JP4339748B2 - Fuel cell power generator and device using the same - Google Patents

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Description

本発明はアノード、電解質膜、カソード、拡散層から構成され、アノードで燃料が酸化され、カソードで酸素が還元される燃料電池発電装置に係わり、特に、燃料としてメタノールのような液体燃料を用いた小型の携帯用電源と、これを用いた携帯用電子機器に関する。   The present invention relates to a fuel cell power generation apparatus comprising an anode, an electrolyte membrane, a cathode, and a diffusion layer, in which fuel is oxidized at the anode and oxygen is reduced at the cathode, and in particular, a liquid fuel such as methanol is used as the fuel. The present invention relates to a small portable power supply and a portable electronic device using the same.

最近の電子技術の進歩によって、電話器、ブックタイプパーソナルコンピュータ、オーデイオ・ビジュアル機器、或いは、モバイル用情報端末機器などが小型化され、携帯用電子機器として急速に普及が進んでいる。   With recent advances in electronic technology, telephones, book-type personal computers, audio-visual devices, mobile information terminal devices, and the like have been miniaturized and are rapidly spreading as portable electronic devices.

従来こうした携帯用電子機器は二次電池によって駆動するシステムであり、シール鉛バッテリーからNi/Cd電池、Ni/水素電池、更にはLiイオン電池へと新型二次電池の出現、小型軽量化および高エネルギー密度化によって発展してきた。何れの二次電池においても、エネルギー密度を高めるための電池活物質開発や高容量電池構造の開発が行われ、より一充電での使用時間の長い電源を実現する努力が払われている。   Conventionally, such portable electronic devices are systems driven by secondary batteries. The emergence of new secondary batteries from sealed lead batteries to Ni / Cd batteries, Ni / hydrogen batteries, and even Li-ion batteries, miniaturization and weight reduction, and high It has been developed by energy density. In any secondary battery, development of a battery active material for increasing the energy density and development of a high-capacity battery structure have been carried out, and efforts have been made to realize a power source with a longer usage time in one charge.

しかしながら、二次電池は一定量の電力使用後には充電が必須であり、充電設備と比較的長い充電時間が必要となるために、携帯用電子機器の長時間連続駆動には多くの問題が残されている。今後、携帯用電子機器は増加する情報量とその高速化に対応して、より高出力密度で高エネルギー密度の電源、即ち、連続使用時間の長い電源を必要とする方向に向かっており、充電を必要としない小型発電機(マイクロ発電機)の必要性が高まっている。   However, secondary batteries need to be charged after using a certain amount of power, and charging facilities and a relatively long charging time are required. Therefore, many problems remain in long-term continuous driving of portable electronic devices. Has been. In the future, portable electronic devices are moving toward a direction that requires a higher power density and higher energy density power source, that is, a power source with a longer continuous use time, in response to the increasing amount of information and its speed. There is a growing need for small generators (micro-generators) that do not require power.

こうした要請に対応するものとして燃料電池電源が考えられる。燃料電池は燃料の持つ化学エネルギーを電気化学的に直接電気エネルギーに変換するもので、通常のエンジン発電機などの内燃機関を用いた発電機のような動力部を必要としないため、小型発電デバイスとしての実現性は高い。また、燃料電池は燃料を補給する限り発電を継続するために、通常の二次電池の場合のような充電のために一時機器の動作を停止すると云うことが不要となる。   A fuel cell power supply can be considered as a response to such a demand. A fuel cell is a device that converts chemical energy of fuel directly into electrical energy, and does not require a power unit like a generator using an internal combustion engine such as a normal engine generator. The feasibility as is high. Further, since the fuel cell continues power generation as long as fuel is replenished, it is not necessary to stop the operation of the temporary device for charging as in the case of a normal secondary battery.

このような要請の中でパーフロロカーボンスルフォン酸系樹脂の電解質膜を用いてアノードで水素ガスを酸化し、カソードで酸素を還元して発電する固体高分子形燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)は,出力密度が高い電池として知られている。   Under such demands, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) that generates electricity by oxidizing hydrogen gas at the anode and reducing oxygen at the cathode using an electrolyte membrane of perfluorocarbon sulfonic acid resin (PEFC). Is known as a battery with high power density.

この燃料電池をより小型化するために、例えば、特開平9−223507号公報に示されるように、中空糸形の電解質の内面と外面にアノードおよびカソード電極を付設した円筒状電池の集合体とし、円筒内部と外部にそれぞれ水素ガスと空気を供給する小型PEFC発電装置が提案されている。しかし、携帯用電子機器の電源に適用する場合には、燃料が水素ガスであるために燃料の体積エネルギー密度が低く、燃料タンクの体積を大きくする必要がある。   In order to further reduce the size of this fuel cell, for example, as shown in Japanese Patent Laid-Open No. 9-223507, an assembly of cylindrical cells in which an anode and a cathode electrode are attached to the inner surface and outer surface of a hollow fiber electrolyte is used. A small PEFC power generator that supplies hydrogen gas and air to the inside and outside of the cylinder has been proposed. However, when applied to a power source of a portable electronic device, since the fuel is hydrogen gas, the volume energy density of the fuel is low and the volume of the fuel tank needs to be increased.

また、このシステムでは燃料ガスや酸化剤ガス(空気など)を発電装置に送り込む装置や、電池性能維持のために電解質膜を加湿する装置などの補機が必要であり、発電システムが複雑な構成となり小型化するには十分とは云えない。   In addition, this system requires auxiliary equipment such as a device that feeds fuel gas and oxidant gas (such as air) to the power generation device, and a device that humidifies the electrolyte membrane to maintain battery performance. Therefore, it cannot be said that it is sufficient for downsizing.

燃料の体積エネルギー密度を上げるには液体燃料を用いること、燃料や酸化剤などを電池に供給する補機を無くし単純構成とすることが有効となる。こうしたものとしては、特開2000−268835号、特開2000−268836号公報に、メタノールと水を燃料とする直接形メタノール燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)が提案されている。   In order to increase the volumetric energy density of the fuel, it is effective to use a liquid fuel, and to eliminate the auxiliary device that supplies the fuel, oxidant, and the like to the battery and to have a simple configuration. As such a device, direct methanol fuel cells (DMFC) using methanol and water as fuels are proposed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2000-268835 and 2000-268836.

この発電装置は、液体燃料容器の外壁側に、毛管力によって液体燃料を供給する材料を介して、これに接するようにアノードを配し、更に、固体高分子電解質膜、カソードを順次接合して構成される。   In this power generation device, an anode is disposed on the outer wall side of the liquid fuel container so as to be in contact with the material for supplying liquid fuel by capillary force, and a solid polymer electrolyte membrane and a cathode are sequentially joined together. Composed.

酸素は外気に接触するカソード外表面への拡散によって供給されるので、この方式の発電装置は、燃料および酸化剤ガスを供給する補機を必要としない簡単な構成となり、複数の電池を直列に組合せる時には電気的接続のみでセパレータと云う単位電池の結合部品を必要としないことが特徴である。   Since oxygen is supplied by diffusion to the outer surface of the cathode in contact with the outside air, this type of power generator has a simple configuration that does not require an auxiliary device that supplies fuel and oxidant gas, and a plurality of batteries are connected in series. When combined, it is characterized in that it only requires electrical connection and does not require a unit cell connecting part called a separator.

しかし、DMFCは、負荷時の出力電圧が単位電池当たり0.3〜0.4Vであるため、携帯用電子機器などが必要とする電圧に対応するには、燃料電池付設の燃料タンクを複数用いて、各電池を直列に接続する必要がある。また、発電装置を小型化するには電池の直列数が増加し、単位電池当たりの燃料容器の容量を小さくする必要があり、燃料容器の数が直列数に応じて分散してしまうと云う課題が残されている。   However, since DMFC has an output voltage of 0.3 to 0.4 V per unit cell, multiple fuel tanks with fuel cells are used to meet the voltage required by portable electronic devices. Thus, it is necessary to connect the batteries in series. Further, in order to reduce the size of the power generation device, the number of batteries in series increases, and it is necessary to reduce the capacity of the fuel container per unit battery, and the number of fuel containers is dispersed according to the number of series. Is left.

また、この酸性型電解質の燃料電池の作動に伴って、液体燃料タンク内にはアノードの酸化反応で生成したガスを排出する機構を実現しないと、連続使用が困難となる。   Further, along with the operation of this acidic electrolyte fuel cell, continuous use becomes difficult unless a mechanism for discharging the gas generated by the oxidation reaction of the anode is realized in the liquid fuel tank.

本発明の目的は、電力の使用に伴って二次電池のように一定容量の電力を消費する度に充電することなく、燃料を補給することによって容易に発電が継続できる燃料電池発電装置であって、体積エネルギー密度の高い燃料を用いるシステムを提供することにある。   An object of the present invention is a fuel cell power generator that can easily continue power generation by replenishing fuel without recharging whenever a certain amount of power is consumed as in the case of a secondary battery. An object of the present invention is to provide a system using a fuel having a high volumetric energy density.

また、所定の電圧を得るためにアノード、電解質膜およびカソードからなる単位電池を、導電性の流体通路構造を持ったセパレータを介して積層することで燃料電池発電装置を構成し、燃料、酸化剤ガスを強制的に流通させる流体供給機構を持った従来型の燃料電池に代えて、セパレータを必要としない小型の燃料電池で流体供給機構のような補機を持たず、電源がどのような姿勢あっても各単位電池への液体燃料の供給が可能で、アノードで酸化生成したガスを燃料容器から排出する機能を有する携帯用に最適で、コンパクトな電源、並びに、それを用いた携帯用電子機器を提供することにある。   In addition, in order to obtain a predetermined voltage, a unit cell composed of an anode, an electrolyte membrane, and a cathode is stacked via a separator having a conductive fluid passage structure to constitute a fuel cell power generator, and a fuel, an oxidant Instead of a conventional fuel cell with a fluid supply mechanism that forcibly circulates gas, it is a small fuel cell that does not require a separator. Even if it is, it is possible to supply liquid fuel to each unit cell, and it is ideal for portable use with the function of discharging the gas oxidized by the anode from the fuel container, and a compact power supply, and portable electronic using the same To provide equipment.

前記目的を達成する本発明の要旨は次のとおりである。燃料を酸化するアノードと酸素を還元するカソードが電解質膜を介して形成され、液体を燃料とする燃料電池発電装置において、
燃料容器の壁面に通気孔を1つ以上備え、かつ、該燃料容器の壁面に電解質膜、アノードおよびカソードを有する単電池を複数装着し、それぞれの単電池を電気的に接続したことを特徴とする。
The gist of the present invention for achieving the above object is as follows. In a fuel cell power generation apparatus in which an anode that oxidizes fuel and a cathode that reduces oxygen are formed through an electrolyte membrane and uses liquid as fuel,
One or more ventilation holes are provided on the wall surface of the fuel container, and a plurality of unit cells having an electrolyte membrane, an anode and a cathode are mounted on the wall surface of the fuel container, and each unit cell is electrically connected. To do.

液体燃料を収納する容器をプラットホームとしてその外壁面にアノード、電解質膜、カソードから構成される単電池が複数設けられることを特徴としている。   A container for storing liquid fuel is used as a platform, and a plurality of single cells including an anode, an electrolyte membrane, and a cathode are provided on an outer wall surface of the container.

特に、所要電流が比較的小さく、高い電圧を必要とする場合には、液体燃料を収納する容器の外周面にアノード、電解質膜、カソードから構成される複数の単電池を配置し、各単電池を導電性のインターコネクタで直列または直列と並列の組合せで接続することで高電圧化を図ることができる。   In particular, when the required current is relatively small and a high voltage is required, a plurality of single cells composed of an anode, an electrolyte membrane, and a cathode are arranged on the outer peripheral surface of a container for storing liquid fuel. Can be connected in series or in a combination of series and parallel with a conductive interconnector.

燃料は、燃料容器をプラットホームとして結合することにより、各々の単電池に強制的に供給する補機を設けることなく供給される。この時、液体燃料容器内に液体燃料を保持し、毛管力によって吸い上げる材料を充填することによって燃料補給はより安定化される。   The fuel is supplied without providing an auxiliary device for forcibly supplying each unit cell by connecting the fuel container as a platform. At this time, the fuel supply is further stabilized by holding the liquid fuel in the liquid fuel container and filling the material sucked up by the capillary force.

一方、液体燃料容器の外壁面に発電部を有する各単電池は、空気中の酸素の拡散によって酸化剤が供給される。燃料には体積エネルギー密度の高いメタノールの水溶液等を液体燃料として用いることで、同一容積の収納容器に水素ガスを燃料として用いた場合に比較して、より長時間の発電を継続できる。   On the other hand, each cell having a power generation unit on the outer wall surface of the liquid fuel container is supplied with an oxidant by diffusion of oxygen in the air. By using a methanol aqueous solution or the like having a high volumetric energy density as the liquid fuel, it is possible to continue power generation for a longer time than when hydrogen gas is used as the fuel in the same volume storage container.

本発明による燃料電池からなる電源を二次電池搭載の携帯電話器、携帯用パーソナルコンピュータ、携帯用オーデイオ、ビジュアル機器、その他の携帯用情報端末を休止時に充電するために付設されるバッテリーチャージャとして用いたり、或いは二次電池を搭載することなく直接内蔵電源とすることによって、これらの電子機器は長時間の使用が可能となり、燃料の補給によって連続的に使用することが可能となる。   The power source comprising the fuel cell according to the present invention is used as a battery charger attached to charge a mobile phone equipped with a secondary battery, a portable personal computer, a portable audio device, a visual device, and other portable information terminals during a pause. Alternatively, by directly using a built-in power supply without mounting a secondary battery, these electronic devices can be used for a long time and can be used continuously by refueling.

本発明によれば、液体燃料を収納する容器をプラットホームとし、その壁面に燃料電池を装着し、該電池を直列、または、直列と並列の組合せで電気的に接続したことを特徴としている。燃料容器をプラットホームとして燃料電池を装着し、該容器内に液体燃料保持材を設けたことによって、液体燃料は毛管力により吸上げられて各燃料電池に供給される。   According to the present invention, a container for storing liquid fuel is used as a platform, a fuel cell is mounted on a wall surface thereof, and the cells are electrically connected in series or in a combination of series and parallel. By mounting the fuel cell using the fuel container as a platform and providing the liquid fuel holding material in the container, the liquid fuel is sucked up by the capillary force and supplied to each fuel cell.

外周面に発電部を有する各燃料電池は、空気中の酸素(酸化剤)が拡散孔をとおして供給される。これらによって燃料,酸化剤供給用の補機を必要としない単純なシステムの燃料電池が実現できる。   Each fuel cell having a power generation unit on the outer peripheral surface is supplied with oxygen (oxidant) in the air through a diffusion hole. As a result, a simple fuel cell system that does not require auxiliary equipment for supplying fuel and oxidant can be realized.

