JP5003056B2 - Fuel cell - Google Patents

Fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP5003056B2
JP5003056B2 JP2006222579A JP2006222579A JP5003056B2 JP 5003056 B2 JP5003056 B2 JP 5003056B2 JP 2006222579 A JP2006222579 A JP 2006222579A JP 2006222579 A JP2006222579 A JP 2006222579A JP 5003056 B2 JP5003056 B2 JP 5003056B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
water
fuel cell
power generation
fuel
cathode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2006222579A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2008047440A (en
Inventor
賢介 吉田
宏章 吉田
文雄 武井
昭雄 矢野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
Priority to JP2006222579A priority Critical patent/JP5003056B2/en
Publication of JP2008047440A publication Critical patent/JP2008047440A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5003056B2 publication Critical patent/JP5003056B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

本発明は、燃料電池に係わり、特に携帯型電子機器の駆動電源用として適したダイレクトメタノール型の燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly, to a direct methanol fuel cell suitable for a drive power source of a portable electronic device.

近年、携帯電話、PDA、ノート型パソコンなどの携帯型電子機器の著しい進歩によって、これらの機器の消費電力が増加する一方で使用時間が長くなっている。そのため、駆動電源である電池に対しては、軽薄短小の加えて高容量化が強く求められている。   In recent years, due to remarkable progress of portable electronic devices such as mobile phones, PDAs, and notebook personal computers, the power consumption of these devices has increased while the usage time has become longer. For this reason, a battery that is a driving power source is strongly required to have a high capacity in addition to being light and thin.

ところで、携帯型電子機器の搭載電源として従来からよく用いられていたのは、リチウムイオン二次電池である。この電池は、高い駆動電圧と大きな電池容量をもち、携帯型電子機器の進歩に合わせるように性能改善が図られてきた。   By the way, a lithium ion secondary battery has been frequently used as a mounting power source for portable electronic devices. This battery has a high driving voltage and a large battery capacity, and has been improved in performance to match the progress of portable electronic devices.

ところが、リチウムイオン二次電池の性能改善は、現状では、材料面、構造面で限界に近づいてきており、携帯型電子機器の進展に対応する駆動電源としての要求を満たすことが難しくなってきている。   However, the performance improvement of lithium ion secondary batteries is now approaching the limits in terms of materials and structure, and it has become difficult to satisfy the demand as a drive power source corresponding to the progress of portable electronic devices. Yes.

このような現況を打破する新しい高容量電源として、リチウムイオン二次電池よりも数倍の高電源容量を持ち、リチウムイオン二次電池を代替する可能性を持った燃料電池が提案されるに至った。   As a new high-capacity power supply that breaks down the current situation, fuel cells that have a power supply capacity several times higher than that of lithium-ion secondary batteries and have the potential to replace lithium-ion secondary batteries have been proposed. It was.

燃料電池の基本構造は、触媒を含むアノードとカソードとの間に、イオンの移動が可能な固体電解質膜を挟んだ構成となっている。燃料電池の構成要素はいろいろな名称で呼称されており、アノードは、負極とか燃料の酸化が行われる電極なので燃料極とも呼ばれ、カソードは、正極とか酸素(通常は空気中の酸素)が還元される電極なので空気極とも呼ばれる。ここでは、アノード、カソードと統一して呼称する。   The basic structure of a fuel cell has a structure in which a solid electrolyte membrane capable of ion migration is sandwiched between an anode containing a catalyst and a cathode. The components of the fuel cell are called by various names. The anode is also called a fuel electrode because it is a negative electrode or an electrode that oxidizes fuel. The cathode is a positive electrode or oxygen (usually oxygen in the air) is reduced. Because it is an electrode, it is also called an air electrode. Here, they are collectively referred to as an anode and a cathode.

そして、アノードに燃料を供給するとともにカソードに酸素を供給すると、電極に含まれる触媒の作用によって電極のそれぞれで電気化学反応が起こり、燃料を供給源として電流を取り出すことができる。   When fuel is supplied to the anode and oxygen is supplied to the cathode, an electrochemical reaction occurs in each of the electrodes by the action of the catalyst contained in the electrodes, and current can be taken out using the fuel as a supply source.

このようなメカニズムで発電する燃料電池においては、燃料および酸素を供給し続けることによって連続発電が可能である。従って、燃料電池は、燃料および酸素を補給することにより、充電操作によって反復使用される二次電池と同様に使用可能である。   In a fuel cell that generates power by such a mechanism, continuous power generation is possible by continuously supplying fuel and oxygen. Therefore, the fuel cell can be used in the same manner as a secondary battery repeatedly used by a charging operation by replenishing fuel and oxygen.

図3は燃料電池の基本的な構成図で、図3(A)は平面図、図3(B)は模式的な断面図である。   FIG. 3 is a basic configuration diagram of the fuel cell, FIG. 3 (A) is a plan view, and FIG. 3 (B) is a schematic sectional view.

図3(A)は燃料電池10の電池筐体1を開いて上から見た平面図で、中央部分に発電部2が配置されている。発電部2の図中右側に燃料タンク6が配置されており、燃料タンク6から発電部2に燃料供給ライン61が配置されている。同左側には制御回路7が配置されている。また、発電部2の図中上側と下側にはガス交換部12が配置されており、酸素(空気)の取り込みや生成した水蒸気や炭酸ガスの排出ができるようになっている。   FIG. 3A is a plan view of the fuel cell 10 as viewed from above with the battery housing 1 opened, and the power generation unit 2 is disposed at the center. A fuel tank 6 is disposed on the right side of the power generation unit 2 in the figure, and a fuel supply line 61 is disposed from the fuel tank 6 to the power generation unit 2. A control circuit 7 is arranged on the left side. A gas exchange unit 12 is disposed on the upper side and the lower side of the power generation unit 2 in the drawing so that oxygen (air) can be taken in and generated water vapor and carbon dioxide gas can be discharged.

