われる。従って、燃料保持空隙に保持される燃料の濃度が上昇し、負極に燃料が高濃度で供給されるために発電効率が向上する。また、負極への燃料供給が円滑に行われるので起動時間が速くなる。燃料保持空隙は負極と容器の間に形成される空間であり、その大きさは、燃料電池全体の大きさにより適宜調節される。例えば、容器の大きさの10%程度の容積を有していてもよい。
【0013】
燃料供給口および余剰燃料排出口の大きさは、容器の大きさを考慮して適宜調節される。燃料が気体の場合には特に制限はないが、燃料が液体の場合には、燃料供給口の半径が小さすぎると燃料供給が困難となるため、燃料供給口は半径約1mm以上が好ましい。
本発明の燃料電池は、好ましくは、該余剰燃料排出口が、該燃料供給口より小さい。この際、余剰燃料排出口が、燃料供給口より小さいときには、燃料供給圧力が一時的に保たれ、好ましい。そのため、燃料保持空隙が保持しうる以上の燃料が燃料保持空隙へ供給されたときも、余剰燃料排出口より余分な燃料が排出されて燃料保持空隙内の圧力が一定に保たれ、従って電解質に異常な圧力がかかり、破損することを防止できる。具体的には、燃料供給口と余剰燃料排出口がほぼ円形の場合、燃料が気体の場合には、燃料供給口の半径の大きさは、約2mm〜約0.5mmであり、余剰燃料排出口の半径の大きさは、約1mm〜約0.1mmである。燃料が液体の場合には、燃料供給口の半径の大きさは、約4mm〜約1mmであり、余剰燃料排出口の半径の大きさは、約2mm〜約0.5mmである。燃料供給口と余剰燃料排出口が円形以外の場合、その大きさは、それらがほぼ円形の場合と同様に考えられる。
【0014】
本発明の燃料電池は、好ましくは、該容器が、正極側に、外気貯蔵空隙と、これに通じる外気通気孔とを備えている。
外気貯蔵空隙は、正極に酸素を供給するための空間である。正極側の容器に外気通気孔を備え、燃料電池の容器と正極の間に、外気貯蔵空隙が形成されることにより、正極を外表面近傍に位置させ外気との接触を容易としつつ、かつ正極に異物が接触することを防ぐことができる。外気貯蔵空隙は正極と容器の間に形成される空間であり、その大きさは、燃料電池全体の大きさにより適宜調節される。例えば、容器の大きさの10%程度の容積を有していてもよい。
外気通気孔は、円、長方形等、どのような形を有していてもよく、その面積としては1個あたり約0.1mm2〜約10mm2を有するものが好ましい。数としては、1〜100個備えられるのが好ましい。
【0015】
本発明の燃料電池は、好ましくは、外気貯蔵空隙が、外気保持材で充填されている。
外気保持材は、外気貯蔵空隙内に充填されるものであるが、該空隙を完全に満たすものであっても、その一部を満たすものであってもよい。一部を満たすものである場合には、容器に備えられた外気通気孔と正極との間に、正極に対して全面的または部分的に配置されてもよい。いずれの場合にも、容器と正極の間の幅に対して、任意の厚さを有するものであってもよい。外気保持材の備えられる際の形態としては、シート状、線をメッシュ状またはウール状にしたもの、線を網状に織ったもの、細線を重ねて圧縮して板状にしたもの、粒状など、どのような形態であってもよい。具体的には、線状の材料を網状に織ったもの、線状の材料をスチールウールのように塊にしたものが挙げられる。外気保持材の材料としては、ニッケル、ステンレス、アルミニウム、鉄を用いることができる。さらに外気保持材をポリテトラフルオロエチレンなどで被覆することによる撥水処理により、正極における反応により生成した水を効率よく除去することができる。外気保持材は、外気通気口より供給された外気を保持し、かつ自然拡散により酸素を正極に供給する役割を果す。
【0016】
本発明の燃料電池は、好ましくは、該外気保持材が電気伝導性材料からなる。すなわち、電気伝導性を持つ、具体的には室温における電気伝導率が103S/cm以上であるような、ヨウ素付加ポリアセチレンに代表される有機導電性材料(導電性高分子)、高分子材料に金属導体を分散した電気伝導性樹脂などからなる外気保持材であれば、集電体の役割も兼ね、従って集電効果が向上するため、より高い電流値を得ることができる。また、外気保持材と正極の間に、外気保持材とは別に、集電体として独立した層を形成してもよい。その際、集電体は、外気保持材と同一または異なった材料から形成される。
【0017】
本発明の燃料電池は、好ましくはさらに逆止弁が、該燃料供給口に設けられている。逆止弁より、燃料の逆流を防ぎ、その結果反応物質等による未使用燃料の汚染を防ぐことができる。逆止弁は、通常液体や気体の逆流を防止するために用いられるものであれば、特に限定されう、例えば、燃料タンクより燃料供給口に燃料の水素を供給する際にのみ解放されるものが使用できる。供給された燃料に押出されるようにして、燃料保持空隙に滞留していた空気は余剰燃料排出口より排出される。従って燃料保持空隙で滞留していた空気は燃料タンクへ逆流せず、かつ燃料保持空的に燃料が一定に供給され、その結果安定した発電が行われる。
【0018】
本発明の燃料電池は、好ましくは、さらに、外気取り入れ口兼排気孔を備えた燃焼炉が、該余剰燃料排出口に接続して設置される。
燃料炉は、燃料保持空隙に存在する、供給された後に燃料保持材に保持されなかったり、負極において消費されなかった余剰燃料や、負極において反応した結果排出される一酸化炭素を、燃料電池外へ排出する前に、余剰燃料を酸化分解させて無害化するための空間である。燃焼炉には、少なくとも酸素が混入されていればよいので、外気取り入れ口兼排気孔から導入された空気の存在する状態であればよい。外気取り入れ口兼排気孔は、形は孔長方形等限定されない。孔の形態の場合、約0.5mm〜約2mmの孔径を有する穴を10〜200個設けるのが好ましいが、個数は特に限定されない。