また、液体燃料は体積エネルギー密度の高いメタノール水溶液を用いることにより、水素ガスを燃料として用いた場合に比較して、リッター当たり長時間の発電が継続でき、燃料の逐次補給によって従来の二次電池のような充電を必要としない連続発電装置を得ることができる。   In addition, by using a methanol aqueous solution with a high volumetric energy density for liquid fuel, power generation can be continued for a long time per liter compared to when hydrogen gas is used as the fuel, and conventional secondary batteries can be replenished by sequential fuel supply. Thus, a continuous power generator that does not require charging can be obtained.

更に、燃料容器の複数の壁面に燃料電池を装着し、それらの壁面には複数の気液分離機能を有する通気孔を設けることで、どのような姿勢でも安定発電が継続可能な発電装置を実現できる。   Furthermore, by mounting fuel cells on multiple wall surfaces of the fuel container and providing multiple air holes with gas-liquid separation functions on these wall surfaces, a power generator that can continue stable power generation in any orientation is realized. it can.

本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に記述する。図1は、本発明の構成する液体燃料容器の断面構造の一例を示す。   Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows an example of a cross-sectional structure of a liquid fuel container according to the present invention.

燃料容器1の外壁面には表面が絶縁性の燃料電池装着部2が複数設けられ、この電池装着部2の容器壁は、予め液体燃料が透過するに十分な網目状構造、多孔質層、もしくは、スリット上の拡散孔3を形成している。   A plurality of fuel cell mounting portions 2 having an insulating surface are provided on the outer wall surface of the fuel container 1, and the container wall of the cell mounting portion 2 has a network structure, a porous layer, sufficient to allow liquid fuel to permeate in advance. Alternatively, the diffusion hole 3 on the slit is formed.

燃料電池装着部2の表面には、隣接する燃料電池と電気的接続をするための耐食性,導電性を有する材料を塗布,焼付けてアノード側インターコネクタ4を形成しておく。インターコネクタ4は、液体燃料が透過するに十分な網目状構造、多孔質層もしくはスリット上の拡散孔構造を持っている。   The anode side interconnector 4 is formed on the surface of the fuel cell mounting portion 2 by applying and baking a material having corrosion resistance and conductivity for electrical connection with an adjacent fuel cell. The interconnector 4 has a network structure sufficient for permeation of liquid fuel, a porous layer or a diffusion hole structure on the slit.

燃料容器1の内壁面には、電気化学的に不活性な液体燃料吸上げ材5が装着されている。燃料容器の壁面に装着された燃料電池を、電気的に直列あるいは直列と並列の組合せで接続し、発電装置外部へ取出すアノードおよびカソードの燃料電池端子6を設けておく。   An electrochemically inert liquid fuel wicking material 5 is mounted on the inner wall surface of the fuel container 1. The fuel cells mounted on the wall surface of the fuel container are electrically connected in series or a combination of series and parallel, and anode and cathode fuel cell terminals 6 are provided to be taken out of the power generation apparatus.

単電池は図2に示すように、予め固体の電解質膜21の両面にアノード層22およびカソード層23を一体接合し、電解質膜/電極接合体(MEA;Membrane Electrode Assembly)を形成しておく。燃料電池を燃料容器に固定するための燃料電池固定板8は、図3に示すように電気的に絶縁性の板を用い、燃料電池と接触する部分は、空気が拡散して燃料電池に供給するに十分な網目状構造,多孔質層もしくはスリット状の拡散孔3を有しており、拡散孔部分の燃料電池と接する面には、隣接する燃料電池のアノード側インターコネクタ4と接続するためのカソード集電板7を備えている。   As shown in FIG. 2, an anode layer 22 and a cathode layer 23 are integrally bonded to both sides of a solid electrolyte membrane 21 in advance to form an electrolyte membrane / electrode assembly (MEA; MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY). The fuel cell fixing plate 8 for fixing the fuel cell to the fuel container uses an electrically insulating plate as shown in FIG. 3, and the portion in contact with the fuel cell is supplied with air diffused to the fuel cell. In order to connect to the anode side interconnector 4 of the adjacent fuel cell, the surface having a mesh structure, a porous layer or a slit-like diffusion hole 3 is sufficient to contact the fuel cell of the diffusion hole portion. The cathode current collector plate 7 is provided.

このカソード集電板7の燃料電池に接する部分は、空気を供給するに十分な拡散孔3を持たせている。発電に際して燃料容器1内では、燃料が酸化されて炭酸ガスが発生することになるが、この炭酸ガスは図4(a)に示すような断面構造の液不透過性の気液分離機能を持った通気孔15を介して、燃料容器の外部へ排出される。   A portion of the cathode current collector plate 7 that is in contact with the fuel cell has a diffusion hole 3 sufficient to supply air. During power generation, fuel is oxidized in the fuel container 1 to generate carbon dioxide gas. This carbon dioxide gas has a liquid-impermeable gas-liquid separation function having a cross-sectional structure as shown in FIG. It is discharged to the outside of the fuel container through the vent hole 15.

通気孔15は、通気管51とネジ締め方式の通気蓋52で構成され、撥水性,多孔質の気液分離膜50を通気蓋で固定する構造となっている。この通気孔15は、図4(b)に示す断面構造のように、燃料電池発電装置が如何なる姿勢をとっても1つ以上の通気孔が通気状態となるように燃料容器1の複数の面に配置される。   The vent hole 15 includes a vent pipe 51 and a screw-tight vent lid 52, and has a structure in which a water-repellent and porous gas-liquid separation membrane 50 is fixed by the vent lid. The air holes 15 are arranged on a plurality of surfaces of the fuel container 1 so that one or more air holes are in a vented state regardless of the posture of the fuel cell power generator, as in the cross-sectional structure shown in FIG. Is done.

燃料電池発電装置の組立ては図5に示すように、燃料容器の燃料電池装着部にガスケット10、MEA9、ガスケット10、空気と生成する水の拡散を容易にするために炭素繊維織布にポリテトラフロロエチレンを微細に分散した多孔質の拡散層11の順に積層して、通気孔装着孔19を有する燃料電池固定板8を燃料容器1に接着あるいはネジ留め等の方法で固定する。この固定過程でカソード集電板は、隣接する燃料電池のアノード側インターコネクタと接触して電気的に接続され、始点と終点部が出力端子16として取出される。   As shown in FIG. 5, the fuel cell power generator is assembled with a gasket 10, MEA 9, gasket 10 on the fuel cell mounting portion of the fuel container, and a polytetrafluorocarbon fiber cloth to facilitate diffusion of air and generated water. The porous diffusion layer 11 in which fluoroethylene is finely dispersed is laminated in this order, and the fuel cell fixing plate 8 having the vent hole mounting holes 19 is fixed to the fuel container 1 by a method such as adhesion or screwing. In this fixing process, the cathode current collector plate contacts and is electrically connected to the anode interconnector of the adjacent fuel cell, and the start point and the end point are taken out as the output terminal 16.

燃料電池発電装置の作動に当たり、図4(b)に示した燃料補給孔を兼ねた通気孔15の蓋を外し、ここから液体燃料、例えば、メタノール水溶液が充填される。容器下面に装着された単電池には充填されたメタノール水溶液が浸透してアノードに安定的に供給され、上面に装着された単電池には吸い上げ材から吸い上げられてアノードに安定的に供給されることになる。   In the operation of the fuel cell power generator, the cover of the vent hole 15 which also serves as the fuel supply hole shown in FIG. 4B is removed, and liquid fuel, for example, aqueous methanol solution is filled from here. The unit cell mounted on the lower surface of the container permeates the methanol aqueous solution filled and stably supplied to the anode, and the unit cell mounted on the upper surface is sucked up from the suction material and stably supplied to the anode. It will be.

各単電池のカソードは網目状,多孔質あるいはスリット上の貫通孔,カソード集電板とカソード拡散層を介して外気と接しているため、空気中の酸素が拡散供給され、発電で生成した水は拡散で排除される。   The cathode of each unit cell is in mesh form, porous or through-holes on the slit, cathode current collector plate and cathode diffusion layer, so that it is in contact with the outside air. Is eliminated by diffusion.

本例の燃料電池発電装置の外観を図6に示す。通気孔15を有する燃料容器1は発電装置の構造体として機能すると共に、その壁面に複数の単電池13が燃料電池固定板8で固定され、電気的に直列接続された両端を出力端子16として外部に取出す構造となっている。   The external appearance of the fuel cell power generator of this example is shown in FIG. The fuel container 1 having the vent hole 15 functions as a structure of the power generation apparatus, and a plurality of single cells 13 are fixed to the wall surface by the fuel cell fixing plate 8 and both ends electrically connected in series are used as output terminals 16. It is structured to be taken out to the outside.

発電に際してアノード側、即ち、燃料容器内には燃料が酸化されて炭酸ガスが発生するが、この炭酸ガスは液不透過性の気液分離機能を持った通気孔を介して燃料容器の外部へ排出される。この通気孔は、燃料容器壁面に複数個設けて、燃料容器が発電中に如何なる姿勢をとっても、1個以上の通気孔が燃料液体で遮蔽されることがないような位置に配置しておくことによって、安定な発電動作を保証しているのが特徴である。   During power generation, the fuel is oxidized on the anode side, that is, in the fuel container, and carbon dioxide gas is generated. This carbon dioxide gas is discharged to the outside of the fuel container through a vent hole having a liquid-impermeable gas-liquid separation function. Discharged. A plurality of the vent holes are provided on the fuel container wall surface, and the vent holes are arranged at positions where one or more vent holes are not shielded by the fuel liquid regardless of the posture of the fuel container during power generation. As a result, stable power generation operation is guaranteed.

本発明による燃料発電装置は、燃料や酸化剤ガスなどを強制的に供給する設備を必要とせず、容器壁面には単電池が一層装着されるのみで、電池がセパレータを介して複数積層される構造をとらず、放熱が十分であるために強制冷却機構を設ける必要がない。そのため、補機動力損が無く、積層のための導電性セパレータを必要としない、部品点数の少ない構造とすることができる。   The fuel power generation device according to the present invention does not require facilities for forcibly supplying fuel, oxidant gas, etc., and only a single cell is mounted on the wall of the container, and a plurality of cells are stacked via separators. There is no need to provide a forced cooling mechanism because it does not have a structure and heat radiation is sufficient. Therefore, it is possible to obtain a structure with a small number of parts that does not have auxiliary power loss and does not require a conductive separator for stacking.

メタノール水溶液を燃料とする燃料電池では、以下に示す電気化学反応でメタノールが持っている化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される形で発電される。   In a fuel cell using a methanol aqueous solution as a fuel, electric power is generated in such a manner that chemical energy possessed by methanol is directly converted into electric energy by the following electrochemical reaction.

アノード電極側では供給されたメタノール水溶液が(1)式に従って反応して炭酸ガスと水素イオンと電子に解離する。
〔化1〕
CHOH+HO → CO+6H+6e …(1)
生成された水素イオンは、電解質膜中をアノードからカソード側に移動し、カソード電極上で空気中から拡散してきた酸素ガスと電極上の電子とが(2)式に従って反応し、水を生成する。
〔化2〕
6H+3/2O+6e → 3HO …(2)
従って、発電に伴う全化学反応は(3)式に示すように、メタノールが酸素によって酸化され炭酸ガスと水を生成し、化学反応式は形式上メタノールの火炎燃焼と同じになる。
〔化3〕
CHOH+3/2O → CO+3HO …(3)
単位電池の開路電圧は、概ね室温近傍で1.2Vであるが、燃料が電解質膜を浸透する影響で実質的には0.85〜1.0Vであり、特に、限定されるものではないが、実用的な負荷運転の下での電圧は0.3〜0.6V程度の領域となる負荷電流密度が選ばれる。従って、実際に電源として用いる場合には負荷機器の要求に従って所定の電圧が得られるよう複数の単位電池を直列接続して用いられる。単電池の出力電流密度は電極触媒,電極構造,その他の影響で変化するが、実効的に単電池の発電部面積を選択して所定の電流が得られるように設計される。
On the anode electrode side, the supplied aqueous methanol solution reacts according to the equation (1) and dissociates into carbon dioxide, hydrogen ions, and electrons.
[Chemical formula 1]
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e (1)
The generated hydrogen ions move from the anode to the cathode in the electrolyte membrane, and oxygen gas diffused from the air on the cathode electrode reacts with the electrons on the electrode according to the equation (2) to generate water. .
[Chemical formula 2]
6H + + 3 / 2O 2 + 6e → 3H 2 O (2)
Therefore, as shown in the equation (3), the total chemical reaction accompanying power generation is that methanol is oxidized by oxygen to generate carbon dioxide gas and water, and the chemical reaction equation is formally the same as that of methanol flame combustion.
[Chemical formula 3]
CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 3H 2 O (3)
The open circuit voltage of the unit cell is approximately 1.2 V in the vicinity of room temperature, but is substantially 0.85 to 1.0 V due to the influence of the fuel permeating the electrolyte membrane, and is not particularly limited. The load current density is selected so that the voltage under a practical load operation is in the range of about 0.3 to 0.6V. Therefore, when actually used as a power source, a plurality of unit batteries are connected in series so that a predetermined voltage can be obtained according to the demand of the load device. The output current density of the unit cell varies depending on the influence of the electrode catalyst, the electrode structure, and other factors, but it is designed so that a predetermined current can be obtained by effectively selecting the power generation area of the unit cell.

本発明による燃料電池発電装置を構成する支持体は、液体燃料を収容する燃料容器に特徴があり、その断面形状は角型,円型あるいはその他の形状であってもコンパクトに単電池が必要な数だけ装着できる形状であれば、特に制限はない。しかし、単電池を規定の容積中にコンパクトに装填するには円筒型または角型が装着効率も良く、燃料電池発電部を装着する加工性の上でも好ましい形状と云える。   The support constituting the fuel cell power generation device according to the present invention is characterized by a fuel container for containing liquid fuel, and a single cell is required in a compact shape even if the cross-sectional shape is square, circular or other shapes. There is no particular limitation as long as it is a shape that can be mounted as many as possible. However, in order to load a single cell in a specified volume in a compact manner, a cylindrical shape or a square shape has good mounting efficiency, and can be said to be a preferable shape in terms of workability for mounting a fuel cell power generation unit.