図3(B)は、図3(A)のY−Yの断面図で、発電部2の基本的な構成は、カソード21とアノード22が固体電解質層23を挟持した層構成になっている。カソード21とアノード22とは、共に触媒を担持した炭素粉末をバインダで層状にしたものである。   FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line Y-Y in FIG. 3A, and the basic configuration of the power generation unit 2 is a layer configuration in which the cathode 21 and the anode 22 sandwich the solid electrolyte layer 23. . Both the cathode 21 and the anode 22 are formed by layering carbon powder carrying a catalyst with a binder.

アノード22は、例えば、白金−ルテニウム合金担持触媒を含んでおり、液体燃料が気化した燃料を酸化してプロトンと電子を生成する。生成したプロトンはイオン伝導性を持った固体電解質層23を通ってカソード21に移動する。カソード21は、例えば、白金担持触媒を含んでおり、酸素を還元して水を生成する。   The anode 22 includes, for example, a platinum-ruthenium alloy-supported catalyst, and oxidizes the fuel vaporized by the liquid fuel to generate protons and electrons. The generated protons move to the cathode 21 through the solid electrolyte layer 23 having ion conductivity. The cathode 21 includes, for example, a platinum-supported catalyst, and generates water by reducing oxygen.

ところで、燃料電池は、電解質や燃料の種類によって様々に類別されるが、携帯型電子機器の電源としては、室温付近の低温で作動可能であることや小形に構成できること、振動に強いこと、大量生産が容易な固体電解質を備えていることなどの諸元から、メタノール水溶液を燃料としてアノードに供給するダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)が好適と考えられている。   By the way, the fuel cell is classified into various types depending on the type of electrolyte and fuel. The power source of the portable electronic device can be operated at a low temperature near room temperature, can be configured in a small size, is strong against vibration, A direct methanol fuel cell (DMFC) that supplies an aqueous methanol solution as a fuel to the anode is considered to be preferable because it includes a solid electrolyte that is easy to produce.

現在、多数のダイレクトメタノール方式の燃料電池が周知となっているが、アノードを構成する電極構造体への燃料供給の方式および燃料の状態によって様々に分類することができる。   At present, a large number of direct methanol fuel cells are well known, but can be classified into various types according to the fuel supply system and the state of the fuel to the electrode structure constituting the anode.

燃料を自然に気化させ、重力や毛管現象、自然拡散によって供給する自然気化式パッシブ型のダイレクトメタノール型燃料電池は、高濃度のメタノールの供給と反応生成物の排出を簡単な構造によって行うことができる。   Naturally vaporized passive direct methanol fuel cells that vaporize fuel naturally and supply it by gravity, capillary action, and natural diffusion can supply high-concentration methanol and discharge reaction products with a simple structure. it can.

つまり、自然気化式のパッシブ型のダイレクトメタノール型燃料電池は、メタノール燃料に含まれる水分が少ないので、発電時にカソードで生成して系外に放出される水蒸気の量を最小にできる長所がある。   In other words, the natural vaporization type passive direct methanol fuel cell has the advantage of minimizing the amount of water vapor that is generated at the cathode and discharged outside the system during power generation, since the moisture contained in the methanol fuel is small.

ところが、燃料希釈型のダイレクトメタノール型燃料電池においては、発電時にカソードで生成する水だけでなく、燃料を希釈した水に由来するものが多く含まれる(例えば、特許文献1参照)。   However, many fuel-diluted direct methanol fuel cells are derived not only from water produced at the cathode during power generation, but also from water obtained by diluting fuel (for example, see Patent Document 1).

ところで、100%濃度に近い高濃度のメタノール水溶液を用いる方法では、アノードにおける燃料酸化の発電反応に必要な水は、対極のカソードで発電の際に生成した水を電解質膜を通して自然拡散によりアノードに輸送するため、燃料に水を加える必要がない。   By the way, in the method using a methanol aqueous solution having a high concentration close to 100%, the water necessary for the power generation reaction of fuel oxidation at the anode is the natural water diffused through the electrolyte membrane to the anode by the natural diffusion of the water generated during power generation at the cathode of the counter electrode. There is no need to add water to the fuel for transportation.

従って、燃料を希釈する水の分だけ、水蒸気を減少させることが可能となり、放出される水蒸気の由来は、発電反応によって必然的に生成する水のみとなる。その結果、燃料電池外部での結露などの水蒸気に起因する不具合を最小限まで低減可能である(例えば、特許文献2参照)。   Therefore, it is possible to reduce the amount of water vapor by the amount of water that dilutes the fuel, and the water vapor that is released comes only from the water that is inevitably produced by the power generation reaction. As a result, problems caused by water vapor such as dew condensation outside the fuel cell can be reduced to a minimum (see, for example, Patent Document 2).

一方、100%濃度に近い高濃度のメタノール水溶液を用いるダイレクトメタノール型燃料電池を動作させるためには、カソードで生成した水の蒸発を一定量以下に管理・抑制し、アノードへの水の供給を効率的に働かせることが必要である。   On the other hand, in order to operate a direct methanol fuel cell using a high-concentration methanol solution close to 100% concentration, the evaporation of water generated at the cathode is controlled and suppressed below a certain amount, and the water supply to the anode is controlled. It is necessary to work efficiently.