【0019】
本発明の燃料電池は、好ましくは、該燃焼炉が、金属触媒を担持した材料からなる酸化フィルターで充填されている。燃焼炉内部の酸化フィルターを通過させることにより、排気する気体中の余剰燃料等を触媒的に酸化分解させて無害化し、燃料保持空隙に残留していた空気と共に外気取り入れ口兼排気孔から排気して燃料保持空隙の燃料濃度を一定以上に保つことができる。この際、燃焼炉では酸化反応の反応熱により高温になる恐れがあるので、燃焼炉と電池本体の間にはガラスウール等からなる断熱材を装備することが望ましい。
【0020】
酸化フィルターとしては、アルミナ、シリカ等のような多孔質セラミック、カーボンファイバー、カーボンペーパーなどを用いることができる。酸化フィルターに担持される金属触媒としては、白金等の貴金属、またはパラジウム、マンガン、ニッケル等の遷移金属を単独または組み合わせて、平均孔径が、約10μm〜約500μm、好ましくは約20μm〜約100μmのものを用いることができる。ただし、酸化フィルター上の触媒は、負極に用いられる触媒よりも反応性の低い金属が好ましい。なぜなら、負極に用いられている触媒よりも吸着力の高い触媒を燃焼炉に装備してしまうと、燃料が負極に吸着する以前に燃焼炉において酸化分解されてしまい、燃料の濃度が低下するからである。例えば、負極に用いられる触媒が白金であるとき、酸化フィルターに用いられる触媒はニッケルを用いることができる。
【0021】
本発明の燃料電池は、好ましくは、さらに燃料タンクが、該燃料供給口に接続して設置されている。
また、本発明の燃料電池は、燃料タンクが軟性樹脂からなることを特徴とする。本発明において、軟性樹脂とは、ガラス転移点が常温以下の樹脂であり、更に具体的には低密度ポリエチレン(比重0.91〜0.93)、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートなどである。燃料タンクが軟性樹脂からなる場合、燃料タンクを押しつぶせば、必要に応じて燃料をより迅速にかつ円滑に負極へ供給することができる。燃料タンクには、燃料電池の種類に応じて、水素のような気体もしくは液体燃料(メタノールのような炭化水素など)が貯蔵される。また、反応により燃料を生成するために、反応原料を貯蔵し、燃料電池へ供給する際に反応により燃料を発生させてもよい。
【0022】
本発明の燃料電池は、さらに該燃料保持空隙が、燃料保持材で充填されている。
燃料保持材としては、燃料として水素を供給する場合には、多孔質の炭素材料ないしはLa−Ni、Ti−Fe、Mg−Niなどの合金を単独ないしは組み合わせた水素貯蔵合金よりなる燃料保持材料を用いることができる。また、燃料として液体を供給する場合には、耐食性の大きいステンレス、ニッケル等をウール状、メッシュ状にしたものを用いることができ、より大きな燃料保持効果が期待できる。燃料保持材が電気伝導性材料からなる場合には、集電体としての役割も兼ねることができ、従って集電効果が向上する。また、燃料保持材と負極の間に、燃料保持材とは別に、集電体として独立した層を形成してもよい。その際、集電体は、燃料保持材と同一または異なった材料から形成される。
【0023】
本発明の燃料電池は、正極および負極のそれぞれと集電体の間に、カーボンペーパー、カーボンファイバー等の多孔質炭素材料からなるガス拡散層をさらに有するのが好ましい。ガス拡散層は、正極および負極のそれぞれに、空気および燃料を供給する役割を果す。ガス拡散層が電気伝導性材料からなる場合、集電体としての役割も兼ねることができるので、集電効果が向上し、さらに好ましい。
【0024】
容器としては、用いられる携帯用電子機器の形態やその用途に応じて、どのような形態を有するものであってもよい。容器の材料としては、アクリル樹脂のほか、ガラス転移点が常温以上であるもの、具体的にはポリスチレン、ポリカーボネート、ないしは硬質ポリ塩化ビニル(可塑剤0〜5%添加)、ポリデニレンオキサイドなどの硬質樹脂を用いることができる。
【0025】
本発明の燃料電池は、特に、携帯用情報端末器、携帯電話機、電子機器(例えば電子機器)のような小型電子機器に組み込また形態で用いられることができる。
【0026】
【実施例】
以下、本発明を詳細に説明する。なお、以下の実施例は一般的なものであり、本発明はこれに限るものではない。
図1は、本発明の実施にかかる燃料電池の外観構成を示すものであり、図2は図1に示した破線に沿った概略断面構造を示す。また、図3は図2の破線囲み部の拡大図を示す。
【0027】
実施例1
本発明による燃料電池は、図1において、正極12と負極11が電界質膜13を介して対向して配置され、各々の極の、電解質膜13の反対側に燃料保持空隙11dおよび外気貯蔵空隙12dを有している。燃料電池を収納する容器の正極側には2mm×5mmの長方形の外気通気孔1を5個、負極側には逆止弁11fを備えたφ1mmの燃料供給口11eとこれより小さいφ0.5mmの余剰燃料排出口11gを備えている。外気貯蔵空隙12dには、φ50μmニッケル線を網状に織った外気保持材12hが装填されている。燃料保持空隙11dは、燃料供給口11eを介して燃料タンク14につながっている。燃料タンク14には、燃料または燃料生成のための未反応物質が貯蔵されている。さらに、余剰燃料排出口11gには、外気取り出し口兼排気孔4としてφ1.25mmの穴を120個設けた燃料炉15を接続させた。燃料炉15には、平均孔径50μmの導電性ニッケル担持多孔質セラミックを5g、酸化フィルター16として充填させ、断熱材17としてガラスウール2gを充填させた。
【0028】