支持体の材料は、電気化学的に不活性で使用環境下で耐久性,耐食性を持った薄型で十分な強度を持つ材料であれば特に制限はない。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、塩化ビニル、ポリアクリル系樹脂、その他のエンジニアリング樹脂やこれらを各種のフィラ等で補強した電気絶縁性の材料、または、電池作動雰囲気での耐食性に優れた炭素材料、ステンレス系鋼、あるいは通常の鉄、ニッケル、銅、アルミニウムまたはこれらの合金の表面を耐食化および電気絶縁化処理した材料を挙げることができる。いずれにしても形状を支持する強度,耐食性と電気化学的に不活性な材料であれば特に限定されるものではない。   The material of the support is not particularly limited as long as it is electrochemically inert and is a thin material having sufficient durability and corrosion resistance in a use environment and having sufficient strength. For example, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, vinyl chloride, polyacrylic resin, other engineering resins, electrically insulating materials reinforced with various fillers, etc., or carbon materials with excellent corrosion resistance in battery operating atmosphere , Stainless steel, or ordinary iron, nickel, copper, aluminum, or a material obtained by subjecting the surface of these alloys to corrosion resistance and electrical insulation. In any case, the material is not particularly limited as long as it is an electrochemically inert material that supports the shape, corrosion resistance, and the like.

燃料電池支持体内部は、燃料貯蔵および輸送空間として使用されるが、筒状支持体内部に充填され燃料供給を安定化する吸上げ材は、メタノール水溶液との接触角が小さく、電気化学的に不活性で耐食性のある材料であれば良く、粉末あるいは繊維状のものを用いるとよい。例えば、ガラス,アルミナ,シリカアルミナ,シリカ,非黒鉛系炭素,セルロースなどの繊維や、吸水性高分子繊維などは充填密度が低く、メタノール水溶液保持性に優れた材料である。   The inside of the fuel cell support is used as a fuel storage and transport space, but the wicking material that is filled inside the cylindrical support and stabilizes the fuel supply has a small contact angle with the aqueous methanol solution and is electrochemically Any material that is inert and corrosion resistant may be used, and powder or fibrous materials may be used. For example, fibers such as glass, alumina, silica-alumina, silica, non-graphite carbon, and cellulose, and water-absorbing polymer fibers are materials having a low packing density and excellent methanol aqueous solution retention.

発電部を構成するアノード触媒としては、炭素系粉末担体に白金とルテニウムあるいは白金/ルテニウム合金の微粒子を分散担持したもの、カソード触媒としては、炭素系担体に白金微粒子を分散担持したものは容易に製造できる材料である。しかし、本発明の燃料電池のアノードおよびカソードの触媒は、通常の直接形メタノール燃料電池に用いられるものであれば、特に、制限されるものではなく、電極触媒の安定化や長寿命化のために上記の貴金属成分に鉄,錫,希土類元素等から選ばれた第3の成分を添加した触媒を用いることは好ましい。   As the anode catalyst constituting the power generation section, a carbon-based powder carrier in which platinum and ruthenium or platinum / ruthenium alloy fine particles are dispersed and supported, and as a cathode catalyst, a carbon-based carrier in which platinum fine particles are dispersed and supported is easy. It is a material that can be manufactured. However, the anode and cathode catalysts of the fuel cell of the present invention are not particularly limited as long as they are used in ordinary direct methanol fuel cells, and are intended to stabilize the electrode catalyst and extend its life. In addition, it is preferable to use a catalyst obtained by adding a third component selected from iron, tin, rare earth elements and the like to the noble metal component.

電解質膜には限定的ではないが水素イオン導電性を示す膜が用いられる。代表的な材料としてパーフロロカーボン系スルフォン酸樹脂,ポリパーフロロスチレン系スルフォン酸樹脂などに代表されるスルフォン酸化やアルキレンスルフォン酸化したフッ素系ポリマやポリスチレン類,ポリスルフォン類,ポリエーテルスルフォン類,ポリエーテルエーテルスルフォン類,ポリエーテルエーテルケトン類,その他の炭化水素系ポリマをスルフォン化した材料を用いることができる。   Although not limited to the electrolyte membrane, a membrane showing hydrogen ion conductivity is used. Typical materials include fluorinated polymers such as perfluorocarbon-based sulfonic acid resins and polyperfluorostyrene-based sulfonic acid resins, fluorinated polymers and alkylene sulfonated polymers, polystyrenes, polysulfones, polyether sulfones, and polyethers. Materials obtained by sulfonating ether sulfones, polyether ether ketones, and other hydrocarbon polymers can be used.

これらの電解質膜でメタノールの透過性の小さい材料は、燃料の利用率を高く採ることができ、燃料のクロスオーバによる電池電圧の低下も無く、好ましい材料であり、一般に燃料電池を90℃以下の温度で運転することができる。また、タングステン酸化物水和物,ジルコニウム酸化物水和物,スズ酸化物水和物,ケイタングステン酸,ケイモリブデン酸,タングストリン酸,モリブドリン酸などの水素イオン導電性無機物を、耐熱性樹脂にミクロ分散した複合電解質膜等を用いることによって、より高温域まで運転できる燃料電池とすることもできる。   In these electrolyte membranes, a material with low methanol permeability can be used with a high fuel utilization rate, and there is no decrease in battery voltage due to fuel crossover. Can be operated at temperature. In addition, hydrogen ion conductive inorganic substances such as tungsten oxide hydrate, zirconium oxide hydrate, tin oxide hydrate, silicotungstic acid, silicomolybdic acid, tungstophosphoric acid, molybdophosphoric acid are used as heat-resistant resin. By using a micro-dispersed composite electrolyte membrane or the like, a fuel cell that can be operated to a higher temperature range can be obtained.

いずれにしても水素イオン伝導性が高く、メタノール透過性の低い電解質膜を用いると、燃料の利用率が高くなるため本発明の効果であるコンパクト化および長時間発電を、より高いレベルで達成することができる。   In any case, when an electrolyte membrane having high hydrogen ion conductivity and low methanol permeability is used, the fuel utilization rate is increased, so that compactness and long-time power generation, which are the effects of the present invention, are achieved at a higher level. be able to.

上記した水和型の酸性電解質膜は、一般に乾燥時と湿潤時とでは膨潤によって膜の変形が発生したり、十分にイオン導電性の高い膜では機械強度が十分でない場合が生じる。このような場合には、機械強度,耐久性,耐熱性に優れた繊維を不織布あるいは織布状で芯材として用いたり、電解質膜製造時にこれらの繊維をフィラとして添加,補強することは、電池性能の信頼性を高める上で有効な方法である。 また、電解質膜の燃料透過性を低減するために、ポリベンズイミダゾール類に硫酸,リン酸,スルフォン酸類やフォスフォン酸類をドープした膜を使用することもできる。   In general, the hydrated acidic electrolyte membrane may be deformed due to swelling when it is dried and wet, or the mechanical strength of a membrane having sufficiently high ionic conductivity may be insufficient. In such a case, it is possible to use fibers having excellent mechanical strength, durability, and heat resistance as a core material in a nonwoven fabric or woven fabric, or to add and reinforce these fibers as fillers during the manufacture of an electrolyte membrane. This is an effective method for improving the reliability of performance. In order to reduce the fuel permeability of the electrolyte membrane, a membrane obtained by doping polybenzimidazoles with sulfuric acid, phosphoric acid, sulfonic acids, or phosphonic acids can also be used.

単電池を構成する発電部は、上記に代わるもう一つ例として、例えば、以下のような方法によって作製することもできる。即ち、(1)液体燃料容器の電気絶縁性外周面に導電性のインタコネクタを塗布してアノード接合部の壁面を貫通孔による多孔質化する工程、(2)アノード触媒と電解質樹脂を予め揮発性有機溶媒に溶解した溶液をバインダとして添加、分散してペースト状にしたものを液体燃料の収納容器の切込みの多孔質部分に10〜50μmの一定厚さに塗布して電極を形成する工程、(3)アノード塗布部をマスクして切込み部にシール用のガスケットを塗布し燃料容器と接合する工程、(4)その後、予め揮発性有機溶媒に溶解した電解質溶液をアノード電極に接して切込み部に、膜形成後の厚さが20〜50μmとなるように塗布する工程、(5)次いで、カソード触媒と電解質膜を予め揮発性有機溶媒に溶解した溶液をバインダとして混練してペースト状にしたものを電解質膜の上に10〜50μmの一定厚さに塗布して電極を形成する工程、(6)更に、その外部に炭素系粉末と所定量の撥水性分散材、例えば、ポリテトラフルオロエチレン微粒子の水性分散液をペースト状にして、カソード電極表面に接合するように切込み部に塗布し、拡散層を形成する工程、を経て単電池が作られる。この時、(4)の工程において電解質膜部分はカソード面積よりも大きくとり、ガスケットと電解質膜を密着させるか、あるいは、接着剤を用いて接着することによってシールすることが重要である。   The power generation unit constituting the unit cell can be manufactured by, for example, the following method as another example instead of the above. That is, (1) a step of applying a conductive interconnector to the electrically insulating outer peripheral surface of the liquid fuel container and making the wall surface of the anode joint portion porous by a through-hole, and (2) volatilizing the anode catalyst and the electrolyte resin beforehand. A step of forming an electrode by adding a solution dissolved in an organic solvent as a binder, dispersing and pasting a paste into a porous portion of a cut of a liquid fuel storage container to a constant thickness of 10 to 50 μm, (3) A process of masking the anode coating portion and applying a sealing gasket to the cut portion and joining it to the fuel container. (4) Thereafter, the electrolyte solution previously dissolved in the volatile organic solvent is brought into contact with the anode electrode and the cut portion. (5) Next, a solution in which the cathode catalyst and the electrolyte membrane are dissolved in a volatile organic solvent in advance is kneaded as a binder. (6) Furthermore, carbon-based powder and a predetermined amount of water-repellent dispersion material, for example, A unit cell is formed through a process of forming an aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene fine particles in a paste form and applying it to the cut portion so as to be bonded to the surface of the cathode electrode, and forming a diffusion layer. At this time, in the step (4), it is important that the electrolyte membrane portion is larger than the cathode area, and the gasket and the electrolyte membrane are brought into close contact with each other or are adhered by using an adhesive.

得られた単電池のカソード側拡散層部分に、導電性の多孔質材あるいはネットを装着してカソードカレントコレクタとし、隣接する単電池からのインターコネクターと電気的に接続し、直列接続された両端から端子を取出す。カソード側に拡散層を設けることは燃料電池作動時に生成する水のフラッデイングを防止する上で有効な方法である。   A conductive porous material or net is attached to the cathode side diffusion layer portion of the obtained unit cell to form a cathode current collector, which is electrically connected to the interconnector from the adjacent unit cell, and both ends connected in series. Take out the terminal from. Providing a diffusion layer on the cathode side is an effective method for preventing flooding of water generated during fuel cell operation.

また、拡散層を製造するに当たって、撥水性の水性分散材が白金触媒または白金・ルテニウム合金触媒の触媒毒成分となる界面活性剤を含んでいるような場合には、例えば、炭素繊維のような導電性の織布面の片側に、炭素系粉末と所定量の撥水性分散材、例えば、ポリテトラフルオロエチレン微粒子の水性分散液をペースト状にして塗布し、予め、界面活性剤が分解する温度で焼成してから塗布面をカソードに接するように装着し、炭素繊維織布をカソードカレントコレクタとする方法は有効である。   Further, in the production of the diffusion layer, when the water-repellent aqueous dispersion material contains a surfactant which becomes a catalyst poison component of a platinum catalyst or a platinum / ruthenium alloy catalyst, for example, carbon fiber is used. Apply a paste of carbon-based powder and a predetermined amount of water-repellent dispersion material, for example, an aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene fine particles, on one side of the conductive woven fabric surface, and the temperature at which the surfactant decomposes in advance. It is effective to use a carbon fiber woven cloth as a cathode current collector by firing the material and attaching the coated surface so as to be in contact with the cathode.

いずれにしても単電池が支持体表面にアノード,電解質膜,カソード,拡散層の順に重ねられ、アノード/電解質膜,カソード/電解質膜間に十分な反応界面を形成する方法であれば、その製法に特別な制限はない。また、カソードを形成する際にカソード触媒、電解質膜と電解質を予め揮発性有機溶媒に溶解した溶液に所定量の撥水性分散材、例えば、ポリテトラフルオロエチレン微粒子を加えてペースト状にし、これを塗布することによって拡散層を必要としない電池を構成することもできる。   In any case, if the cell is a method in which the anode, the electrolyte membrane, the cathode, and the diffusion layer are stacked in this order on the support surface to form a sufficient reaction interface between the anode / electrolyte membrane and the cathode / electrolyte membrane, the production method thereof There are no special restrictions. Further, when forming the cathode, a predetermined amount of a water-repellent dispersion material, for example, polytetrafluoroethylene fine particles is added to a solution obtained by dissolving the cathode catalyst, the electrolyte membrane and the electrolyte in a volatile organic solvent in advance to form a paste. By applying, a battery that does not require a diffusion layer can be formed.

本発明の趣旨である液体燃料容器を、プラットホームとしてその外周面にアノード,電解質膜,カソードから構成される複数の単電池を作製し、各単電池を導電性のインターコネクタで直列に接続することで高電圧化を図ることがでる。また、燃料や酸化剤を強制供給する補機を用いることなく、燃料電池を強制冷却するための補機を用いることなく運転でき、燃料には体積エネルギー密度の高いメタノール水溶液を液体燃料として用いることによって、長時間の発電を継続できる小型電源を実現することができる。   A liquid fuel container, which is the gist of the present invention, is used as a platform to produce a plurality of unit cells composed of an anode, an electrolyte membrane, and a cathode on the outer peripheral surface, and each unit cell is connected in series with a conductive interconnector. Can increase the voltage. In addition, it can be operated without using an auxiliary device for forcibly cooling the fuel cell without using an auxiliary device that forcibly supplies fuel and oxidant, and a methanol aqueous solution with a high volumetric energy density is used as the liquid fuel. Thus, a small power source capable of continuing power generation for a long time can be realized.

この小型電源を、例えば、携帯電話機、ブックタイプパーソナルコンピュータや携帯用ビデオカメラなどの電源として内蔵して駆動することができ、予め、用意された燃料を逐次補給することによって長時間の連続使用が可能となる。   This small power source can be built in and driven as a power source for a mobile phone, a book type personal computer, a portable video camera, etc., and can be used continuously for a long time by replenishing fuel prepared in advance. It becomes possible.

また、前記の場合よりも燃料補給の頻度を大幅に少なくする目的で、この小型電源を、例えば、二次電池搭載の携帯電話機、ブックタイプパーソナルコンピュータや携帯用ビデオカメラの充電器と結合し、それらの収納ケースの一部に装着することによって、バッテリーチャージャとして用いることは有効である。この場合、携帯用電子機器使用時には収納ケースより取出して二次電池で駆動し、使用しない時にはケースに収納することによって、ケースに内蔵された小型燃料電池発電装置が充電器を介して接続され二次電池を充電する。こうすることによって燃料タンクの容積を大きくでき、燃料補給の頻度は大幅に少なくすることができる。   In addition, for the purpose of significantly reducing the frequency of refueling than in the above case, this small power source is combined with, for example, a mobile phone equipped with a secondary battery, a book type personal computer or a charger for a portable video camera, It is effective to use it as a battery charger by attaching it to a part of those storage cases. In this case, when the portable electronic device is used, it is taken out from the storage case and driven by the secondary battery, and when not used, it is stored in the case so that the small fuel cell power generator built in the case is connected via the charger. Charge the next battery. By doing so, the volume of the fuel tank can be increased, and the frequency of refueling can be greatly reduced.