この手段の一つとして、アノード近傍に筐体で囲まれた空間を配置し、その空間の一部にガス交換口を設ける方法がある。この方法は、ガス交換口によって水蒸気の大気中の拡散を抑制するもので、空間の中の相対湿度を高湿度に維持してアノードからの水の蒸発を抑制する方法である。   As one of such means, there is a method in which a space surrounded by a casing is arranged near the anode, and a gas exchange port is provided in a part of the space. In this method, the diffusion of water vapor in the atmosphere is suppressed by the gas exchange port, and the relative humidity in the space is maintained at a high humidity to suppress the evaporation of water from the anode.

ところで、この方法によれば、燃料電池本体と筐体との温度差を生じたときに、カソードからの水蒸気の一部が筐体内部に結露する。この結露現象は、燃料電池の系外への水蒸気の放出の低減や筐体内部の温度管理の面では好都合な特性であるといえる。   By the way, according to this method, when a temperature difference occurs between the fuel cell main body and the housing, a part of the water vapor from the cathode is condensed inside the housing. This dew condensation phenomenon is an advantageous characteristic in terms of reducing the release of water vapor out of the fuel cell system and controlling the temperature inside the housing.

ところが、この結露水が移動して燃料電池が装備される装置に漏水すると、ユーザの使用環境を大きく損ねることになる。しかも、漏水が装置に付着したときには回路損傷の原因となるため、結露水の固定が不可欠であった。   However, if this condensed water moves and leaks into a device equipped with a fuel cell, the use environment of the user is greatly impaired. In addition, fixing of condensed water is indispensable because water leakage causes damage to the circuit.

従来から、このような筐体内部における結露水の管理方法には、幾つかの提案がある。   Conventionally, there are several proposals for a method for managing condensed water in such a casing.

その提案の一つは、生成水を吸水性のポリマーに吸収させる回収カートリッジを有する燃料電池を開示されている。ところが、この手法では、装置の小形化が困難を上に、カートリッジの交換などの運用が煩雑となる不具合があった。しかも、ここで用いる吸水性のポリマーは、一般的に吸水性能は高いために、返って給水後に水が自然蒸発して乾燥する速度が遅い。そのため、回収カードリッジの定期的な交換が避けられない不具合があった(例えば、特許文献3参照)。   One of the proposals discloses a fuel cell having a recovery cartridge that absorbs generated water into a water-absorbing polymer. However, with this method, there is a problem that the downsizing of the apparatus is difficult and the operation such as cartridge replacement becomes complicated. Moreover, since the water-absorbing polymer used here generally has high water absorption performance, the water is naturally evaporated after water supply and dried at a low rate. For this reason, there has been a problem that periodic replacement of the collection card ridge cannot be avoided (see, for example, Patent Document 3).

また、燃料電池の筐体内に親水性と疎水性を併せ持つ吸撥水部を設けてカソードで生成された生成水を処理する提案もある。ところが、このような親水性と疎水性を併せ持つ高分子材料は、一般的に高価な材料であることが多い。そのため、より低価格な手法が望まれている(例えば、特許文献4参照)。
特許公報 第3413111号 特開2006−054082号公報 特開2003−203668号公報 特開2006−344346号公報
There is also a proposal for treating the generated water generated at the cathode by providing a water-absorbing / hydrophobic portion having both hydrophilicity and hydrophobicity in the casing of the fuel cell. However, such a polymer material having both hydrophilicity and hydrophobicity is generally an expensive material in many cases. Therefore, a lower cost method is desired (for example, refer to Patent Document 4).
Japanese Patent No. 3413111 JP 2006-040882 A JP 2003-203668 A JP 2006-344346 A

これまで述べてきたように、燃料電池において、高エネルギー密度化を実現するこために100%に近い高濃度のメタノール水溶液を用いるダイレクトメタノール方式の燃料電池を動作させるためには、カソードで生成する水の管理・抑制が重要である。   As described above, in order to operate a direct methanol fuel cell using a high concentration methanol aqueous solution close to 100% in order to realize high energy density in the fuel cell, it is generated at the cathode. Water management and control are important.

ところが、生成水の管理のために設けられる筐体内の空間内で、温度差に起因して生じる結露水を固定する新たな課題に対しては、回収カートリッジの交換の煩雑さや、高価な吸収材の使用といった不具合があった。   However, for the new problem of fixing the dew condensation water generated due to the temperature difference in the space in the housing provided for the management of the generated water, the troublesome replacement of the recovery cartridge and the expensive absorbent material There was a problem such as using.

そこで本願発明は、発電部と電池筐体とに設けた空間に面して水蒸気は通すが水は通さない親水性の多孔質膜を配置し、多孔質膜をとおった水蒸気が一端結露したら、蒸発するまで電池筐体から排出できないようにし、結露水の漏水を防いだ燃料電池を提供することを目的としている。   Therefore, the present invention has a hydrophilic porous membrane that faces the space provided in the power generation unit and the battery casing and allows water vapor to pass but does not allow water to pass, and once the water vapor passing through the porous membrane has condensed, An object of the present invention is to provide a fuel cell that prevents the condensed water from leaking from the battery casing until it evaporates.