触媒材料としてデュポン社製ナフィオン(登録商標)からなる電解質膜13の両面に、10重量%白金担持のカーボン5gを取り付けた触媒層11bおよび12bをホットプレスにより固着した触媒一体型電解質膜を用いた。この触媒層一体型電解質膜をカーボンファイバーからなるガス拡散層11aおよび12aならびにステンレス製メッシュからなる集電体11cおよび12cで挾持し、アクリル樹脂からなる電池容器10で保持し、シリコン系接着剤によって固定した。
【0029】
この集電体11c、12cにはそれぞれ銅からなる端子2、3を接続した。
燃料タンク14より燃料供給口11eに燃料の水素を供給すると、逆止弁11fが解放され、燃料保持空隙11dに滞留していた空気は余剰燃料排出口11gより押出され、燃料保持空隙11dに燃料が供給され、安定した発電が行われた。
【0030】
【発明の効果】
以上説明したような燃料供給により、燃料電池全体が小型化される。余剰燃料排出口と燃料供給口を供えることにより、余剰燃料を排気し、それを燃焼させることで、燃料保持部に滞留していた空気が除かれるため通電初期から電池性能が効率よく発揮される。また、燃料供給が円滑に行われるので、発電効率が向上し、さらに起動時間が速くなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施にかかる燃料電池の外観構成を示す。
【図2】 図1に示した破線に沿った概略断面構造を示す。
【図3】 図2の破線囲み部の拡大図を示す。
【符号の説明】
1 外気通気孔
2 負極端子
3 正極端子
4 外気取り入れ口兼排気孔
10 電池容器
11 負極
11a ガス拡散層
11b 触媒層
11c 負極集電体
11d 燃料保持空隙
11e 燃料供給口
11f 逆止弁
11g 余剰燃料排出口
11h 燃料保持材
12 正極
12a ガス拡散層
12b 触媒層
12c 正極集電体
12d 外気貯蔵空隙
12h 外気保持材
13 電解質膜
14 燃料タンク
15 燃焼炉
16 酸化フィルター
17 断熱材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell. More specifically, the present invention relates to a small fuel cell having a simple structure that does not use a forced oxygen and fuel supply mechanism.
[0002]
[Background Art and Problems to be Solved by the Invention]
In recent years, in the field of electronic devices, portable electronic devices such as portable information terminals, mobile phones, and video cameras are rapidly spreading. Accordingly, as a power source for using these devices, development of a portable power source that has a high energy density and can be used for a long time is required.
As such a power source, secondary batteries are currently the mainstream, and research and development are actively conducted. Recently, the performance of nickel-metal hydride batteries and lithium-ion batteries has been improved, and the position as a power source for portable electronic devices is being built.
[0003]
However, depending on the type of portable electronic device, it has not reached a level that guarantees sufficient continuous use time. In addition, due to environmental problems, it is necessary to collect used batteries for recycling.
Therefore, development of an air battery and a fuel cell is expected as a battery having a high energy density to replace the secondary battery. However, the air battery has a problem that the self-discharge rate is large because the alkaline electrolyte reacts with carbon dioxide in the air and deteriorates with time.
[0004]
On the other hand, in the fuel cell, the fuel supplied to the negative electrode is oxidized to separate protons and electrons, and the protons conduct through the electrolyte membrane and react with oxygen supplied to the positive electrode to generate electric power.