次に、本発明を実施例に基づき説明する。
〔比較例1〕
図7は、従来の構造に基づくセパレータ構造を示す断面図である。一方の面内構造と縦断面を図7(a)に、他方の面内構造と横断面を図7(b)に示し、電池積層構成を図8に、セルホルダーの構成を図9に、単電池18個を直列で2組積層し、燃料容器を付設して構成された電源システム構造を図10(a)に、そして、積層端の燃料電池と燃料容器との接続を示す断面構造を図10(b)に示す。
Next, this invention is demonstrated based on an Example.
[Comparative Example 1]
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a separator structure based on a conventional structure. One in-plane structure and longitudinal section are shown in FIG. 7 (a), the other in-plane structure and cross section are shown in FIG. 7 (b), the battery stacking configuration is shown in FIG. 8, the cell holder configuration is shown in FIG. FIG. 10 (a) shows a power supply system structure in which two sets of 18 single cells are stacked in series and a fuel container is attached, and a cross-sectional structure showing the connection between the fuel cell and the fuel container at the stacking end. As shown in FIG.

セパレータ81は、16mm幅×33mm長さ×厚さ2.5mmの黒鉛化炭素板を用いた。セパレータ81の底部には10mm幅×4mm長さの内部マニフォルド82が設けられ、図7(a)のセパレータ横断面図で符号84に示すように、1mm幅×0.8mm深さ×23mm長さの溝を1mm間隔で構成しリブ部54を形成して、マニフォルド82とセパレータ81の上面を繋ぐ燃料供給溝を設けた。   As the separator 81, a graphitized carbon plate of 16 mm width × 33 mm length × thickness 2.5 mm was used. An internal manifold 82 having a width of 10 mm × 4 mm is provided at the bottom of the separator 81, and 1 mm width × 0.8 mm depth × 23 mm length as indicated by reference numeral 84 in the separator cross-sectional view of FIG. The ribs 54 are formed at intervals of 1 mm, and a fuel supply groove that connects the manifold 82 and the upper surface of the separator 81 is provided.

一方、図7(b)とセパレータ縦断面図83に示すように、セパレータの他方の面にはこれと直交する方向に1mm幅×1.4mm深さ×16mm長さの溝を1mm間隔で構成したリブ部54を形成してセパレータ81の側面を繋ぐ酸化剤供給溝を設けた。   On the other hand, as shown in FIG. 7B and the separator longitudinal cross-sectional view 83, grooves of 1 mm width × 1.4 mm depth × 16 mm length are formed at intervals of 1 mm on the other surface of the separator in the direction orthogonal thereto. An oxidant supply groove that connects the side surfaces of the separator 81 by forming the rib portion 54 is provided.

アノード層は、炭素担体上に白金/ルテニウムの原子比が1/1の白金/ルテニウム合金微粒子を50wt%分散担持した触媒粉末と、30wt%パーフロロカーボンスルフォン酸(商品名:Nafion117、DuPont社製)電解質を、バインダとして水/アルコール混合溶媒〔水:イソプロパノール:ノルマルプロパノールが20:40:40(重量比)の混合溶媒〕のスラリーを調製し、スクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約20μmの多孔質膜に形成した。   The anode layer comprises a catalyst powder in which 50 wt% of platinum / ruthenium alloy fine particles having a platinum / ruthenium atomic ratio of 1/1 are supported on a carbon support, and 30 wt% perfluorocarbon sulfonic acid (trade name: Nafion 117, manufactured by DuPont). A slurry of a water / alcohol mixed solvent (water: isopropanol: normal propanol 20:40:40 (weight ratio)) was prepared using the electrolyte as a binder, and a thickness of about 20 μm was formed on the polyimide film by screen printing. A porous film was formed.

カソード層は、炭素担体上に30wt%の白金微粒子を担持した触媒粉末と、電解質をバインダとして水/アルコール混合溶媒のスラリーを調製してスクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約25μmの多孔質膜に形成した。こうして調製したアノード多孔質膜およびカソード多孔質膜を、それぞれ10mm幅×20mm長さに切出して、アノード層およびカソード層とした。   The cathode layer is a porous catalyst having a thickness of about 25 μm on a polyimide film prepared by screen printing and preparing a slurry of a water / alcohol mixed solvent using a catalyst powder supporting 30 wt% platinum fine particles on a carbon support and an electrolyte as a binder. Formed into a film. The anode porous membrane and the cathode porous membrane thus prepared were cut into a width of 10 mm and a length of 20 mm, respectively, to obtain an anode layer and a cathode layer.

次に、電解質膜として16mm幅×33mm長さ×50μm厚さのナフィオン117にマニフォルド開孔部86を設けた。   Next, a manifold opening 86 was provided in Nafion 117 having a width of 16 mm × length of 33 mm × thickness of 50 μm as an electrolyte membrane.

アノード層表面に、5重量%のナフィオン117アルコール水溶液〔水:イソプロパノール:ノルマルプロパノールが20:40:40(重量比)の混合溶媒:Fluka Chemika社製〕を約0.5ml浸透させた後、上記の電解質膜の発電部に接合し、約1kgの荷重を加えて80℃,3時間乾燥する。次に、カソード層表面に5重量%の前記ナフィオン117アルコール水溶液を約0.5ml浸透させた後、電解質膜に先に接合したアノード層と重なるように接合し、約1kgの荷重を加えて80℃,3時間乾燥することによって、MEA9を調製した。   After impregnating about 0.5 ml of 5% by weight Nafion 117 aqueous alcohol solution (mixed solvent of water: isopropanol: normal propanol 20:40:40 (weight ratio): Fluka Chemika) on the surface of the anode layer, It is joined to the power generation part of the electrolyte membrane, applied with a load of about 1 kg, and dried at 80 ° C. for 3 hours. Next, about 0.5 ml of 5% by weight of the Nafion 117 alcohol aqueous solution was infiltrated into the surface of the cathode layer, and then joined to the electrolyte membrane so as to overlap with the anode layer previously joined. MEA9 was prepared by drying at 0C for 3 hours.

次いで、セパレータ81と同じサイズで、マニフォルド開孔部86と発電部開孔部85を設けた厚み250μmのポリエチレンテレフタレート製ライナー92と、厚み400μmのネオプレン製ガスケット10を作製した。   Subsequently, a polyethylene terephthalate liner 92 having a thickness of 250 μm and a gasket 10 made of neoprene having a thickness of 400 μm having the same size as the separator 81 and provided with a manifold opening portion 86 and a power generation portion opening portion 85 were produced.

次に、炭素粉末に焼成後の重量で40wt%となるよう撥水剤ポリテトラフロロエチレン微粒子の水性分散液(テフロンデイスパージョンD−1:ダイキン工業製)を添加,混練し、ペースト状になったものを、厚さ約350μm,空隙率87%の炭素繊維織布上の片面に厚さ約20μmとなるように塗布し、室温で乾燥後、270℃,3時間焼成して炭素シートを形成した。得られたシートを前記のMEAの電極サイズと同じ形状に切り出して拡散層11を調製した。   Next, an aqueous dispersion of water repellent polytetrafluoroethylene fine particles (Teflon Dispersion D-1: manufactured by Daikin Industries) is added to the carbon powder so that the weight after firing is 40 wt%, and kneaded to form a paste. The coated product is applied to one side of a carbon fiber woven fabric having a thickness of about 350 μm and a porosity of 87% so that the thickness is about 20 μm, dried at room temperature, and then fired at 270 ° C. for 3 hours to obtain a carbon sheet. Formed. The obtained sheet was cut into the same shape as the electrode size of the MEA to prepare the diffusion layer 11.

次に、セパレータ81の燃料極側溝埋込み部88と、マニフォルド埋込み部87で構成されるパルプ紙製の燃料吸上げ材5を作製した。   Next, the fuel uptake material 5 made of pulp paper composed of the fuel electrode side groove embedded portion 88 of the separator 81 and the manifold embedded portion 87 was produced.

これらの部品を図8に示すようにセパレータ81、液体燃料吸上げ材5、ライナー92、ガスケット10、MEA9、拡散層11、ライナー92、セパレータ81の順序を単位に14層積み上げて、約5kg/cmでプレス加圧し積層電池94とした。該積層電池94を、図9に示す構造の表面をエポキシ系樹脂(フレップ;東レ・チオコール社製)で絶縁化したSUS316製のホルダー105を介して、フッ素系ゴム(バイトン;DuPont社製)の締付けバンド17で図10(a)に示すように締め付けて固定した。燃料容器1は、積層電池装着部103を持ったポリプロピレン製の外形33mm高さ×85mm長さ×65mm幅のサイズで側壁厚さ2mmのものを作製した。 As shown in FIG. 8, 14 parts are stacked in the order of the separator 81, the liquid fuel absorbent material 5, the liner 92, the gasket 10, the MEA 9, the diffusion layer 11, the liner 92, and the separator 81 as shown in FIG. The laminated battery 94 was formed by press-pressing at cm 2 . The laminated battery 94 is made of fluorine-based rubber (Viton; manufactured by DuPont) through a SUS316 holder 105 in which the surface of the structure shown in FIG. 9 is insulated with an epoxy resin (Flep; manufactured by Toray Thiocol). The fastening band 17 was fastened and fixed as shown in FIG. A fuel container 1 having a laminated battery mounting portion 103 and made of polypropylene having a size of 33 mm height × 85 mm length × 65 mm width and a side wall thickness of 2 mm was produced.

図10(b)に示すように、燃料容器1の中央部には図4(a)に示した構造と同様な多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜を、気液分離膜50として装着したガス選択透過機能を持つネジ蓋52付きの通気管51を通気孔15として備え、燃料容器内部には燃料としてメタノール水溶液12が充填されている。作製した2つの積層電池は図10(b)示すような構造で、燃料電池装着部103と結合し、図10(a)に示すような構造の電源を作製した。   As shown in FIG. 10 (b), a gas selective permeation is installed in which a porous polytetrafluoroethylene membrane similar to the structure shown in FIG. A vent pipe 51 with a screw lid 52 having a function is provided as a vent hole 15, and a methanol aqueous solution 12 is filled as a fuel inside the fuel container. The two produced laminated batteries have a structure as shown in FIG. 10B and are combined with the fuel cell mounting portion 103 to produce a power source having a structure as shown in FIG.

上記電源は、概ね33mm高さ×120mm長さ×65mm幅のもので発電部面積が約2cm、容量約150mlの燃料容器を備えている。運転温度50℃で負荷電流0.2Aの時5.7Vの電圧を示し、セパレータの空気極側溝で構成される電源の側壁の開孔部全面に、ファンで送風しながら発電した時の電圧は11.8Vであった。これは電源負荷時には、セパレータの空気極側溝構造では十分な空気の拡散による酸素の供給が不足するためと考えられる。この電源の体積出力密度は、通気ファンを用いないと約4.4W/lで、通気ファンを用いた場合には約9.2W/lであった。 The power source is approximately 33 mm high × 120 mm long × 65 mm wide, and includes a fuel container having a power generation area of about 2 cm 2 and a capacity of about 150 ml. When the operating temperature is 50 ° C and the load current is 0.2A, it shows a voltage of 5.7V, and the voltage when power is generated while blowing with a fan over the entire opening of the side wall of the power source constituted by the air electrode side groove of the separator is 11.8V. This is presumably because the supply of oxygen due to sufficient air diffusion is insufficient in the air electrode side groove structure of the separator when the power source is loaded. The volume output density of this power source was about 4.4 W / l when no ventilation fan was used, and about 9.2 W / l when the ventilation fan was used.

燃料容器に10wt%メタノール水溶液を150ml充填し、送風ファンを使用し、運転温度50℃、負荷電流0.2Aで運転したところ、出力電圧11.8Vで約4.5時間継続した後に、電圧が急速に低下した。従って、10wt%メタノール水溶液燃料を充填した時の体積エネルギー密度は、通気ファンを用いた時に41Wh/lであった。   When 150ml of 10wt% methanol aqueous solution was filled in the fuel container, and the fan was used and operated at an operating temperature of 50 ° C and a load current of 0.2A, the output voltage was 11.8V and continued for about 4.5 hours. It declined rapidly. Therefore, the volumetric energy density when filled with a 10 wt% aqueous methanol fuel was 41 Wh / l when the ventilation fan was used.

この燃料電池発電装置は、積層電池下部のマニフォルドから液体燃料を吸上げ、積層電池上部から燃料の酸化によって発生する炭酸ガスを、排出する構造を採っている。そのために運転時には上下転置や横転すると発電が継続しないと云う問題を有している。
〔実施例1〕
図11に本実施例によるMEAの構造を示す。MEAはアノード層22とカソード層23が電解質膜21の両面に重なるよう電解質樹脂をバインダとして接合して形成される。
This fuel cell power generator employs a structure in which liquid fuel is sucked from a manifold at the lower part of the stacked battery, and carbon dioxide gas generated by oxidation of the fuel is discharged from the upper part of the stacked battery. For this reason, there is a problem that power generation does not continue if it is upside down or overturned during operation.
[Example 1]
FIG. 11 shows the structure of the MEA according to this example. The MEA is formed by joining an electrolyte resin as a binder so that the anode layer 22 and the cathode layer 23 overlap both surfaces of the electrolyte membrane 21.

アノード層は、炭素担体上に白金/ルテニウムが1/1(原子比)の白金/ルテニウム合金微粒子を50wt%分散担持した触媒粉末と、30wt%パーフロロカーボンスルフォン酸(ナフィオン117)電解質を、バインダとして水/アルコール混合溶媒(水:イソプロパノール:ノルマルプロパノールが重量比で20:40:40の混合溶媒)のスラリーを調製し、スクリーン印刷法で厚さ約20μmの多孔質膜に形成した。   The anode layer has a catalyst powder in which 50 wt% of platinum / ruthenium alloy fine particles having a platinum / ruthenium ratio of 1/1 (atomic ratio) are supported on a carbon support and a 30 wt% perfluorocarbon sulfonic acid (Nafion 117) electrolyte as a binder. A slurry of a water / alcohol mixed solvent (a mixed solvent of water: isopropanol: normal propanol at a weight ratio of 20:40:40) was prepared and formed into a porous film having a thickness of about 20 μm by a screen printing method.

カソード層は、炭素担体上に30wt%の白金微粒子を担持した触媒粉末と電解質をバインダとして水/アルコール混合溶媒のスラリーを、スクリーン印刷法で厚さ約25μmの多孔質膜に形成した。   As the cathode layer, a slurry of a water / alcohol mixed solvent was formed by a screen printing method into a porous film having a thickness of about 25 μm using a catalyst powder supporting 30 wt% platinum fine particles on a carbon support and an electrolyte as a binder.