上で述べた課題は、請求項1において、酸素を活物質に還元するカソードと燃料が酸化されるアノードとが固体電解質膜を挟持して配置された発電部と、該発電部に燃料を気化して供給する燃料供給部と、該カソード近傍に空間を配置した筐体とからなる燃料電池において、該空間に面した該カソード近傍の該電池筐体の内面に配置され水蒸気は通すが水は通さない親水性の多孔質膜と、該空間に面した該カソード近傍の該電池筐体の内面に穿設し、該多孔質膜が該結露水保持部の開口全面に張設されている結露水保持部と、を有するように構成された燃料電池によって解決される。 The problem described above is that, in claim 1, a power generation unit in which a cathode for reducing oxygen to an active material and an anode for oxidizing fuel are disposed with a solid electrolyte membrane interposed therebetween, and fuel is supplied to the power generation unit. In a fuel cell comprising a fuel supply unit that is supplied in a form and a housing in which a space is disposed in the vicinity of the cathode, the fuel cell is disposed on the inner surface of the battery housing in the vicinity of the cathode that faces the space, and allows water vapor to pass therethrough but water A porous porous membrane that does not pass through, and an inner surface of the battery casing in the vicinity of the cathode that faces the space, and the porous membrane is stretched over the entire opening of the condensed water holding portion The fuel cell is configured to include a dew condensation water holding unit .

つまり、本願発明の燃料電池においては、筐体内に設けた空間に面したカソード近傍内面に、水蒸気は通すが水は通さない親水性の多孔質膜配置するようにしている。 That is, in the fuel cell of the present invention, a hydrophilic porous membrane that allows water vapor to pass but does not allow water to pass is disposed on the inner surface in the vicinity of the cathode facing the space provided in the housing.

そうすると、高濃度メタノール水溶液を用いた燃料電池において、特に携帯電話などの超小形機器用の燃料電池において、保水用の空間で結露が起こらないようにして水漏出を抑制することを低価格で実現できる。   As a result, in fuel cells using high-concentration aqueous methanol, especially in fuel cells for ultra-small devices such as mobile phones, it is possible to control water leakage at a low price by preventing condensation in the water retention space. it can.

また、請求項において、該空間に面した該カソード近傍の該電池筐体の内面に穿設した結露水保持部を有し、該多孔質膜が該結露水保持部の開口に張設されているように構成された燃料電池によって解決される。 Further , in claim 1 , there is a dew condensation water holding portion drilled in the inner surface of the battery casing near the cathode facing the space, and the porous membrane is stretched over the opening of the dew condensation water holding portion. It is solved by configured fuel cell as.

つまり、多孔質膜を配置する部位の電池筐体の内面を穿設して凹部を結露水保持部としている。そして、その結露水保持部の開口全面を蓋で覆いをするように多孔質膜を張設している。   That is, the inner surface of the battery casing at the part where the porous membrane is disposed is formed, and the concave portion is used as the dew condensation water holding portion. And the porous membrane is stretched | stretched so that the opening whole surface of the condensed water holding part may be covered with a lid | cover.

そうすると、多孔質膜は、水蒸気のような気体は通すが、粘性をもった水のような液体は通さないので、多孔質膜を通って水蒸気は結露水保持部の内部に流れ込む。しかし、流れ込んだ水蒸気が結露水保持部内で結露しても結露水は多孔質膜を通らないので、結露水保持部に保持されて漏水することを防ぐことができる。   Then, although the gas such as water vapor passes through the porous membrane, the liquid such as water having viscosity does not pass through the porous membrane, so that the water vapor flows into the condensed water holding portion through the porous membrane. However, even if the flowing water vapor condenses in the dew condensation water holding part, the dew condensation water does not pass through the porous membrane, so that it can be prevented that the water vapor is held by the dew condensation water holding part and leaks.

次いで、請求項において、多孔質膜は、孔径が0.01mmφを越えないように構成された請求項1記載の燃料電池によって解決される。 Next, in claim 2 , the porous membrane is solved by the fuel cell according to claim 1, wherein the pore diameter is configured not to exceed 0.01 mmφ.

つまり、空間内での結露を防ぐ多孔質膜は、細孔の孔径が小さ過ぎると水の表面自由エネルギー(表面張力)で保水され難いが、大き過ぎても細孔から漏水してしまう。従って、好ましい細孔の孔径として0.01mmφを越えないようにしている。   In other words, a porous membrane that prevents dew condensation in the space cannot easily be retained by the surface free energy (surface tension) of water if the pore diameter is too small, but if it is too large, water will leak from the pore. Therefore, the preferable pore diameter does not exceed 0.01 mmφ.

次いで、請求項において、結露水保持部は、厚さが2mmを越えないように構成された請求項記載の燃料電池によって解決される。 Then, in claim 3, condensation water holding section is solved by a fuel cell according to claim 1, wherein the thickness is configured so as not to exceed 2 mm.

つまり、カソードで生成した水を保水する空間が大き過ぎることは、燃料電池そのものを小さくすることに逆行するばかりでなく、空間の容積が大きくて多孔質膜の保水が十分に機能しない。従って、空間の厚さが2mmを越えないようにし、空間内の水を含んだ雰囲気が十分に多孔質膜と接触するようにする。   In other words, an excessively large space for holding water generated at the cathode not only goes against reducing the size of the fuel cell itself, but also the volume of the space is large and the water retention of the porous membrane does not function sufficiently. Therefore, the thickness of the space should not exceed 2 mm, and the atmosphere containing water in the space should be in sufficient contact with the porous membrane.

本発明においては、発電部のカソードと電池筐体との間に設けた空間に面した電池筐体の内面に水蒸気は通すが水は通さない多孔質膜を配置する。そして、カソードで生成した水蒸気を多孔質膜を通し、結露した水が多孔質膜から漏水しないようにしている。   In the present invention, a porous membrane that allows water vapor to pass but does not pass water is disposed on the inner surface of the battery casing facing the space provided between the cathode of the power generation unit and the battery casing. And the water vapor | steam produced | generated by the cathode is passed through a porous membrane, and the water which condensed has prevented it from leaking from a porous membrane.