Thus, the fuel cell directly converts the combustion energy of the fuel into electric energy, and the energy conversion efficiency is very high. In addition, since only water is generated during power generation, the load on the environment is very low.
[0005]
Moreover, it can be used continuously as long as the supply of fuel and oxygen is continued. In recent years, a polymer film has been used as an electrolyte film, and a fuel cell can be used at a relatively low temperature from room temperature to 90 ° C., so that it can be applied to a small electronic device.
However, in a fuel cell, water is generated at the positive electrode during power generation. If the water is not removed efficiently, electrons that have passed through the electrolyte membrane and reached the positive electrode cannot react with oxygen on the positive electrode, resulting in power generation efficiency. There is a disadvantage that leads to a decrease in. Furthermore, the fuel supplied to the negative electrode side is consumed with power generation, and the power generation efficiency decreases as the concentration decreases. Therefore, in order to increase the power generation efficiency in the fuel cell, an oxygen supply mechanism that forcibly distributes oxygen to the positive electrode and a fuel supply mechanism that forcibly distributes and supplies fuel to the negative electrode are necessary. However, since these forced oxygen and fuel supply mechanisms are bulky, the entire fuel cell also becomes large, which is inappropriate for use as a compact power source for portable electronic devices.
[0006]
Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-268835 discloses a fuel cell that does not use a forced oxygen supply mechanism. In the fuel cell, a positive electrode and a negative electrode are arranged to face each other through an electrolyte membrane, and a fuel holding portion is provided adjacent to the negative electrode so that fuel is supplied to the negative electrode by movement by natural diffusion. Yes. In addition, a ventilation structure is provided on the opposite side of the positive electrode to the electrolyte membrane, and external air is supplied to the positive electrode by natural diffusion through the gap, while the generated water is removed by natural evaporation, and the foreign matter is linearly directly. It can prevent reaching the positive electrode.