上記のアノード多孔質膜およびカソード多孔質膜を、それぞれ10mm幅×20mm長さに切出してアノード層22およびカソード層23とした。厚さ50μmのナフィオン117電解質膜20mm幅×30mm長さを切出し、アノード層表面に5重量%のナフィオン117アルコール水溶液(水:イソプロパノール:ノルマルプロパノールが重量比で20:40:40の混合溶媒:Fluka Chemika社製)を、約0.5ml浸透させた後、電解質膜中央部に接合し約1kgの荷重を加えて80℃,3時間乾燥する。   The anode porous membrane and the cathode porous membrane were cut into a width of 10 mm and a length of 20 mm, respectively, to obtain an anode layer 22 and a cathode layer 23. A 50 μm thick Nafion 117 electrolyte membrane 20 mm wide × 30 mm long was cut out, and 5% by weight of Nafion 117 alcohol aqueous solution (water: isopropanol: normal propanol 20:40:40 mixed solvent: Fluka in a weight ratio) was formed on the anode layer surface. After infiltrating about 0.5 ml of Chemika), it is bonded to the center of the electrolyte membrane, applied with a load of about 1 kg, and dried at 80 ° C. for 3 hours.

次に、カソード層表面に5重量%のナフィオン117アルコール水溶液(Fluka Chemika社製)を約0.5ml浸透させた後、電解質膜中央部に先に接合したアノード層22と重なるように接合し、約1kgの荷重を加えて80℃,3時間乾燥し、MEAを調製した。   Next, about 0.5 ml of 5% by weight Nafion 117 alcohol aqueous solution (manufactured by Fluka Chemika) was infiltrated into the cathode layer surface, and then joined so as to overlap the anode layer 22 previously joined to the center of the electrolyte membrane, An MEA was prepared by applying a load of about 1 kg and drying at 80 ° C. for 3 hours.

次に、炭素粉末に焼成後の重量で40wt%となるように撥水剤ポリテトラフロロエチレン微粒子の水性分散液(テフロンデイスパージョンD−1:ダイキン工業製)を添加,混練したペーストを、厚さ約350μm,空隙率87%の炭素繊維織布上の片面に厚さ約20μmとなるように塗布し、室温で乾燥後、270℃,3時間焼成して炭素シートを形成した。得られたシートを上記したMEAの電極サイズと同じ形状に切出して拡散層を調製した。(注)テフロン;登録商標
次に、燃料容器外周面に、MEAからなる燃料電池の実装方法を燃料電池発電装置の断面構造を示す図13を用いて説明する。
Next, a paste in which an aqueous dispersion of water repellent polytetrafluoroethylene fine particles (Teflon dispersion D-1: manufactured by Daikin Industries) is added and kneaded to the carbon powder so that the weight after firing is 40 wt%, The carbon sheet was applied to one side of a carbon fiber woven fabric having a thickness of about 350 μm and a porosity of 87% so as to have a thickness of about 20 μm, dried at room temperature, and then fired at 270 ° C. for 3 hours to form a carbon sheet. The obtained sheet was cut into the same shape as the above-mentioned MEA electrode size to prepare a diffusion layer. (Note) Teflon; registered trademark Next, a method for mounting a fuel cell made of MEA on the outer peripheral surface of the fuel container will be described with reference to FIG. 13 showing a cross-sectional structure of the fuel cell power generator.

外形65mm幅×135mm長さ×25mm高さで壁面厚さ2mmの硬質塩化ビニル製燃料容器1の内壁面には厚さ5mm、空隙率85%のガラス繊維マットを燃料吸上げ材5として装着した。   A glass fiber mat having a thickness of 5 mm and a porosity of 85% was mounted as a fuel absorbent material 5 on the inner wall surface of the rigid vinyl chloride fuel container 1 having an outer dimension of 65 mm width × 135 mm length × 25 mm height and a wall thickness of 2 mm. .

燃料容器1の外壁面には、21mm幅×31mm長さ×0.5mm深さの燃料電池装着部2を上下それぞれ18個設けた。各燃料電池装着部2のアノード接触部には1mm幅×10mm長さのスリットを1mm間隔で設け拡散孔3とした。このスリット内には燃料容器内壁面に装着された燃料吸上げ材5と接触するように空隙率85%のガラス繊維マットを充填した。   On the outer wall surface of the fuel container 1, eighteen upper and lower fuel cell mounting portions 2 each having a width of 21 mm × length of 31 mm × depth of 0.5 mm were provided. The anode contact portion of each fuel cell mounting portion 2 was provided with slits having a width of 1 mm × 10 mm at intervals of 1 mm to form diffusion holes 3. The slit was filled with a glass fiber mat having a porosity of 85% so as to come into contact with the fuel wicking material 5 mounted on the inner wall surface of the fuel container.

スリットの外面には、隣接する燃料電池のカソード集電板7と電気的に接続するためのインターコネクタ4を、厚さ約50μmのニッケルの無電解メッキ層を設けた。得られた燃料容器の上下四隅には、図4(a)と同様な構造の気液分離機能を備えた通気孔15を設けた。   On the outer surface of the slit, a nickel electroless plating layer having a thickness of about 50 μm was provided for the interconnector 4 for electrical connection with the cathode current collector plate 7 of the adjacent fuel cell. At the upper and lower corners of the obtained fuel container, vent holes 15 having a gas-liquid separation function having the same structure as that shown in FIG.

次に、燃料電池固定板8は、燃料容器1と同じ硬質塩化ビニル製の厚さ2.0mmの板で、各燃料電池のカソードに接する面には燃料容器の装着部2に設けられたスリットと直交する方向に1.0mm幅×20mm長さのスリットを拡散孔3として設けた。この燃料電池固定板8には、そのスリット部と同様の形状で隣接した燃料電池のインターコネクタ4との接続ができるよう成形したスリット付きニッケル製のカソード集電板7を固定した。   Next, the fuel cell fixing plate 8 is a plate made of hard vinyl chloride having a thickness of 2.0 mm, which is the same as the fuel container 1, and a slit provided in the mounting portion 2 of the fuel container on the surface in contact with the cathode of each fuel cell. A slit having a width of 1.0 mm and a length of 20 mm was provided as the diffusion hole 3 in a direction orthogonal to the diffusing hole 3. The fuel cell fixing plate 8 was fixed with a cathode current collector plate 7 made of nickel with a slit and shaped so as to be connected to the interconnector 4 of the adjacent fuel cell in the same shape as the slit portion.

この燃料容器に前記したMEA9を装着するに当たって、MEA9の両面にシール用ガスケット10を配したものを燃料電池装着部2に配置し、そのカソード側に拡散層11を配して、燃料電池固定板8で燃料容器に各電池を固定した。この時、燃料電池固定板8のカソード側の面に、予め、配置されたカソード集電板7は、カソードと隣接した燃料電池のアノードからのインターコネクタ4とを電気的に接続し、各電池を直列に接続する。各燃料電池を接続した終端部は、燃料電池固定板8と燃料容器の界面から容器外部へ電池端子16として取出される。本実施例による燃料電池発電装置の外観を図12に示す。   In mounting the MEA 9 on the fuel container, a fuel cell mounting plate 2 having a sealing gasket 10 disposed on both sides of the MEA 9 is disposed in the fuel cell mounting portion 2, and a diffusion layer 11 is disposed on the cathode side thereof. In step 8, each battery was fixed to the fuel container. At this time, the cathode current collecting plate 7 arranged in advance on the cathode side surface of the fuel cell fixing plate 8 electrically connects the cathode and the interconnector 4 from the anode of the adjacent fuel cell. Are connected in series. The terminal portion to which each fuel cell is connected is taken out as a battery terminal 16 from the interface between the fuel cell fixing plate 8 and the fuel container to the outside of the container. The external appearance of the fuel cell power generator according to this example is shown in FIG.

通気孔15を有する燃料容器1には、燃料電池固定板8によって上下面36個の単電池13が装着され、出力端子16が設けられている。こうして燃料電池を実装した燃料容器の通気孔15の一つから、10wt%のメタノール水溶液12を燃料として容器内に注入する。この燃料電池は、概略65mm幅×135mm長さ×29mm高さのもので、燃料収納容積は約150mlであった。また、発電装置は発電面積2cm、36直列で構成されている。 The fuel container 1 having the vent hole 15 is provided with 36 unit cells 13 having upper and lower surfaces by the fuel cell fixing plate 8 and provided with an output terminal 16. Thus, a 10 wt% aqueous methanol solution 12 is injected into the container as fuel from one of the vent holes 15 of the fuel container in which the fuel cell is mounted. This fuel cell was approximately 65 mm wide × 135 mm long × 29 mm high, and the fuel storage volume was about 150 ml. In addition, the power generation device is configured with a power generation area of 2 cm 2 and 36 series.

この燃料電池発電装置を温度50℃,負荷電流200mAで運転したところ出力電圧は12.2Vであった。10wt%のメタノール水溶液を充填して負荷電流200mAで運転すると約4.5時間発電を継続することができ、この燃料電池発電装置の出力密度は約9.6W/lで、燃料リッター当たりの体積エネルギー密度は約50Wh/lであった。また、この運転中に発電装置を天地逆転、または、横転した姿勢で運転しても、特に出力電圧の変化は観測されず、燃料容器内の圧力上昇も観測されなかった。   When this fuel cell power generator was operated at a temperature of 50 ° C. and a load current of 200 mA, the output voltage was 12.2V. When it is filled with 10 wt% methanol aqueous solution and operated at a load current of 200 mA, power generation can be continued for about 4.5 hours. The output density of this fuel cell power generation device is about 9.6 W / l, and the volume per fuel liter. The energy density was about 50 Wh / l. In addition, even when the power generator was operated in the upside down or rollover posture during this operation, no change in the output voltage was observed, and no increase in pressure in the fuel container was observed.

このように液体燃料容器外壁面に、複数の燃料電池を装着しインターコネクタで直列接続することによって、セパレータを介して積層することなく12V級の高電圧型の小型燃料電池を実現できる。この時、アノード側を液体燃料吸上げ材で収納容器内とアノードを接触させ、カソードが拡散層を介して外気に曝されることで、燃料送液ポンプやカソードガス用ファンなどの補機を必要としない電源が可能となった。   Thus, by mounting a plurality of fuel cells on the outer wall surface of the liquid fuel container and connecting them in series with an interconnector, a 12V class high voltage type small fuel cell can be realized without stacking via a separator. At this time, the anode side is brought into contact with the inside of the storage container with the liquid fuel suction material, and the cathode is exposed to the outside air through the diffusion layer, so that auxiliary equipment such as a fuel feed pump and a cathode gas fan can be used. An unnecessary power supply has become possible.

特に燃料容器の複数の面に配置された気液分離機能を備えた通気孔の設置によって、燃料電池がいかなる姿勢をとっても正常な発電が可能で、携帯用の発電装置として必須の特性が達成できた。
〔比較例2〕
セパレータを用いた低電圧型小型燃料電池発電装置を図14を用いて説明する。電池の構成材であるセパレータ,吸上げ材,ライナー,ガスケット,MEA,拡散層は比較例1と同じ材料で同サイズのものを用い、同一手順で単電池が4セルになるように積層電池23を作製した。この積層電池を比較例1と同じようにセルホルダー105に挿入し、フッ素系ゴムの締付けバンド17で固定した。
In particular, the installation of air vents with gas-liquid separation functions arranged on multiple surfaces of the fuel container enables normal power generation regardless of the attitude of the fuel cell, achieving essential characteristics as a portable power generator. It was.
[Comparative Example 2]
A low-voltage small fuel cell power generator using a separator will be described with reference to FIG. The battery components, separator, wicking material, liner, gasket, MEA, and diffusion layer are the same material and the same size as in Comparative Example 1, and the laminated battery 23 so that the unit cell becomes 4 cells in the same procedure. Was made. This laminated battery was inserted into the cell holder 105 in the same manner as in Comparative Example 1, and fixed with a fastening band 17 made of fluorine-based rubber.

燃料容器1は、ポリプロピレン製の外形が33mm高さ×16mm長さ×65mm幅のもので側壁厚さ2mmである。図14に示すように、燃料容器1の上面の中央部には図4(a)に示した構造と同様に、多孔質ポリテトラフロロエチレン膜を装着した通気孔15を備えている。   The fuel container 1 has a polypropylene outer shape of 33 mm height × 16 mm length × 65 mm width and a side wall thickness of 2 mm. As shown in FIG. 14, a vent 15 fitted with a porous polytetrafluoroethylene membrane is provided at the center of the upper surface of the fuel container 1 in the same manner as the structure shown in FIG.

作製された積層電池23は、比較例1と同じ構成で燃料容器1と結合して電源を構成した。得られた電源は概ね33mm高さ×82mm長さ×16mm幅で発電部面積が約2cm、容量約20mlの燃料容器1を備えている。 The manufactured laminated battery 23 was combined with the fuel container 1 with the same configuration as that of Comparative Example 1 to constitute a power source. The obtained power source is provided with a fuel container 1 having a height of approximately 33 mm, a length of 82 mm, a width of 16 mm, a power generation area of about 2 cm 2 and a capacity of about 20 ml.

運転温度50℃で負荷電流0.2Aの時0.58Vの電圧を示し、セパレータの空気極側溝で構成される電源の側壁の開孔部全面に、ファンで送風しながら発電した時の電圧は1.26Vであった。これは電源負荷時には、セパレータの空気極側溝構造では、空気の拡散による酸素の供給が不足するためと考えられる。この電源の体積出力密度は通気ファンを用いないと約2.7W/lで、通気ファンを用いた場合には約5.8W/lであった。   When the operating temperature is 50 ° C and the load current is 0.2A, it shows a voltage of 0.58V. The voltage when power is generated while blowing with a fan over the entire opening of the side wall of the power source constituted by the air electrode side groove of the separator is It was 1.26V. This is presumably because the supply of oxygen due to air diffusion is insufficient in the air electrode side groove structure of the separator when the power source is loaded. The volume output density of this power source was about 2.7 W / l without the use of the ventilation fan, and about 5.8 W / l when the ventilation fan was used.

10wt%メタノール水溶液を20ml充填し、送風ファンを用い、運転温度50℃,負荷電流0.2Aで運転した場合の出力電圧は約1.26Vで、約5時間継続した後、電圧が急速に低下した。従って10wt%メタノール水溶液燃料リッター当たりの体積エネルギー密度は、通気ファンを用いた場合、29Wh/lであった。   When 20ml of 10wt% methanol aqueous solution is filled, and a fan is used and the operation temperature is 50 ° C and the load current is 0.2A, the output voltage is about 1.26V and after about 5 hours, the voltage drops rapidly. did. Therefore, the volume energy density per 10 wt% methanol aqueous solution fuel liter was 29 Wh / l when the ventilation fan was used.