その結果、特に高濃度のメタノールを用いた燃料電池において、メタノールクロスオーバで発生した水蒸気の結露水が電池筐体から漏水することを防ぐばかりでなく、カソードが生成した水の管理・制御をも行うことができる。   As a result, especially in fuel cells using high-concentration methanol, not only does water vapor condensate generated by methanol crossover prevent leakage from the battery housing, but it also manages and controls the water produced by the cathode. It can be carried out.

図1は本発明の燃料電池の実施例の説明図で、図1(A)は一部切欠平面図、図1(B)は図1(A)のX−X断面図、図1(C)は発電部の模式的な断面図を示し、図2は本発明の燃料電池の模式的な発電動作の流れ図で、図2(A)は発電開始、図2(B)は発電中、図2(C)は発電終了、図2(D)は無発電時を示す。
〔実施例〕
図1(A)は本発明の燃料電池10の電池筐体1を開けて上から見た平面図で、中央部分に発電部2が配置されている。発電部2の図中右側に燃料タンク6が配置されており、燃料タンク6から発電部2に燃料供給ライン61が配置されている。同左側には制御回路7が配置されている。また、発電部2の図中上側と下側にはガス交換口11が配置されており、生成した水蒸気などの排出ができるようになっている。
FIG. 1 is an explanatory view of an embodiment of a fuel cell according to the present invention. FIG. 1 (A) is a partially cutaway plan view, FIG. 1 (B) is an XX cross-sectional view of FIG. ) Shows a schematic cross-sectional view of the power generation unit, FIG. 2 is a schematic flow chart of the power generation operation of the fuel cell of the present invention, FIG. 2 (A) is the start of power generation, FIG. 2 (B) is the power generation, 2 (C) shows the end of power generation, and FIG. 2 (D) shows no power generation.
〔Example〕
FIG. 1A is a plan view of the fuel cell 10 according to the present invention when the battery casing 1 is opened and seen from above, and the power generation unit 2 is arranged at the center. A fuel tank 6 is disposed on the right side of the power generation unit 2 in the figure, and a fuel supply line 61 is disposed from the fuel tank 6 to the power generation unit 2. A control circuit 7 is arranged on the left side. Further, gas exchange ports 11 are arranged on the upper side and the lower side of the power generation unit 2 in the drawing so that the generated water vapor and the like can be discharged.

発電部2の切り欠いた背面側には、多孔質膜4が配置されており、多孔質膜4の紙面奥行き方向は電池筐体1に凹部状に穿設されて結露水保持部5になっている。そして、多孔質膜4が結露水保持部5の開口全面を蓋が覆うように張設されている。このように、結露水保持部5は電池筐体1に穿設されているため、この構成を付加しても、燃料電池1そのものの大きさは従来と変わらない。   A porous membrane 4 is disposed on the back side of the power generation unit 2 where the power generation unit 2 is cut out. The depth direction of the porous membrane 4 in the drawing is formed in a concave shape in the battery housing 1 to form a condensed water holding unit 5. ing. The porous membrane 4 is stretched so that the cover covers the entire opening of the condensed water holding unit 5. Thus, since the dew condensation water holding part 5 is perforated in the battery casing 1, even if this configuration is added, the size of the fuel cell 1 itself is not different from the conventional one.

図1(B)は、図1(A)のX−X断面図で本発明の燃料電池の要部を示している。燃料電池10の電池筐体1の中央部位には発電部2が収納されている。発電部2の基本的な構成は、図1(C)に模式的な断面図で示したように、カソード21とアノード22が固体電解質層23を挟持した層構成になっている。カソード21とアノード22とは、共に触媒を担持した炭素粉末をバインダで層状にしたものである。   FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line XX in FIG. 1A and shows a main part of the fuel cell of the present invention. A power generation unit 2 is housed in the central portion of the battery casing 1 of the fuel cell 10. The basic configuration of the power generation unit 2 is a layer configuration in which the cathode 21 and the anode 22 sandwich the solid electrolyte layer 23 as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. Both the cathode 21 and the anode 22 are formed by layering carbon powder carrying a catalyst with a binder.

アノード22は、例えば、白金−ルテニウム合金担持触媒:TEC61E54(田中貴金属社製)を含んでおり、図示してない燃料貯蔵部から導入された液体燃料のメタノールが水とともに触媒の作用で酸化してプロトンと電子を生成する。生成したプロトンはイオン伝導性を持った固体電解質層23を通ってカソード21に移動する。   The anode 22 includes, for example, a platinum-ruthenium alloy supported catalyst: TEC61E54 (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.), and methanol of liquid fuel introduced from a fuel storage unit (not shown) is oxidized together with water by the action of the catalyst. Protons and electrons are generated. The generated protons move to the cathode 21 through the solid electrolyte layer 23 having ion conductivity.

固体電解質層23には、例えば、パーフルオロスルホン酸(商品名:Nafion112、DuPont社製)のような、イオン伝導性の固体高分子膜が用いられる。   For the solid electrolyte layer 23, for example, an ion conductive solid polymer film such as perfluorosulfonic acid (trade name: Nafion 112, manufactured by DuPont) is used.

カソード21は、固体電解質層23を通して移動してきたプロトンとともに酸素が触媒の作用で還元されて活物質となり水を生成する。触媒としては、例えば、白金担持触媒:TEC10E50E(田中貴金属社製)を含んでいる。   In the cathode 21, oxygen is reduced together with protons that have moved through the solid electrolyte layer 23 by the action of the catalyst to become an active material, and generate water. Examples of the catalyst include a platinum-supported catalyst: TEC10E50E (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.).