However, even in such a fuel cell, oxygen and fuel are diffused and the rate of spontaneous evaporation of generated water is slow, so oxygen and fuel supply and water removal from the positive electrode and the negative electrode are not sufficient. There is a need for further shortening of startup time and increase in power generation efficiency.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, a fuel cell in which a positive electrode and a negative electrode are housed in a container with an electrolyte membrane sandwiched therebetween, the container has a fuel holding gap, a surplus fuel discharge port and a fuel supply port leading to the fuel holding space on the negative electrode side. The surplus fuel discharge port has a radius of 1/5 to 1/2 of the radius of the fuel supply port in circular conversion, and when the fuel is a gas, the fuel When the size of the supply port is a circle, the radius is 2 mm to 0.5 mm, and when the fuel is liquid, the size of the fuel supply port is a circle, and the radius is 4 mm to 1 mm. A combustion furnace equipped with a surplus fuel discharge port is installed, and the combustion furnace is filled with an oxidation filter made of a material carrying a metal catalyst. A small fuel cell with higher efficiency is supplied.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The fuel cell of the present invention is mainly composed of an electrolyte membrane, a positive electrode, a negative electrode, and a container.
[0009]
As the negative electrode and positive electrode used in the present invention, a water-repellent treated porous substrate such as carbon, carbon paper, carbon molded body, carbon sintered body, sintered metal, foam metal, and metal fiber aggregate should be used. Can do. These electrodes may further be used with a catalyst layer. For the catalyst layer, a carbon material containing a transition metal and platinum alloy such as platinum, iron, nickel, cobalt, ruthenium or the like, or fine particles of oxides thereof as a catalyst can be used. Platinum is preferred when the fuel is pure hydrogen, and platinum-ruthenium alloy is preferred when it contains hydrocarbons. The amount of the catalyst is about 5 to about 50% by weight, preferably about 10 to about 20% by weight, based on the electrode.
[0010]
The catalyst layer can be attached to the electrode by the following method. For example, a mixture of fine metal powders of platinum and ruthenium is supported as it is or on a carbon having a large surface area, and mixed with an alcohol solution containing polytetrafluoroethylene or a solid polymer electrolyte that acts as a binder and a water repellent, A method of spraying onto a porous electrode such as carbon paper and bonding it to a solid polymer electrolyte by hot pressing or the like (US Pat. No. 5,599,638), or a mixture of fine powders of platinum and ruthenium or its oxides as a solid This is mixed with an alcohol solution containing a polymer electrolyte, this catalyst mixture solution is applied onto a polytetrafluoroethylene plate, dried and then peeled off from the polytetrafluoroethylene plate, and transferred onto a porous electrode such as carbon paper. , A method of bonding to a solid polymer electrolyte by hot pressing or the like (X. Ren et al., J Electrochem.Soc., 143, L12 (1996)), and the like.
[0011]
The electrolyte membrane includes a copolymer of a trifluoroethylene derivative, a phosphoric acid-impregnated polybenzimidazole resin, a resin having a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a phenolic hydroxyl group or a fluorine-containing carbon sulfonic acid group as a cation exchange group, PSSA Examples thereof include those made of -PVA (polystyrene sulfonate polyvinyl alcohol copolymer), PSSA-EVOH (polystyrene sulfonate ethylene vinyl alcohol copolymer), and the like. Among them, those made of an ion exchange resin having a fluorine-containing carbon sulfonic acid group are preferable, and specifically, a Nafion membrane manufactured by DuPont, a Flemion membrane manufactured by Asahi Glass, and an Aciplex membrane manufactured by Asahi Kasei are used. . The solid polymer electrolyte membrane is obtained by forming a resin precursor into a film shape by a known method such as hot press molding, roll molding, extrusion molding, and the like, followed by hydrolysis and acidification treatment. It can also be obtained by a solvent casting method from a solution in which a fluorine-based cation exchange resin is dissolved in a solvent such as alcohol.