この燃料電池発電装置は、積層電池下部のマニホールドから液体燃料を吸上げ、積層電池上部から燃料の酸化によって発生する炭酸ガスを排出する構造となっている。そのために運転時に、上下転置や横転すると発電が継続しないと云う問題がある。
〔実施例2〕
本実施例によるメタノールを燃料とした角柱型で低電圧型の発電装置の断面構造を図15に、燃料電池の実装方法の概略を図16に示す。MEAの調製法は実施例1とほぼ同じ方法で行った。30mm幅×50mm長さのポリイミドフィルム上に、炭素担体上に白金/ルテニウムが1/1(原子比)の白金/ルテニウム合金微粒子を50wt%分散担持した触媒粉末と、30wt%パーフロロカーボンスルフォン酸(ナフィオン117)電解質をバインダとし、水/アルコール混合溶媒(水:イソプロパノール:ノルマルプロパノールが重量比で20:40:40の混合溶媒)からなるスラリーを、スクリーン印刷法で厚さ約20μmの多孔質膜に形成し、これを90℃,3時間乾燥してアノード多孔質層とした。
This fuel cell power generator has a structure in which liquid fuel is sucked from a manifold at the lower part of the stacked battery, and carbon dioxide gas generated by oxidation of the fuel is discharged from the upper part of the stacked battery. For this reason, there is a problem that power generation does not continue if the vehicle is upside down or overturned during operation.
[Example 2]
FIG. 15 shows a cross-sectional structure of a prismatic and low-voltage power generator using methanol as fuel according to the present embodiment, and FIG. 16 shows an outline of a fuel cell mounting method. The MEA was prepared in substantially the same manner as in Example 1. A catalyst powder in which 50 wt% of platinum / ruthenium alloy fine particles of platinum / ruthenium 1/1 (atomic ratio) are supported on a carbon support on a polyimide film having a width of 30 mm × 50 mm, and 30 wt% perfluorocarbon sulfonic acid ( Nafion 117) A porous film having a thickness of about 20 μm by screen printing using a slurry made of a water / alcohol mixed solvent (water: isopropanol: normal propanol in a weight ratio of 20:40:40) using an electrolyte as a binder. And dried at 90 ° C. for 3 hours to form an anode porous layer.

カソード多孔質層には、炭素担体上に30wt%の白金微粒子を担持した触媒粉末と、電解質をバインダとして水/アルコール混合溶媒のスラリーを調製し、スクリーン印刷法で30mm幅×50mm長さのポリイミドフィルム上に厚さ約25μmに形成後、90℃,3時間乾燥した。   For the cathode porous layer, a catalyst powder having 30 wt% platinum fine particles supported on a carbon support and a slurry of a water / alcohol mixed solvent using an electrolyte as a binder are prepared, and a polyimide of 30 mm width × 50 mm length is prepared by screen printing. The film was formed to a thickness of about 25 μm on the film and then dried at 90 ° C. for 3 hours.

上記のアノード多孔質膜およびカソード多孔質膜をそれぞれ10×10mmサイズに切出してアノード層およびカソード層とした。電解質には790g/eqで28mm幅×56mm長さ×厚さ50μmのスルフォン酸化ポリエーテルエーテルスルフォン膜を用いた。   The anode porous membrane and the cathode porous membrane were cut into a size of 10 × 10 mm, respectively, to obtain an anode layer and a cathode layer. As the electrolyte, a sulfonated polyether ether sulfone film of 790 g / eq and 28 mm wide × 56 mm long × 50 μm thick was used.

初めに、アノード層8枚の各表面に5重量%のナフィオン117アルコール水溶液(Fluka Chemika社製)を約0.5ml浸透させ、これを電解質膜の一方の面に均等に配置し、各電極を約1kgの荷重を加えて80℃,3時間乾燥する。   First, about 0.5 ml of 5 wt% Nafion 117 alcohol aqueous solution (manufactured by Fluka Chemika) was infiltrated into each surface of the eight anode layers, and this was evenly arranged on one surface of the electrolyte membrane, and each electrode was Apply a load of about 1 kg and dry at 80 ° C. for 3 hours.

次に、カソード層表面に5重量%のナフィオン117アルコール水溶液を、約0.5ml浸透させた後、上記アノードを接合した電解質膜の反対側の面にアノード層と重なるように配置し、各電池に約1kgの荷重を加えて80℃,3時間乾燥してMEAを調製した。   Next, about 0.5 ml of 5% by weight Nafion 117 alcohol aqueous solution was infiltrated into the cathode layer surface, and then placed on the opposite surface of the electrolyte membrane to which the anode was joined so as to overlap the anode layer. A MEA was prepared by applying a load of about 1 kg and drying at 80 ° C. for 3 hours.

燃料容器1は、図16に示すように外形が22mm幅×79mm長さ×23mm高さで2mm壁厚の硬質塩化ビニル製のものを用いた。断面構造は、図15に示すように燃料容器1の上下の面には、16mm幅×16mm長さ×0.5mm深さの燃料電池装着部2をそれぞれ4面設けた。燃料電池装着部2の中央部の10mm幅×10mm長さの部分に、1mm幅×10mm長さの燃料容器1内部と貫通するスリットを拡散孔3として設けた。   As shown in FIG. 16, the fuel container 1 is made of hard vinyl chloride having an outer shape of 22 mm width × 79 mm length × 23 mm height and 2 mm wall thickness. As for the cross-sectional structure, as shown in FIG. 15, four fuel cell mounting portions 2 each having 16 mm width × 16 mm length × 0.5 mm depth are provided on the upper and lower surfaces of the fuel container 1. A slit that penetrates the inside of the fuel container 1 having a length of 1 mm width × 10 mm was provided as a diffusion hole 3 in a 10 mm width × 10 mm length portion of the central portion of the fuel cell mounting portion 2.

この装着部2の外面にアノード側インターコネクタ4として、隣接する燃料電池と電気的接続をするために、厚さ0.1mmのニッケル層を無電解メッキ法で形成した。燃料容器1の内壁には厚さ1mmで空隙率約70%のガラス繊維マットを貼り付けて燃料吸上げ材5とし、さらにその内部を空隙率が約85%程度になるようガラス繊維を充填した低密度燃料を保持する保持層18を設けた。燃料容器1の上下面隅部には、図4(a)に示した構造の内径2mmの通気孔15を8個設けた。   A nickel layer having a thickness of 0.1 mm was formed on the outer surface of the mounting portion 2 as an anode-side interconnector 4 by an electroless plating method so as to be electrically connected to an adjacent fuel cell. A glass fiber mat having a thickness of 1 mm and a porosity of about 70% is attached to the inner wall of the fuel container 1 to form a fuel wicking material 5, and the inside is filled with glass fibers so that the porosity is about 85%. A holding layer 18 for holding a low density fuel was provided. Eight vent holes 15 having an inner diameter of 2 mm having the structure shown in FIG.

燃料電池押さえ板となる燃料電池固定板8は、図16に示すように22mm幅×79mm長さ×1mm厚さの硬質塩化ビニルを用いて、各燃料電池のカソードと接する面に、燃料容器1の燃料電池装着部2のスリットとは直交する方向に1mm幅×10mm長さのスリットを設け、その4隅には通気孔装着孔19を設けた。   As shown in FIG. 16, the fuel cell fixing plate 8 serving as the fuel cell holding plate is made of hard vinyl chloride of 22 mm width × 79 mm length × 1 mm thickness, and the fuel container 1 is placed on the surface in contact with the cathode of each fuel cell. 1 mm wide × 10 mm long slits were provided in the direction perpendicular to the slits of the fuel cell mounting portion 2, and vent hole mounting holes 19 were provided at the four corners.

隣接する燃料電池アノード側のインターコネクタと接続するためのニッケル製0.2mm厚さのスリット付きカソード集電板7を、燃料電池固定板8に取り付けた。   A cathode current collector plate 7 having a thickness of 0.2 mm made of nickel and connected to an adjacent interconnector on the anode side of the fuel cell was attached to the fuel cell fixing plate 8.

本燃料電池は図16に示すように、ネオプレンゴム製のアノード側のガスケット10、MEA9、カソード側拡散層11、ネオプレンゴム製のカソード側のガスケット10、燃料電池固定板8の順で積層し、該固定板の外周部をネジ止めによって燃料容器1に固定した。   As shown in FIG. 16, the fuel cell is laminated in the order of a neoprene rubber anode side gasket 10, MEA 9, cathode side diffusion layer 11, neoprene rubber cathode side gasket 10, and fuel cell fixing plate 8. The outer periphery of the fixing plate was fixed to the fuel container 1 by screwing.

燃料容器1の上下に装着されたアノード側端子6およびカソード側端子6を、それぞれ並列に接続して出力端子16とした。得られた燃料電池発電装置の外形は22mm幅×79mm長さ×27mm高さで、発電面積が1cmの4直列×2並列燃料電池で構成されている。 The anode side terminal 6 and the cathode side terminal 6 mounted on the upper and lower sides of the fuel container 1 were respectively connected in parallel to form an output terminal 16. The outer shape of the obtained fuel cell power generator is 22 mm wide × 79 mm long × 27 mm high, and is composed of 4 series × 2 parallel fuel cells with a power generation area of 1 cm 2 .

燃料容器1の容積は概略20mlで、この燃料容器に通気孔15を介して10%メタノール水溶液を充填し、運転温度50℃で運転したところ、負荷電流200mAで1.3Vの出力電圧が得られた。また、燃料容器に20mlの10%メタノール水溶液を充填して負荷電流200mAで連続発電したところ、1.3Vの出力で約5時間の安定した電圧が得られた。この電池の出力密度は約5.5W/lで燃料リッター当たりの体積エネルギー密度は約28Wh/lであった。この運転中に発電装置を天地逆転、または、横転した姿勢で運転しても出力電圧の変化は観測されず、燃料容器内の圧力上昇も観測されなかった。   The volume of the fuel container 1 is approximately 20 ml. When this fuel container is filled with a 10% methanol aqueous solution through the vent hole 15 and operated at an operating temperature of 50 ° C., an output voltage of 1.3 V is obtained at a load current of 200 mA. It was. When a fuel container was filled with 20 ml of 10% methanol aqueous solution and continuously generated with a load current of 200 mA, a stable voltage of about 5 hours was obtained at an output of 1.3 V. The power density of this cell was about 5.5 W / l and the volumetric energy density per fuel liter was about 28 Wh / l. During this operation, no change in output voltage was observed and no increase in pressure in the fuel container was observed even when the power generator was operated in an upside-down or sideways position.

このように液体燃料容器の1つの外壁面に、複数の燃料電池を装着しインターコネクタで直列接続し、複数の面に装着された直列電池群を並列にすることによって、セパレータを介して積層することなく1.3V級の小型燃料電池を実現できる。この時、アノード側を液体燃料吸上げ材で収納容器内とアノードを接触させ、カソードが拡散層を介して外気に曝されることで、燃料送液ポンプやカソードガス用ファンなどの補機を必要としない電源が得られた。   In this way, a plurality of fuel cells are mounted on one outer wall surface of the liquid fuel container, connected in series with an interconnector, and the series cells mounted on the plurality of surfaces are arranged in parallel to be stacked via a separator. A 1.3V class small fuel cell can be realized without any problems. At this time, the anode side is brought into contact with the inside of the storage container with the liquid fuel suction material, and the cathode is exposed to the outside air through the diffusion layer, so that auxiliary equipment such as a fuel feed pump and a cathode gas fan can be used. An unnecessary power source was obtained.

さらに、燃料容器内を低密度の燃料吸上げ材で充填することにより運転中に液体燃料の揺れを緩和することができた。特に、燃料容器の複数の面に配置された気液分離機能を備えた通気孔の設置により、燃料電池がいかなる姿勢をとっても正常な発電が可能で、携帯用の発電装置として必須の特性を達成することができた。
〔実施例3〕
本実施例では、エポキシ系樹脂を被覆した金属製燃料容器をプラットホームとする燃料電池について述べる。
Furthermore, by filling the fuel container with a low-density fuel suction material, it was possible to alleviate the shaking of the liquid fuel during operation. In particular, the installation of air vents equipped with gas-liquid separation functions arranged on multiple surfaces of the fuel container enables normal power generation regardless of the orientation of the fuel cell, achieving essential characteristics as a portable power generator. We were able to.
Example 3
In this embodiment, a fuel cell using a metal fuel container coated with an epoxy resin as a platform will be described.

MEAおよびカソード側拡散層は、実施例2と同様に作製した。燃料容器1は図17に示すように外形が22mm幅×79mm長さ×23mm高さで、厚さ0.3mmのSUS304製の燃料容器を作製した。容器はフレームとプレス加工された16mm幅×16mm長さ×0.5mm深さで4面の燃料電池装着部2を有する上下の蓋から構成されている。   The MEA and cathode side diffusion layer were produced in the same manner as in Example 2. As shown in FIG. 17, a fuel container made of SUS304 having an outer shape of 22 mm wide × 79 mm long × 23 mm high and 0.3 mm thick was prepared. The container is composed of a frame and press-processed upper and lower lids having 16 mm width × 16 mm length × 0.5 mm depth and four fuel cell mounting portions 2.

燃料電池装着部2の中央には、10mm幅×10mm長さの部分に0.5mm幅×10mm長さのスリットが打抜き加工により拡散孔3として設けている。上下の蓋のコーナ部には、気液分離膜を用いないSUS304製の内径1mmの通気孔15を設けた。これらの部材を用いて、内部に空隙率が約80%のガラス繊維マットを燃料吸上げ材5として充填した後、溶接封止して燃料容器1とした。   In the center of the fuel cell mounting portion 2, a slit of 0.5 mm width × 10 mm length is provided as a diffusion hole 3 by punching at a portion of 10 mm width × 10 mm length. A vent 15 having an inner diameter of 1 mm made of SUS304 and not using a gas-liquid separation membrane was provided at the corners of the upper and lower lids. Using these members, a glass fiber mat having a porosity of about 80% was filled as the fuel absorbent material 5 and then sealed by welding to form the fuel container 1.

燃料容器1の外表面は、液状エポキシ系樹脂塗料(フレップ:東レ・チオコール社製)を厚さ0.1mmに塗布し、熱硬化して絶縁層20を形成した。燃料電池装着部2の表面には、実施例2と同様の形状にアノード側インターコネクタ4としてニッケルを無電解メッキした。   On the outer surface of the fuel container 1, a liquid epoxy resin coating (Flep: manufactured by Toray Thiocor Co.) was applied to a thickness of 0.1 mm and thermally cured to form an insulating layer 20. The surface of the fuel cell mounting part 2 was electrolessly plated with nickel as the anode-side interconnector 4 in the same shape as in Example 2.