発電部2の表面積は、80mm×40mmの大きさである。発電部2に面した電池筐体1との間には厚さが2mmの空間3が設けられている。この空間3に面した電池筐体1の内面には深さ0.5mmの凹部を設け、この凹部が結露水保持部5になっている。さらに、結露水保持部5の開口部分全面を蓋で覆うように多孔質膜4が張られた構成になっている。   The surface area of the power generation unit 2 is 80 mm × 40 mm. A space 3 having a thickness of 2 mm is provided between the battery case 1 facing the power generation unit 2. A concave portion having a depth of 0.5 mm is provided on the inner surface of the battery housing 1 facing the space 3, and the concave portion serves as a dew condensation water holding portion 5. Further, the porous membrane 4 is stretched so that the entire opening portion of the condensed water holding portion 5 is covered with a lid.

多孔質膜4は、水蒸気のような気体は透過するが、水のような粘性のある液体は透過しない親水性のフィルタで、例えば、デュラポアメンブレンフィルタHVLP14250(日本ミリポア社製)を用いている。   The porous membrane 4 is a hydrophilic filter that transmits gas such as water vapor but does not transmit viscous liquid such as water. For example, Durapore membrane filter HVLP14250 (manufactured by Nihon Millipore) is used. .

図2は本発明の実施例の模式的な発電動作の流れ図で、発電動作の前後で多孔質膜4がどのような作用・効果を示すかを、図1(B)に示した本発明の燃料電池の模式的な断面図を用いて説明する。図中、網点模様を施した部位は水蒸気の存在を示し、矢印は水蒸気の移動方向を示す。   FIG. 2 is a schematic flow chart of the power generation operation of the embodiment of the present invention. The action and effect of the porous membrane 4 before and after the power generation operation are shown in FIG. 1 (B). The fuel cell will be described with reference to a schematic cross-sectional view. In the figure, the part with a halftone dot pattern indicates the presence of water vapor, and the arrow indicates the direction of movement of the water vapor.

図2(A)は、発電開始時の燃料電池10の電池筐体1の内部の状態を示し、発電部2のアノードで燃料のメタノールが触媒反応によって酸化されプロトンが生成する。このプロトンが固体電解質層を通ってカソードに移動し、酸素とともに触媒の作用によって水が生成される。   FIG. 2A shows the internal state of the battery casing 1 of the fuel cell 10 at the start of power generation, and fuel methanol is oxidized by a catalytic reaction at the anode of the power generation unit 2 to generate protons. The protons move through the solid electrolyte layer to the cathode, and water is generated by the action of the catalyst together with oxygen.

カソードで生成した水は、高濃度のメタノールを燃料としたダイレクトメタノール型の燃料電池においては、メタノールが固体電解質層に透過して起こる、いわゆるメタノールのクロスオーバによって、発電部2が温度上昇するために、矢印81で示したように水蒸気が発生し、空間3に対面するカソード近傍の相対湿度が高くなる。   In the direct methanol fuel cell using high-concentration methanol as the fuel, the water generated at the cathode causes the temperature of the power generation unit 2 to rise due to the so-called methanol crossover that occurs when methanol permeates through the solid electrolyte layer. In addition, water vapor is generated as indicated by an arrow 81, and the relative humidity in the vicinity of the cathode facing the space 3 increases.

次いで、図2(B)は、発電中の燃料電池10の電池筐体1の内部の状態を示し、発電部2の水の生成と温度上昇がさらに進んで網点模様で示した水蒸気の量が増える。この水蒸気は矢印82に示したように多孔質膜4を透過し、発電部2と電池筐体1内との温度差によって結露し、液体の水となって結露水保持部5に溜まり始める。それと同時に、ガス交換口11から矢印83の方向に放出が始まる。このガス交換口11からの水蒸気の放出が発電部2からの水の蒸発速度を決めることになる。   Next, FIG. 2 (B) shows the state of the inside of the battery casing 1 of the fuel cell 10 during power generation, and the amount of water vapor indicated by a halftone dot pattern as the generation and temperature increase of water in the power generation unit 2 further progresses. Will increase. The water vapor passes through the porous membrane 4 as indicated by an arrow 82, and is condensed due to a temperature difference between the power generation unit 2 and the battery casing 1, and begins to accumulate in the condensed water holding unit 5 as liquid water. At the same time, discharge starts from the gas exchange port 11 in the direction of the arrow 83. The release of water vapor from the gas exchange port 11 determines the evaporation rate of water from the power generation unit 2.

次いで、図2(C)は、発電を終了した際の燃料電池10の電池筐体1の内部の状態を示し、発電部2の温度が低下して水の蒸発が止まる。空間3を満たしていた水蒸気はガス交換口11から矢印84の方向に放出される。しかし、結露水保持部5に溜まった水は、粘性を持っているので液体のままでは多孔質膜4を透過して空間3に漏水することができず、結露水保持部5の中に溜まっている。   Next, FIG. 2C shows the internal state of the battery housing 1 of the fuel cell 10 when the power generation is finished, and the temperature of the power generation unit 2 decreases and the evaporation of water stops. The water vapor filling the space 3 is discharged from the gas exchange port 11 in the direction of the arrow 84. However, the water accumulated in the dew condensation water holding unit 5 has viscosity, so if it remains in the liquid state, it cannot pass through the porous membrane 4 and leak into the space 3 and remains in the dew condensation water holding unit 5. ing.