[0012]
The fuel holding gap is a space for holding the supplied fuel to supply it to the negative electrode. By providing the surplus fuel discharge port and the fuel supply port so as to communicate with the fuel holding gap, when the fuel is supplied from the fuel supply port, the gas having a reduced fuel concentration remaining in the fuel holding gap is excessive. The fuel is extruded from the fuel discharge port, and new fuel is smoothly supplied. Accordingly, the concentration of the fuel held in the fuel holding gap increases, and the fuel is supplied at a high concentration to the negative electrode, so that the power generation efficiency is improved. Further, since the fuel is smoothly supplied to the negative electrode, the startup time is shortened. The fuel holding gap is a space formed between the negative electrode and the container, and the size thereof is appropriately adjusted according to the size of the entire fuel cell. For example, it may have a volume of about 10% of the size of the container.
[0013]
The sizes of the fuel supply port and the surplus fuel discharge port are appropriately adjusted in consideration of the size of the container. When the fuel is a gas, there is no particular limitation. However, when the fuel is a liquid, it is difficult to supply the fuel if the radius of the fuel supply port is too small. Therefore, the fuel supply port preferably has a radius of about 1 mm or more.
In the fuel cell of the present invention, preferably, the surplus fuel discharge port is smaller than the fuel supply port. At this time, when the surplus fuel discharge port is smaller than the fuel supply port, the fuel supply pressure is temporarily maintained, which is preferable. For this reason, even when more fuel than the fuel holding gap can hold is supplied to the fuel holding gap, excess fuel is discharged from the excess fuel discharge port, and the pressure in the fuel holding gap is kept constant. Abnormal pressure is applied to prevent damage. Specifically, when the fuel supply port and the surplus fuel discharge port are substantially circular, and the fuel is gas, the radius of the fuel supply port is about 2 mm to about 0.5 mm, and the surplus fuel discharge port The size of the outlet radius is about 1 mm to about 0.1 mm. When the fuel is liquid, the radius of the fuel supply port is about 4 mm to about 1 mm, and the radius of the surplus fuel discharge port is about 2 mm to about 0.5 mm. When the fuel supply port and the surplus fuel discharge port are not circular, the sizes are considered as in the case where they are almost circular.
[0014]
In the fuel cell of the present invention, preferably, the container is provided with an outside air storage space and an outside air vent communicating therewith on the positive electrode side.
The outside air storage space is a space for supplying oxygen to the positive electrode. The positive-side container is provided with an external air vent, and an external air storage gap is formed between the fuel cell container and the positive electrode, so that the positive electrode is positioned in the vicinity of the outer surface to facilitate contact with the external air and the positive electrode It is possible to prevent foreign matter from coming into contact with. The outside air storage space is a space formed between the positive electrode and the container, and the size thereof is appropriately adjusted according to the size of the entire fuel cell. For example, it may have a volume of about 10% of the size of the container.
Outside air vent circles, rectangles, etc., may have any shape, those having about 0.1 mm 2 ~ about 10 mm 2 per 1 is preferable as the area. The number is preferably 1 to 100.
[0015]
In the fuel cell of the present invention, the outside air storage gap is preferably filled with an outside air holding material.
The outside air holding material is filled in the outside air storage gap, but may be one that completely fills the gap or a part thereof. In the case of satisfying a part, it may be disposed entirely or partially with respect to the positive electrode between the outside air vent provided in the container and the positive electrode. In any case, it may have an arbitrary thickness with respect to the width between the container and the positive electrode. As the form when the outside air retaining material is provided, as a sheet, a mesh or wool-like line, a line woven in a net-like shape, a thin line is compressed into a plate, granular, etc. Any form is acceptable. Specifically, a linear material is woven in a net-like shape, and a linear material is agglomerated like steel wool. Nickel, stainless steel, aluminum, and iron can be used as the material for the outside air retaining material. Furthermore, the water generated by the reaction at the positive electrode can be efficiently removed by the water repellent treatment by covering the outside air holding material with polytetrafluoroethylene or the like. The outside air holding material plays a role of holding outside air supplied from the outside air vent and supplying oxygen to the positive electrode by natural diffusion.