燃料電池固定板には、実施例2と同様に、22mm幅×79mm長さ×1mm厚さの硬質塩化ビニルを用いて、各燃料電池のカソードと接する面に燃料電池装着部2のスリットと直交する方向に1mm幅×10mm長さのスリットを設け、その四隅には通気孔15を設けた。このスリットを用いて隣接する燃料電池アノード側のインターコネクタ4と接続するための厚さ0.2mmのスリット付きニッケル製のカソード集電板7を取付けた。   As in the second embodiment, 22 mm wide × 79 mm long × 1 mm thick hard vinyl chloride is used for the fuel cell fixing plate, and the surface in contact with the cathode of each fuel cell is orthogonal to the slit of the fuel cell mounting portion 2. A slit of 1 mm width × 10 mm length was provided in the direction to be formed, and vent holes 15 were provided at the four corners. Using this slit, a nickel cathode current collector plate 7 with a slit having a thickness of 0.2 mm to be connected to the interconnector 4 on the adjacent fuel cell anode side was attached.

本燃料電池は、実施例2と同じくフッ素系ゴムのアノード側ガスケット、MEA、フッ素系ゴムのカソード側ガスケット、カソード側拡散層、燃料電池固定板の順で積層し、該固定板の外周部を厚さ100μmのスリット付きの熱収縮性樹脂チューブによって締付け燃料容器に固定した。燃料容器の上下に装着されたアノード側端子およびカソード側端子をそれぞれ直列に接続して出力端子とした。   As in Example 2, this fuel cell was formed by laminating a fluorine rubber anode side gasket, MEA, a fluorine rubber cathode side gasket, a cathode diffusion layer, and a fuel cell fixing plate in this order. The heat-shrinkable resin tube with a slit having a thickness of 100 μm was fixed to the tightening fuel container. An anode side terminal and a cathode side terminal mounted on the upper and lower sides of the fuel container were respectively connected in series to form an output terminal.

得られた燃料電池発電装置の外形は約22mm幅×79mm長さ×27mm高さで、発電面積が1cmの8直列の燃料電池で構成されている。燃料容器の容積は概略38mlであった。この燃料容器の通気孔を介して10%メタノール水溶液を燃料としてシリンジで充填し、運転温度50℃で運転したところ負荷電流100mAで出力電圧2.6Vが得られた。 The outer shape of the obtained fuel cell power generator is composed of 8 series fuel cells having a width of about 22 mm × 79 mm length × 27 mm height and a power generation area of 1 cm 2 . The volume of the fuel container was approximately 38 ml. A 10% methanol aqueous solution was filled with a syringe as a fuel through the vent of the fuel container and operated at an operating temperature of 50 ° C., and an output voltage of 2.6 V was obtained at a load current of 100 mA.

また、燃料容器に約37mlの10%メタノール水溶液を充填して負荷電流100mAで連続的に発電したところ、2.6Vの出力で約4時間安定した電圧が得られた。この時の燃料電池発電装置の出力密度は約5.5W/lであり、燃料リッター当たりの体積エネルギー密度は約22Wh/lであった。この燃料電池は、天地逆転、または、横転した姿勢で運転しても、出力電圧の変化は観測されず、液体燃料の漏れもなく、燃料容器内の圧力上昇も観測されなかった。   When a fuel container was filled with about 37 ml of 10% methanol aqueous solution and power was continuously generated at a load current of 100 mA, a stable voltage was obtained at an output of 2.6 V for about 4 hours. At this time, the output density of the fuel cell power generator was about 5.5 W / l, and the volumetric energy density per fuel liter was about 22 Wh / l. Even when the fuel cell was operated in an upside-down or sideways position, no change in output voltage was observed, no liquid fuel leaked, and no pressure increase in the fuel container was observed.

このように液体燃料容器の1つの外壁面に、複数の燃料電池を装着しインターコネクタで直列接続し、複数の面に装着された直列電池群を並列にすることによって、セパレータを介して積層することなく2.6V級の小型燃料電池を実現できる。この時アノード側を液体燃料吸上げ材で収納容器内とアノードを接触させ、カソードが拡散層を介して外気に曝されることで、燃料送液ポンプやカソードガス用ファンなどの補機を必要としない電源が可能となった。   In this way, a plurality of fuel cells are mounted on one outer wall surface of the liquid fuel container, connected in series with an interconnector, and the series cells mounted on the plurality of surfaces are arranged in parallel to be stacked via a separator. Thus, a 2.6V class small fuel cell can be realized. At this time, the anode side is contacted with the anode by the liquid fuel suction material, and the cathode is exposed to the outside air through the diffusion layer, so auxiliary equipment such as a fuel feed pump and a cathode gas fan is required. The power supply that does not.

本実施例では、燃料容器を金属材料で構成し、その表面を絶縁処理しているために容積を大きくできると云う特徴を有する。また、燃料容器内を比較的高密度の燃料吸上げ材で充填することにより、気液分離機能を持たない小さな開放孔を設けるのみで液体燃料の漏れを防止でき、運転中どのような姿勢をとっても安定な発電が可能であった。また、該発電装置の生産において、熱収縮性樹脂チューブを用いて各燃料電池を容易に固定することが可能になった。
〔実施例4〕
エポキシ系樹脂を被覆した金属製燃料容器をプラットホームとする角筒型メタノール燃料電池発電装置について記述する。
The present embodiment has a feature that the volume can be increased because the fuel container is made of a metal material and the surface thereof is insulated. Also, by filling the fuel container with a relatively high-density fuel suction material, it is possible to prevent leakage of liquid fuel simply by providing a small open hole that does not have a gas-liquid separation function. Very stable power generation was possible. Further, in the production of the power generation device, each fuel cell can be easily fixed using a heat-shrinkable resin tube.
Example 4
A rectangular tube type methanol fuel cell power generation apparatus using a metal fuel container coated with an epoxy resin as a platform will be described.

MEAは電極外形が20mm幅×25mm長さで外形が24mm幅×29mm長さの形状に実施例2と同様にして製作した。また、カソード拡散層は20mm幅×25mm長さの形状で実施例2と同様に作製した。   The MEA was manufactured in the same manner as in Example 2 so that the outer shape of the electrode was 20 mm wide × 25 mm long and the outer shape was 24 mm wide × 29 mm long. The cathode diffusion layer was produced in the same manner as in Example 2 with a shape of 20 mm width × 25 mm length.

燃料容器の外形は、一遍が28mm,高さが190mm,壁厚0.3mmの六角形の筒で、各面には24mm幅×29mm長さ×0.5mm深さの燃料電池装着部をプレス加工し、六角形の上下蓋で構成されている。   The outer shape of the fuel container is a hexagonal cylinder with a uniform 28mm, height of 190mm, and wall thickness of 0.3mm, and each surface is pressed with a fuel cell mounting part 24mm wide x 29mm long x 0.5mm deep Processed and composed of hexagonal upper and lower lids.

燃料電池装着部の中心の20mm幅×25mm長さの部分に0.5mm幅×25mm長さのスリットを0.5mm間隔に打抜き加工した。上下の蓋は、その周辺部に各6個の図4に示すものと同様な気液分離機能を備えた内径2mmの通気孔を設けた。六各筒内壁部に厚さ5mmで空隙率約85%のガラス繊維マットを装着後、上下の蓋部を溶接で封止した。また、燃料容器の外表面は液状エポキシ系樹脂塗料(フレップ:東レ・チオコール社製)を厚さ0.1mm塗布後、熱硬化し、実施例2と同様の形状にアノード側インターコネクタとしてニッケルを無電解メッキした。   A slit of 0.5 mm width × 25 mm length was punched at 0.5 mm intervals in a 20 mm width × 25 mm length portion at the center of the fuel cell mounting portion. The upper and lower lids were each provided with six vent holes with an inner diameter of 2 mm provided with six gas-liquid separation functions similar to those shown in FIG. (6) A glass fiber mat having a thickness of 5 mm and a porosity of about 85% was attached to the inner wall of each cylinder, and the upper and lower lids were sealed by welding. The outer surface of the fuel container is coated with a liquid epoxy resin paint (Flep: Toray Thiocor Co., Ltd.) with a thickness of 0.1 mm, then thermally cured, and nickel is used as an anode-side interconnector in the same shape as in Example 2. Electroless plating.

燃料電池押さえ板となる燃料電池固定板8は、実施例2と同様に28mm幅×190mm長さ×1mm厚さの硬質塩化ビニルを用いて、各燃料電池のカソードと接する面に、燃料容器切込み部のスリットと直交する方向に0.5mm幅×20mm長さのスリットを0.5mm間隔で設けた。このスリットを用いて隣接する燃料電池アノード側のインターコネクタと接続するため、厚さ0.2mmのスリット付きニッケル製カソード集電板を取付けた。   The fuel cell fixing plate 8 serving as the fuel cell holding plate is made of hard vinyl chloride of 28 mm width × 190 mm length × 1 mm thickness as in the second embodiment, and the fuel container is cut into the surface in contact with the cathode of each fuel cell. Slits of 0.5 mm width × 20 mm length were provided at intervals of 0.5 mm in a direction perpendicular to the slits of the part. In order to connect the adjacent fuel cell anode-side interconnector using this slit, a 0.2 mm thick nickel cathode current collector plate with a slit was attached.

本燃料電池は、実施例2と同様にフッ素系ゴムのアノード側ガスケット、MEA,フッ素系ゴムのカソード側ガスケット、カソード側拡散層、燃料電池固定板の順で積層して、燃料電池固定板の外周部を厚さ100μmのスリット付きの熱収縮製樹脂チューブにより締付けて燃料容器に固定した。得られた燃料電池発電装置を図18に示す。   In the same manner as in Example 2, the fuel cell was laminated in the order of a fluorine rubber anode gasket, MEA, a fluorine rubber cathode gasket, a cathode diffusion layer, and a fuel cell fixing plate in order. The outer peripheral part was fastened with a heat-shrinkable resin tube with a slit having a thickness of 100 μm and fixed to the fuel container. The obtained fuel cell power generator is shown in FIG.

通気孔15を上下にそれぞれ6個有する六角柱の燃料容器1の外壁には36個の単電池13が装着され、それぞれ直列に接続され、出力端子16を燃料容器1の外部に取出した。得られた燃料電池発電装置の外形は、一遍が約28mmの六角柱で高さ約190mm、発電面積が5cmの36直列の直流発電装置である。燃料容器の内容積は概略300mlであった。 36 unit cells 13 were mounted on the outer wall of the hexagonal cylinder fuel container 1 having six vent holes 15 at the top and bottom, respectively connected in series, and the output terminal 16 was taken out of the fuel container 1. The outer shape of the obtained fuel cell power generator is a 36 series DC power generator having a hexagonal column of about 28 mm, a height of about 190 mm, and a power generation area of 5 cm 2 . The internal volume of the fuel container was approximately 300 ml.

燃料容器に約300mlの10%メタノール水溶液を充填し、負荷電流500mAで連続発電したところ、12.1Vの出力で約4時間安定した電圧が得られた。この時の出力密度は約15W/lであり、燃料リッッター当たりの体積エネルギー密度は60Wh/lであった。この燃料電池は天地逆転、または、横転した姿勢で運転しても出力電圧の変化は観測されず、液体燃料の漏れもなく、燃料容器内の圧力上昇も観測されなかった。   When a fuel container was filled with about 300 ml of 10% methanol aqueous solution and continuously generated with a load current of 500 mA, a stable voltage was obtained at an output of 12.1 V for about 4 hours. The power density at this time was about 15 W / l, and the volumetric energy density per fuel liter was 60 Wh / l. Even when the fuel cell was operated in the upside down or sideways position, no change in output voltage was observed, no liquid fuel leaked, and no pressure increase in the fuel container was observed.

このように液体燃料容器の1つの外壁面に複数の燃料電池を装着しインターコネクタで直列接続し、複数の面に装着された直列電池群を並列にすることによって、セパレータを介し積層することなく12V級の小型燃料電池を実現できる。この時アノード側を液体燃料吸上げ材で収納容器内とアノードを接触させ、カソードが拡散層を介して外気に曝されることで、燃料送液ポンプやカソードガス用ファンなどの補機を必要としない電源が可能となった。   In this way, a plurality of fuel cells are mounted on one outer wall surface of the liquid fuel container and connected in series with an interconnector, and the series cells mounted on the plurality of surfaces are arranged in parallel without stacking via separators. A 12V class small fuel cell can be realized. At this time, the anode side is contacted with the anode by the liquid fuel suction material, and the cathode is exposed to the outside air through the diffusion layer, so auxiliary equipment such as a fuel feed pump and a cathode gas fan is required. The power supply that does not.

本実施例では、発電面積を比較的大きくとり出力を上げた点が特徴で、運転中にいかなる姿勢をとっても安定な発電が可能となる。また、発電装置生産に当たり、熱収縮性樹脂チューブを用いて各燃料電池を容易に固定することが可能になった。
〔実施例5〕
角型で高出力型のメタノール水溶液を燃料とする発電装置について説明する。アノード層は炭素担体上に白金/ルテニウムが1/1(原子比)の白金/ルテニウム合金微粒子を50wt%分散担持した触媒粉末と,30wt%パーフロロカーボンスルフォン酸(ナフィオン117)電解質をバインダとし、水/アルコール混合溶媒(水:イソプロパノール:ノルマルプロパノールが重量比で20:40:40の混合溶媒)からなるスラリーを、スクリーン印刷法で厚さ約20μmの多孔質膜に形成した。
This embodiment is characterized in that the power generation area is relatively large and the output is increased, and stable power generation is possible regardless of the posture during operation. Further, in the production of power generation devices, it has become possible to easily fix each fuel cell using a heat-shrinkable resin tube.
Example 5
A power generation apparatus using a square and high-power methanol aqueous solution as a fuel will be described. The anode layer is composed of a catalyst powder in which 50 wt% of platinum / ruthenium alloy fine particles having a platinum / ruthenium ratio of 1/1 (atomic ratio) are supported on a carbon support, and a 30 wt% perfluorocarbon sulfonic acid (Nafion 117) electrolyte as a binder. / A slurry composed of a mixed solvent of alcohol (a mixed solvent of water: isopropanol: normal propanol at a weight ratio of 20:40:40) was formed into a porous film having a thickness of about 20 μm by a screen printing method.

カソード層は、炭素担体上に50wt%の白金微粒子を担持した触媒粉末と、乾燥時重量が25wt%となるようポリテトラフロロエチレン水性分散液をバインダとしたスラリーを、ロール法で厚さ約25μmの多孔質膜に形成した。このカソード層を290℃、1時間空気中で焼成し、水性分散液中の界面活性剤を分解した。上記のアノード多孔質膜およびカソード多孔質膜を、それぞれ16mm幅×56mm長さのサイズに切出しアノードおよびカソードとした。   The cathode layer is formed by rolling a slurry using a catalyst powder supporting 50 wt% platinum fine particles on a carbon support and a polytetrafluoroethylene aqueous dispersion as a binder so that the weight when dried is 25 wt%. The porous film was formed. This cathode layer was baked in air at 290 ° C. for 1 hour to decompose the surfactant in the aqueous dispersion. The anode porous membrane and the cathode porous membrane were cut into a size of 16 mm width × 56 mm length, respectively, and used as an anode and a cathode.