次いで、図2(D)は、無発電時の燃料電池10の電池筐体1の内部の状態を示し、結露水保持部5に溜まっている水が自然蒸発して多孔質膜4を透過して矢印85の方向に穏やかに蒸発して空間3に放出し、矢印86に示したようにガス交換口11から電池筐体1の外に排出する。   Next, FIG. 2 (D) shows the internal state of the battery casing 1 of the fuel cell 10 when no power is generated, and the water accumulated in the condensed water holding part 5 spontaneously evaporates and permeates the porous membrane 4. Then, it evaporates gently in the direction of the arrow 85 and is discharged into the space 3, and is discharged out of the battery casing 1 from the gas exchange port 11 as indicated by the arrow 86.

図2で例示した一連の発電動作は、電池筐体1を透明なプラスチックス製として筐体内が目視で観察できるようにした。また、発電部2は、80mmの長手方向が床面に垂直になるように電池筐体1を配置し、3時間発電→4時間発電休止、つまり生成した水の排出を5回繰り返し、電池筐体1の外部から内部の結露水の振舞いを目視が確認した。   In the series of power generation operations illustrated in FIG. 2, the battery housing 1 is made of transparent plastic so that the inside of the housing can be visually observed. In addition, the power generation unit 2 arranges the battery housing 1 so that the longitudinal direction of 80 mm is perpendicular to the floor surface, repeats the power generation for 3 hours → the power generation for 4 hours, that is, discharges the generated water five times, Visual observation confirmed the behavior of the condensed water inside the body 1 from the outside.

その結果、5回の繰り返し終了時にも、結露水保持部5の中の結露水が保持されており、外部へ移動して、いわゆる漏水の起こす不具合は生じなかった。
〔比較例1〕
実施例と同じ構成の燃料電池において、結露水保持部の上に親水性の多孔質膜を張設した本発明になる構成でない状態で、実施例と同様の試験を行った。
As a result, even when the repetition was repeated five times, the dew condensation water in the dew condensation water holding unit 5 was held, and there was no inconvenience that it moved to the outside and caused so-called water leakage.
[Comparative Example 1]
In the fuel cell having the same configuration as that of the example, a test similar to that of the example was performed in a state where the hydrophilic porous membrane was stretched on the dew condensation water holding portion and not the configuration according to the present invention.

その結果、1回目の発電終了時に、電池筐体の空間の下部に結露水保持部から溢流したと思われる多量の液滴が認められた。
〔比較例2〕
実施例と同じ構成の燃料電池において、結露水保持部の上に張設した親水性の多孔質膜に替えて一般のアクリル系の吸水性ポリマを200μmの厚さに塗設した状態で、実施例と同様の試験を行った。
As a result, at the end of the first power generation, a large amount of liquid droplets that seemed to overflow from the condensed water holding part were found in the lower part of the space of the battery casing.
[Comparative Example 2]
In the fuel cell having the same configuration as that of the example, in the state where a general acrylic water-absorbing polymer was applied to a thickness of 200 μm instead of the hydrophilic porous membrane stretched on the condensed water holding portion. A test similar to the example was performed.

その結果、4回目の発電終了時に、比較例1と同様に、電池筐体の空間の下部に結露水保持部から溢流したと思われる多量の液滴が認められた。   As a result, at the end of the fourth power generation, as in Comparative Example 1, a large amount of liquid droplets that seemed to overflow from the dew condensation water holding part were observed in the lower part of the space of the battery casing.

このようにして、本発明によれば、特に発電効率が良いとされる高濃度のメタノール水溶液を液体燃料として用いたダイレクトメタノール型の燃料電池において、アノードで生成した水がメタノールのクロスオーバによる発電部の温度上昇で水蒸気となり、その後結露して電池筐体から漏水してしまう不具合を、簡単な機構によって効果的に回避することができる。   Thus, according to the present invention, in a direct methanol fuel cell using a highly concentrated aqueous methanol solution, which is considered to have particularly good power generation efficiency, as a liquid fuel, water generated at the anode is used to generate power by crossover of methanol. The problem that water vapor is generated by the temperature rise of the part and then dew condensation and water leakage from the battery housing can be effectively avoided by a simple mechanism.

カソードまたはアノードが含む触媒や、固体電解質層を構成する素材は、いろいろなメーカが商品化して市販しており、実施例で例示したものに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。   The catalyst included in the cathode or anode and the material constituting the solid electrolyte layer are commercially available by various manufacturers and are not limited to those exemplified in the embodiments, and various modifications are possible. .

また、親水性の多孔質膜は、水蒸気は透過するが液体の水は透過しない特性を有する素材であれば適用することができ、種々の変形が可能である。   Further, the hydrophilic porous membrane can be applied as long as it is a material having a characteristic of permeating water vapor but not liquid water, and various modifications are possible.

また、電池筐体内の発電部との間に設ける空間や結露水保持部の凹みの深さは、燃料電池の小形化、薄形化を指向して決めた諸元であるが、この限界値を越えるものも当然本発明の技術的事項に含まれる。   In addition, the space provided between the power generation unit in the battery casing and the depth of the concavity of the dew condensation water holding unit are the specifications determined for downsizing and thinning the fuel cell. Of course, those exceeding the range are also included in the technical matters of the present invention.

さらに、本発明は、燃料のメタノールが高濃度のメタノール水溶液を用いたダイレクトメタノール型の燃料電池においてより効果を発揮するが、大きな濃度範囲に適用することができ、種々の変形が可能である。   Further, the present invention is more effective in a direct methanol fuel cell using a methanol aqueous solution having a high concentration of methanol as fuel, but can be applied to a large concentration range and various modifications are possible.