[0016]
In the fuel cell of the present invention, preferably, the outside air holding material is made of an electrically conductive material. That is, an organic conductive material represented by iodine-added polyacetylene (conductive polymer) or polymer material having electrical conductivity, specifically having an electrical conductivity at room temperature of 10 3 S / cm or more. If the outside air holding material is made of an electrically conductive resin or the like in which a metal conductor is dispersed, the current collector also serves as a current collector. Therefore, the current collecting effect is improved, so that a higher current value can be obtained. Further, an independent layer may be formed as a current collector separately from the outside air holding material between the outside air holding material and the positive electrode. At this time, the current collector is formed of the same or different material as the outside air holding material.
[0017]
The fuel cell of the present invention is preferably further provided with a check valve at the fuel supply port. From the check valve, it is possible to prevent the back flow of the fuel, and as a result, it is possible to prevent the contamination of the unused fuel by the reactant. The check valve is not particularly limited as long as it is normally used for preventing the backflow of liquid or gas. For example, the check valve is released only when hydrogen of fuel is supplied from the fuel tank to the fuel supply port. Can be used. The air staying in the fuel holding gap is discharged from the surplus fuel discharge port so as to be pushed out by the supplied fuel. Therefore, the air staying in the fuel holding gap does not flow back to the fuel tank, and the fuel is supplied in a constant manner in the fuel holding air. As a result, stable power generation is performed.
[0018]
In the fuel cell of the present invention, preferably, a combustion furnace having an outside air intake / exhaust hole is connected to the surplus fuel discharge port.
The fuel furnace removes excess fuel that is not held in the fuel holding material after being supplied or is not consumed in the negative electrode, or carbon monoxide discharged as a result of the reaction in the negative electrode. This is a space for oxidizing and decomposing surplus fuel before it is discharged. Since it is sufficient that at least oxygen be mixed in the combustion furnace, it may be in a state where air introduced from the outside air intake / exhaust hole exists. The shape of the outside air intake / exhaust hole is not limited to a rectangular shape. In the case of a hole form, it is preferable to provide 10 to 200 holes having a hole diameter of about 0.5 mm to about 2 mm, but the number is not particularly limited.
[0019]
In the fuel cell of the present invention, the combustion furnace is preferably filled with an oxidation filter made of a material carrying a metal catalyst. By passing through the oxidation filter inside the combustion furnace, excess fuel in the exhausted gas is catalytically oxidized and decomposed to make it harmless, and exhausted from the outside air intake and exhaust hole together with the air remaining in the fuel holding gap. Thus, the fuel concentration in the fuel holding gap can be kept above a certain level. At this time, in the combustion furnace, there is a risk of high temperature due to the reaction heat of the oxidation reaction, so it is desirable to equip a heat insulating material made of glass wool or the like between the combustion furnace and the battery body.
[0020]
As the oxidation filter, porous ceramics such as alumina and silica, carbon fiber, carbon paper and the like can be used. As the metal catalyst supported on the oxidation filter, a noble metal such as platinum, or a transition metal such as palladium, manganese, nickel, etc., alone or in combination, has an average pore size of about 10 μm to about 500 μm, preferably about 20 μm to about 100 μm. Things can be used. However, the catalyst on the oxidation filter is preferably a metal that is less reactive than the catalyst used for the negative electrode. This is because if a catalyst having a higher adsorbing power than the catalyst used for the negative electrode is installed in the combustion furnace, the fuel is oxidized and decomposed in the combustion furnace before it is adsorbed to the negative electrode, and the concentration of the fuel decreases. It is. For example, when the catalyst used for the negative electrode is platinum, nickel can be used as the catalyst used for the oxidation filter.
[0021]
In the fuel cell of the present invention, preferably, a fuel tank is further connected to the fuel supply port.
The fuel cell of the present invention is characterized in that the fuel tank is made of a soft resin. In the present invention, the soft resin is a resin having a glass transition point of room temperature or lower, more specifically, low density polyethylene (specific gravity 0.91 to 0.93), polypropylene, polyethylene terephthalate, and the like. When the fuel tank is made of a soft resin, if the fuel tank is crushed, the fuel can be supplied to the negative electrode more quickly and smoothly as necessary. The fuel tank stores gas such as hydrogen or liquid fuel (hydrocarbon such as methanol) according to the type of fuel cell. Moreover, in order to produce | generate fuel by reaction, you may generate | occur | produce a fuel by reaction when storing a reaction raw material and supplying it to a fuel cell.
[0022]
In the fuel cell of the present invention, the fuel holding gap is filled with a fuel holding material.
As the fuel holding material, when supplying hydrogen as a fuel, a fuel holding material made of a porous carbon material or a hydrogen storage alloy composed of an alloy such as La-Ni, Ti-Fe, Mg-Ni alone or in combination is used. Can be used. Moreover, when supplying a liquid as a fuel, what made stainless steel, nickel, etc. with a high corrosion resistance in the shape of a wool and a mesh can be used, and the bigger fuel holding effect can be anticipated. When the fuel holding material is made of an electrically conductive material, it can also serve as a current collector, thus improving the current collection effect. Further, an independent layer may be formed as a current collector separately from the fuel holding material between the fuel holding material and the negative electrode. At that time, the current collector is formed of the same or different material as the fuel holding material.
[0023]
The fuel cell of the present invention preferably further has a gas diffusion layer made of a porous carbon material such as carbon paper or carbon fiber between each of the positive electrode and the negative electrode and the current collector. The gas diffusion layer plays a role of supplying air and fuel to the positive electrode and the negative electrode, respectively. When the gas diffusion layer is made of an electrically conductive material, it can also serve as a current collector.
[0024]
As a container, you may have what kind of form according to the form of the portable electronic device used, and its use. As the material of the container, in addition to acrylic resin, those having a glass transition point of room temperature or higher, specifically polystyrene, polycarbonate, hard polyvinyl chloride (added with 0-5% plasticizer), polydenylene oxide, etc. Hard resin can be used.
[0025]
The fuel cell of the present invention can be used particularly in a form incorporated in a small electronic device such as a portable information terminal, a mobile phone, and an electronic device (for example, an electronic device).
[0026]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in detail. The following examples are general, and the present invention is not limited to these examples.
FIG. 1 shows an external configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a schematic cross-sectional structure along the broken line shown in FIG. FIG. 3 is an enlarged view of a portion surrounded by a broken line in FIG.
[0027]
Example 1
In the fuel cell according to the present invention, in FIG. 1, a
[0028]
As the catalyst material, a catalyst-integrated electrolyte membrane in which catalyst layers 11b and 12b in which 5 g of 10% by weight of platinum-supported carbon was attached to both surfaces of an
[0029]
When fuel hydrogen is supplied from the
[0030]
【The invention's effect】
By the fuel supply as described above, the entire fuel cell is reduced in size. By providing the surplus fuel discharge port and the fuel supply port, exhausting the surplus fuel and combusting it removes the air that has accumulated in the fuel holding part, so that the cell performance is efficiently exhibited from the initial energization. . In addition, since the fuel is smoothly supplied, the power generation efficiency is improved and the startup time is further shortened.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an external configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional structure along the broken line shown in FIG.
FIG. 3 shows an enlarged view of a portion surrounded by a broken line in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Outside air vent 2
Claims (10)
該容器が、負極側に、燃料保持空隙とこれに通じる余剰燃料排出口と燃料供給口とを備えてなり、該余剰燃料排出口の大きさが、円形換算で該燃料供給口の半径の1/5〜1/2の半径を有する大きさであり、燃料が気体の場合には、該燃料供給口の大きさが円形換算で半径2mm〜0.5mmであり、燃料が液体の場合には、該燃料供給口の大きさが円形換算で半径4mm〜1mmであり、
外気取り入れ口兼排気孔を備えた燃焼炉が、該余剰燃料排出口に接続して設置され、該燃焼炉が、金属触媒を担持した材料からなる酸化フィルターで充填されている燃料電池。A fuel cell in which a positive electrode and a negative electrode are housed in a container with an electrolyte membrane interposed therebetween,
The container includes, on the negative electrode side, a fuel holding gap, a surplus fuel discharge port and a fuel supply port that communicate with the fuel holding gap, and the size of the surplus fuel discharge port is one of the radius of the fuel supply port in circular conversion. When the fuel is a gas, the size of the fuel supply port is a circle with a radius of 2 mm to 0.5 mm, and when the fuel is a liquid The fuel supply port has a radius of 4 mm to 1 mm in circular conversion,
A fuel cell in which a combustion furnace having an outside air intake / exhaust hole is connected to the surplus fuel discharge port, and the combustion furnace is filled with an oxidation filter made of a material carrying a metal catalyst .
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