次に、厚さ50μmのナフィオン117電解質膜を120mm幅×180mm長さに切出し、アノード層表面に5重量%のナフィオン117アルコール水溶液(Fluka Chemika社製)を約0.5ml浸透させた後、接合し約1kgの荷重を加えて80℃で3時間乾燥する。次に、カソード層表面に10重量%のナフィオン117アルコール水溶液(Fluka Chemika社製)を乾燥時カソードの重量換算で25wt%となるように浸透させた後、電解質膜中央部に、先に接合したアノード層と重なるように接合し、約1kgの荷重を加えて80℃,3時間乾燥することによってMEAを作製した。   Next, a Nafion 117 electrolyte membrane having a thickness of 50 μm was cut out to 120 mm width × 180 mm length, and about 0.5 ml of 5 wt% Nafion 117 alcohol aqueous solution (manufactured by Fluka Chemika) was infiltrated into the anode layer surface. Then, apply a load of about 1 kg and dry at 80 ° C. for 3 hours. Next, a 10% by weight Nafion 117 alcohol aqueous solution (manufactured by Fluka Chemika Co., Ltd.) was infiltrated into the cathode layer surface so as to be 25 wt% in terms of the weight of the cathode when dried, and then joined to the center of the electrolyte membrane first. It joined so that it might overlap with an anode layer, MEA was produced by applying about 1 kg load and drying at 80 degreeC for 3 hours.

燃料容器は外形が28mm幅×128mm長さ×24mm高さで、接着剤で貼合せ加工した壁厚2mmの硬質塩化ビニル製の容器である。この六面体容器の外壁には、16mm幅×56mm長さ×0.1mm深さの燃料電池装着用の切込み部を実施例2と同様にして18個設けた。   The fuel container is a container made of hard vinyl chloride having an outer shape of 28 mm wide × 128 mm long × 24 mm high and having a wall thickness of 2 mm bonded with an adhesive. In the outer wall of this hexahedron container, 18 incisions for mounting a fuel cell having a width of 16 mm × a length of 56 mm × a depth of 0.1 mm were provided in the same manner as in Example 2.

燃料電池装着部の中心16mm幅×56mm長さの部分に0.5mm幅×16mm長さのスリットを0.5mm間隔に設けた。燃料容器の最大面積を持つ2面の四隅には、図4(a)と同様な気液分離機能を備えた内径2mmの通気孔を8個設けた。   Slits of 0.5 mm width × 16 mm length were provided at intervals of 0.5 mm at the center 16 mm width × 56 mm length portion of the fuel cell mounting portion. Eight vent holes with an inner diameter of 2 mm having the same gas-liquid separation function as those in FIG. 4A were provided at the four corners of the two surfaces having the largest area of the fuel container.

燃料電池装着用切込み部には、実施例2と同様な方法で隣接する燃料電池と電気的に直列接続するためのアノード側インターコネクタとして、ニッケルの無電解メッキ膜の厚さ50μmのメタライジング層を形成した。燃料電池固定板も実施例2と同様に燃料容器各外壁面に合わせたサイズで、カソードと接触する部分には、燃料容器に設けたスリットと直交する0.5mm幅×56mm長さのスリットを0.5mm間隔で設けた。   A metalizing layer having a thickness of 50 μm of an electroless plating film of nickel is used as an anode-side interconnector for electrically connecting in series with an adjacent fuel cell in the same manner as in the second embodiment. Formed. The fuel cell fixing plate is also sized to match each outer wall surface of the fuel container in the same manner as in Example 2, and a 0.5 mm width × 56 mm length slit perpendicular to the slit provided in the fuel container is formed in the portion in contact with the cathode. They were provided at intervals of 0.5 mm.

さらに、燃料電池固定板には、スリット付きのカソード集電板を取り付けた。燃料容器外壁に装着された18個の燃料電池は、アノード側インターコネクタと隣接するカソード集電板によって、直列に接続された出力端子を取出した。   Further, a cathode current collector plate with a slit was attached to the fuel cell fixing plate. Eighteen fuel cells mounted on the outer wall of the fuel container took out output terminals connected in series by the cathode current collector plate adjacent to the anode-side interconnector.

こうして得られた各部材をアノード側ガスケット、MEAの順で積層し、燃料電池固定板の各燃料電池外周部および燃料容器外周部を接着剤で接合した。得られた燃料電池発電装置は図19に示すように外形が概ね28mm幅×128mm長さ×28mm高さで、燃料容器1の壁面に発電面積が概ね9cmの18直列の単電池13が装着され、出力端子16と上下面に8個の気液分離機能を備えた通気孔5を有する直流発電装置である。 Each member thus obtained was laminated in the order of the anode side gasket and the MEA, and the fuel cell outer peripheral portion of the fuel cell fixing plate and the fuel container outer peripheral portion were joined with an adhesive. As shown in FIG. 19, the obtained fuel cell power generator is approximately 28 mm wide × 128 mm long × 28 mm high, and 18 series cells 13 having a power generation area of approximately 9 cm 2 are mounted on the wall surface of the fuel container 1. The DC power generator has the output terminal 16 and the vent hole 5 having eight gas-liquid separation functions on the upper and lower surfaces.

燃料容器の内容積は概略59mlであった。燃料容器に約55mlの10%メタノール水溶液を充填して負荷電流1Aで連続的に発電したところ、6.1Vの出力で約45分間安定した電圧が得られた。この燃料電池は、天地逆転、または、横転した姿勢で運転しても出力電圧の変化は観測されず、液体燃料の漏れもなく、燃料容器内の圧力上昇も観測されなかった。   The internal volume of the fuel container was approximately 59 ml. When a fuel container was filled with about 55 ml of a 10% methanol aqueous solution and continuously generated with a load current of 1 A, a stable voltage was obtained at an output of 6.1 V for about 45 minutes. Even when the fuel cell was operated in an upside down or sideways position, no change in output voltage was observed, no liquid fuel leaked, and no pressure increase in the fuel container was observed.

このように液体燃料容器の1つの外壁面に複数の燃料電池を装着し、インターコネクタで直列接続して、複数の面に装着された直列電池群を並列にすることによって、セパレータを介して積層することなく6V級の小型燃料電池を実現できる。この時アノード側を液体燃料吸上げ材で収納容器内とアノードを接触させ、カソードが拡散層を介して外気に曝されることで、燃料送液ポンプやカソードガス用ファンなどの補機を必要としない電源が可能となった。   In this way, a plurality of fuel cells are mounted on one outer wall surface of the liquid fuel container, connected in series with an interconnector, and stacked in series via a separator by paralleling a group of series cells mounted on a plurality of surfaces. A 6V class small fuel cell can be realized without doing so. At this time, the anode side is contacted with the anode by the liquid fuel suction material, and the cathode is exposed to the outside air through the diffusion layer, so auxiliary equipment such as a fuel feed pump and a cathode gas fan is required. The power supply that does not.

本実施例は、カソード触媒層にポリテトラフロロエチレンを分散させて撥水性を持たせ、生成水の拡散を容易にすることによって、拡散層を省略しても性能を低下させることなく、構成部品点数を削減した構造とすることができる。   In this embodiment, polytetrafluoroethylene is dispersed in the cathode catalyst layer to have water repellency and facilitate the diffusion of the generated water. A structure with a reduced number of points can be obtained.

本発明の燃料容器の断面構造図である。1 is a cross-sectional structural view of a fuel container according to the present invention. 本発明の電極/電解質膜接合体の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the electrode / electrolyte membrane assembly of this invention. 本発明の燃料電池固定板の断面図である。It is sectional drawing of the fuel cell fixing plate of this invention. 本発明の通気孔断面構造と収納容器取付け断面構造の断面図である。It is sectional drawing of the vent hole cross-section of this invention, and a storage container attachment cross-section. 実施例1の燃料電池の装着部品の構成図である。1 is a configuration diagram of a mounting part of a fuel cell of Example 1. FIG. 実施例1の燃料電池発電装置の外観図である。1 is an external view of a fuel cell power generator of Example 1. FIG. 比較例1のセパレータの外観と断面の構成図である。It is a block diagram of the appearance and cross section of the separator of Comparative Example 1. 比較例の電池の積層構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the laminated structure of the battery of a comparative example. 本発明も高電圧角筒型ユニット電池の外板の構成図である。The present invention is also a configuration diagram of the outer plate of the high-voltage rectangular tube unit battery. 比較例1の電源外観構造と電源/燃料タンクの結合を示す図である。It is a figure which shows the coupling | bonding of the power supply external appearance structure of Comparative Example 1, and a power supply / fuel tank. 実施例1の電極/電解質膜接合体の構成図である。1 is a configuration diagram of an electrode / electrolyte membrane assembly of Example 1. FIG. 実施例1の燃料電池発電装置の外観図である。1 is an external view of a fuel cell power generator of Example 1. FIG. 実施例1の燃料電池発電装置の断面図である。1 is a cross-sectional view of a fuel cell power generator of Example 1. FIG. 比較例2の燃料電池発電装置の外観図である。6 is an external view of a fuel cell power generator of Comparative Example 2. FIG. 実施例2の燃料収納容器の断面図である。6 is a cross-sectional view of a fuel storage container of Example 2. FIG. 実施例2の燃料電池の装着部品の構成図である。6 is a configuration diagram of a mounting part of a fuel cell of Example 2. FIG. 実施例3の燃料容器の断面図である。6 is a cross-sectional view of a fuel container according to Embodiment 3. FIG. 実施例4の燃料電池発電装置の外観図である。6 is an external view of a fuel cell power generator of Example 4. FIG. 実施例5の燃料電池発電装置の外観図である。7 is an external view of a fuel cell power generator of Example 5. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料容器、2…燃料電池装着部、3…拡散孔、4…インターコネクタ、5…液体燃料吸上げ材、6…燃料電池端子、7…カソード集電板、8…燃料電池固定板、9…MEA(電解質膜/電極接合体)、10…ガスケット、11…拡散層、12…メタノール水溶液、13…単電池、15…通気孔、16…出力端子、17…締付けバンド、18…燃料保持層、19…通気孔装着孔、20…絶縁層、21…電解質膜、22…アノード層、23…カソード層、50…気液分離膜、51…通気管、52…通気蓋、54…リブ部、81…セパレータ、82…マニフォルド、83…セパレータ縦断面図、84…セパレータ横断面図、85…発電開孔部、86…マニフォルド開孔部、87…マニフォルド埋込み部、88…溝埋込み部、89…リブ部、92…ライナー、93…吸上げ材、94…積層電池、102…燃料タンク、103…燃料電池装着部、105…セルホルダー。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel container, 2 ... Fuel cell mounting part, 3 ... Diffusion hole, 4 ... Interconnector, 5 ... Liquid fuel suction material, 6 ... Fuel cell terminal, 7 ... Cathode collector plate, 8 ... Fuel cell fixing plate, DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 ... MEA (electrolyte membrane / electrode assembly), 10 ... Gasket, 11 ... Diffusion layer, 12 ... Methanol aqueous solution, 13 ... Single cell, 15 ... Vent, 16 ... Output terminal, 17 ... Fastening band, 18 ... Fuel holding Layer, 19 ... vent hole mounting hole, 20 ... insulating layer, 21 ... electrolyte membrane, 22 ... anode layer, 23 ... cathode layer, 50 ... gas-liquid separation membrane, 51 ... vent tube, 52 ... vent lid, 54 ... rib part , 81 ... Separator, 82 ... Manifold, 83 ... Separator longitudinal sectional view, 84 ... Separator cross-sectional view, 85 ... Power generation opening part, 86 ... Manifold opening part, 87 ... Manifold embedding part, 88 ... Groove embedding part, 89 ... Rib part, 92 Liner, 93 ... wicking material, 94 ... laminated cell, 102 ... fuel tank, 103 ... fuel cell mounting part, 105 ... cell holder.

Claims (6)

液体燃料を酸化するアノードと酸素を還元するカソードと電解質膜を有する電解質膜/電極接合体が、壁面に拡散孔が形成された燃料容器の複数の壁面に、拡散孔及びインターコネクタを介して形成される燃料電池発電装置であって、
前記燃料容器は、前記液体燃料を収容し、内部には、前記電解質膜/電極接合体に液体燃料を供給する液体燃料保持材が設けられ、複数の壁面には炭酸ガスを排気する通気孔が形成され、電気的絶縁性を有する材料で構成されているか、又は該壁面が電気絶縁処理されており、
前記インターコネクタは、網目構造、多孔質層もしくはスリット状の拡散孔構造を持つものであり、
前記電解質膜/電極接合体は、1つの壁面につき複数装着されており、
前記カソードが外気に曝されて配置され、前記アノードが前記インターコネクタ側に配置されたことを特徴とする燃料電池発電装置。
An electrolyte membrane / electrode assembly having an anode that oxidizes liquid fuel, a cathode that reduces oxygen, and an electrolyte membrane is formed on a plurality of wall surfaces of a fuel container having diffusion holes formed on the wall surfaces via diffusion holes and interconnectors. A fuel cell power generator,
The fuel container accommodates the liquid fuel, and a liquid fuel holding material for supplying the fuel to the electrolyte membrane / electrode assembly is provided therein, and a plurality of wall surfaces have vent holes for exhausting carbon dioxide gas. Formed and made of a material having electrical insulation, or the wall surface is electrically insulated,
The interconnector has a network structure, a porous layer or a slit-like diffusion hole structure,
A plurality of the electrolyte membrane / electrode assemblies are mounted on one wall surface,
The fuel cell power generator according to claim 1, wherein the cathode is disposed exposed to the outside air, and the anode is disposed on the interconnector side .
前記通気孔には、気液分離膜が形成されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generator according to claim 1, wherein a gas-liquid separation membrane is formed in the vent hole. 前記通気孔が、燃料補給孔の機能を有することを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電装置。 2. The fuel cell power generator according to claim 1, wherein the vent hole functions as a fuel supply hole. 前記気液分離膜は、撥水性の多孔質膜であることを特徴とする請求項2記載の燃料電池発電装置。 3. The fuel cell power generator according to claim 2, wherein the gas-liquid separation membrane is a water-repellent porous membrane. 前記アノード及び/又は前記カソードに接して拡散層が配置されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generator according to claim 1, wherein a diffusion layer is disposed in contact with the anode and / or the cathode. 前記液体燃料がメタノール水溶液であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電装置。 2. The fuel cell power generator according to claim 1, wherein the liquid fuel is an aqueous methanol solution.
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