本発明の実施例の模式的断面図である。It is typical sectional drawing of the Example of this invention. 本発明の燃料電池の模式的な発電動作の流れ図である。It is a flowchart of typical electric power generation operation | movement of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の実施例の説明図である。It is explanatory drawing of the Example of the fuel cell of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 電池筐体
11 ガス交換口
2 発電部
21 カソード 22 アノード
23 固体電解質層
3 空間
4 多孔質膜
5 結露水保持部
6 燃料タンク
7 制御回路 81、82、83、84、85、86 (水蒸気が流れる方向を示す)矢印
10 燃料電池
1 Battery housing
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Gas exchange port 2 Electric power generation part 21 Cathode 22 Anode 23 Solid electrolyte layer 3 Space 4 Porous membrane 5 Condensation water holding part 6 Fuel tank 7 Control circuit 81, 82, 83, 84, 85, 86 (It shows the direction through which water vapor flows ) Arrow 10 Fuel cell

Claims (3)

酸素を活物質に還元するカソードと燃料が酸化されるアノードとが固体電解質膜を挟持して配置された発電部と、該発電部に燃料を気化して供給する燃料供給部と、該カソード近傍に空間を配置した電池筐体とからなる燃料電池において、
該空間に面した該カソード近傍の該電池筐体の内面に配置され水蒸気は通すが水は通さない親水性の多孔質膜と、
該空間に面した該カソード近傍の該電池筐体の内面に穿設し、該多孔質膜が該結露水保持部の開口全面に張設されている結露水保持部と、
を有することを特徴とする燃料電池。
A power generation unit in which a cathode that reduces oxygen to an active material and an anode in which fuel is oxidized sandwiches a solid electrolyte membrane, a fuel supply unit that vaporizes and supplies fuel to the power generation unit, and the vicinity of the cathode In a fuel cell comprising a battery casing with a space arranged in
A hydrophilic porous membrane disposed on the inner surface of the battery case near the cathode facing the space, allowing water vapor to pass but not water;
A dew condensation water holding portion that is formed in the inner surface of the battery casing in the vicinity of the cathode facing the space, and the porous membrane is stretched over the entire opening of the dew condensation water holding portion;
Fuel cell characterized in that it comprises a.
該多孔質膜は、孔径が0.01mmφを越えないことを特徴とする請求項1記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 1, wherein the porous membrane has a pore diameter not exceeding 0.01 mmφ. 該結露水保持部は、厚さが2mmを越えないことを特徴とする請求項1記載の燃料電池。2. The fuel cell according to claim 1, wherein the dew condensation water holding part has a thickness not exceeding 2 mm.
JP2006222579A 2006-08-17 2006-08-17 Fuel cell Expired - Fee Related JP5003056B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006222579A JP5003056B2 (en) 2006-08-17 2006-08-17 Fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006222579A JP5003056B2 (en) 2006-08-17 2006-08-17 Fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2008047440A JP2008047440A (en) 2008-02-28
JP5003056B2 true JP5003056B2 (en) 2012-08-15

Family

ID=39180964

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006222579A Expired - Fee Related JP5003056B2 (en) 2006-08-17 2006-08-17 Fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5003056B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5130691B2 (en) * 2006-10-25 2013-01-30 株式会社日立製作所 Fuel cell module structure
JP6136066B2 (en) * 2013-03-27 2017-05-31 Toto株式会社 Fuel cell system

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003157881A (en) * 2001-11-26 2003-05-30 Matsushita Electric Ind Co Ltd Portable fuel cell device, portable electronic equipment and portable fuel cell drainage treatment method
JP4281382B2 (en) * 2002-04-19 2009-06-17 ソニー株式会社 Generated water treatment system and power generation device
JP2004087159A (en) * 2002-08-23 2004-03-18 Fuji Photo Film Co Ltd Fuel cell and camera
JP4568053B2 (en) * 2004-08-10 2010-10-27 富士通株式会社 Fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
JP2008047440A (en) 2008-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4296625B2 (en) Power generation device
JP4325933B2 (en) Fuel cells and electrical equipment
US7553570B2 (en) Fuel cell
JP5006218B2 (en) Fuel cell
JP2012204300A (en) Metal air cell system
JP2004055307A (en) Fuel cell mounting apparatus
JP5171781B2 (en) Passive fuel cell assembly
JP5105710B2 (en) Fuel cell
JP5003056B2 (en) Fuel cell
JP5241125B2 (en) Fuel cell module
JP2007299712A (en) Fuel cell
US20100098985A1 (en) Fuel cell and electronic device including the same
JP5428148B2 (en) FUEL CELL AND METHOD OF OPERATING FUEL CELL
US8703347B2 (en) Flat fuel cell assembly having gas barrier material layer
JP4637460B2 (en) Manufacturing method of fuel cell
JP4403465B2 (en) Power generation method
JP2005317436A (en) Fuel cell system and equipment
JP2009170406A (en) Fuel cell
JP2009076404A (en) Fuel battery cell and fuel battery stack
JP2010049860A (en) Fuel cell
JP5354860B2 (en) Fuel cell and fuel cell
KR100718114B1 (en) Fuel cell system comprising structure for supplying fuel in vapor phase
JP4843906B2 (en) Fuel cell system and equipment
JP2005302518A (en) Fuel cell system and equipment
JP2007005247A (en) Fuel cell and cartridge for fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20090409

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20120201

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120207

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120409

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

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20120424

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120507

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

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150601

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees